高模量玄武岩纤维-钢丝复合筋的力学性能

玄武岩纤维筋作为一种耐腐蚀性能优良的新型复合材料筋,因其抗拉弹性模量低以及延性差的不足,限制了它的推广应用.针对此问题,根据复合原理,将钢丝和玄武岩纤维原丝一起拉挤成型,研制出高模量玄武岩纤维-钢丝复合筋.从理论上分析了玄武岩纤维-钢丝复合筋受力机理,并对其进行了单向拉伸试验研究.试验结果表明,掺杂钢丝可以显著提高玄武岩纤维筋的抗拉弹性模量,并改善其延展性;玄武岩纤维-钢丝复合筋应力应变关系曲线具有双线性特征;复合筋抗拉弹性模量与钢丝掺量呈线性关系,掺杂钢丝24%时,复合筋抗拉弹性模量可达76 580 MPa.     

钢-连续纤维复合筋及其增强混凝土结构研究现状

钢-连续纤维复合筋(SFCB)由内芯钢筋与纤维增强复合材料(FRP)外包覆层复合而成,基于钢筋和FRP的优势互补,SFCB具有良好的耐腐蚀性能与稳定的屈服后二次刚度,在新建结构和加固领域具备广泛的应用前景。本文介绍钢与FRP复合的不同产品(筋、板、索等)及其力学性能特征,复合产品的受拉性能可以通过复合法则进行较好的预测,而SFCB的往复拉压性能由于内芯钢筋和外侧FRP相互作用而产生"双向削弱效应"。对SFCB/混凝土界面黏结性能及其增强混凝土梁、板、柱性能的研究进展进行介绍,SFCB/海砂混凝土的短期和长期黏结性能均表现良好,在盐溶液中浸泡6个月后其黏结性能无明显减弱;在相同柱顶侧移下,SFCB增强混凝土柱相对于普通钢筋混凝土(RC)柱的柱底曲率需求较小,结合集束等高效配筋形式可以实现SFCB增强混凝土柱变形能力的进一步有效控制;振动台试验表明:SFCB增强混凝土柱的塑性铰区应变更为均匀,有利于减小结构的震后残余变形。通过梳理SFCB及其增强混凝土结构研究现状,对提升本领域研究水平和促进工程应用推广有一定的参考价值。     

SFCB和BFRP混杂配筋梁的受弯性能

为提高混凝土结构的刚度和耐久性,提出一种新型混杂配筋形式,钢-连续纤维复合筋(steel fiber composite bar, SFCB)和玄武岩纤维复合筋(basalt fiber reinforced polymer, BFRP)混合增强混凝土结构.将其与钢筋混凝土梁、传统混杂配筋梁的受弯性能进行对比研究,同时考察等效配筋率ρ_e、FRP与钢截面面积比A_f/A_s等参数对混杂配筋梁受弯性能的影响.结果表明:几种结构梁的破坏形态均为钢筋屈服后受压区混凝土压溃;与钢筋混凝土梁相比,混杂配筋梁具有较高的极限承载力,在受弯破坏前具有良好的耗能能力;混杂配筋梁的受弯承载力随着ρ_e值增加而增大,且ρ_e值越大,跨中挠度越小,裂缝宽度越小;A_f/A_s值对混杂配筋梁屈服后刚度影响较大,A_f/A_s值越高,钢筋屈服后结构刚度降低幅度越小.     

关于双筋矩形截面梁的几个问题

对双筋矩形截面梁受拉钢筋和受压钢筋均未知时纵向钢筋最小总用钢量的设计方法进行了推导,并与通常方法进行了比较.从理论上分析了受压区配筋量对双筋矩形截面梁承载力的影响规律,给出了双筋矩形截面梁极限承载力计算公式.     

新型混杂BFRP和SFCB配筋梁的裂缝宽度分析

针对采用玄武岩纤维增强复合材料(Basalt fiber-reinforced polymer,BFRP)筋和钢连续纤维复合筋(steel-FRP composite bar,SFCB)制备的新型纤维复合材料和钢筋组合的混杂配筋(hybrid reinforced concrete,Hybrid-RC)梁多采用非对称配筋,可能导致结构产生的裂缝宽度过大的问题,设计7根混凝土梁,研究了非对称配筋形式下Hybrid-RC梁的裂缝.试验结果表明:等效配筋率ρe及钢筋和FRP筋之间的轴向拉伸强度比γ会对Hybrid-RC梁的裂缝宽度产生较大影响;分别给出美国混凝土协会(ACI)规范和加拿大规范(CSA)计算Hybrid-RC梁裂缝宽度时粘结系数kb的建议值.     

高性能纤维增强混凝土与筋材复合体系拉伸性能研究

超高性能混凝土（UHPC）具有优异的抗压强度，而超高延性水泥基复合材料（ECC）具有优良的拉伸应变强化能力，二者均属于高性能纤维增强基材。纤维增强复合材料筋（FRP bar）具有抗拉强度高、密度小、耐腐蚀性能好的优点。高性能基体与高强度筋材的结合使用，有望解决传统钢筋混凝土结构的耐久性问题，同时保证结构体系的承载能力。选取力学性能不同的3种基体（普通混凝土、ECC和UHPC）与2种筋材（钢筋、BFRP筋），在其材料性能试验基础上，对其组成的6种配筋复合体系进行了轴拉试验。试验结果表明，复合材料的拉伸性能受多种因素的影响。高性能基材可以有效地提升构件强度，但复合体系的变形能力由基材与筋材中应变能力较弱的一方决定；高性能基材所提供的抗拉贡献和应变软化会导致复合体系提前进入破坏状态，反而降低了体系的延性（拉伸变形能力）。初步证明，基于高性能材料的结构构件设计必须综合考虑材料各自的力学性能和材料间相互作用造成的综合影响。     

玄武岩纤维筋粘结式锚索的力学性能与破坏形式研究

基于10组玄武岩纤维筋(BFRP)粘结式锚索的静载拉伸试验,分析了不同环氧树脂胶粘结介质、锚固形式(锚固段中部索体削细缩颈处理与未削细)和索体束数对锚索力学性能与破坏形式的影响.研究结果表明:玄武岩纤维筋粘结式锚索单束BFRP平均极限承载力达143.85 kN,3束组合情况下极限承载力达389.61 kN,组合后筋材发...     

配螺旋箍筋芯柱的钢筋再生混凝土柱性能研究

通过对12根配螺旋箍筋芯柱的钢筋再生混凝土柱分别进行轴心受压试验和偏心受压试验,阐述了主要试验现象及破坏形态,对各试件的承载力、荷载-应变曲线、荷载-位移曲线和荷载-挠度曲线进行了细致分析,结果表明:配螺旋箍筋芯柱的钢筋再生混凝土柱的轴心受压承载力明显低于相同截面尺寸及配筋情况的钢管钢骨再生混凝土柱,说明螺旋箍筋对混凝土的约束作用低于钢管;外围混凝土破坏后,核心区螺旋箍筋芯柱混凝土仍可继续工作,破坏后的混凝土柱仍具有一定的承载能力,在柱核心区配置螺旋箍筋钢筋笼,可提高柱的抗震防倒塌能力;核心区配置螺旋箍筋芯柱可大幅提高柱的偏心受压承载力.     

GFRP玻璃纤维增强聚合物筋材技术现状和发展趋势

GFRP玻璃纤维增强聚合物筋材按增强纤维种类分为碳纤维筋材(CFB)、玻璃纤维筋材(GFB)、芳纶纤维筋材(AFB)和玄武岩纤维筋材(BFB)。其既具有钢筋的高强特性,又具有耐腐蚀的特点,特别对潮湿、含氯离子的环境极不敏感,因此可以显著地提高混凝土材料的耐腐蚀性能,较好地解决混凝土材料在复杂环境中容易腐蚀导致结构失效的问题。目前国内外此项技术正迅猛发展,但是在我国要真正广泛应用到工程建设中,尚需要从设计和施工等方面进行研究和大力推广。     

基于OpenSees的空间桁架后屈曲材料本构模型

空间桁架结构在轴向压力作用下容易发生失稳,采用合理的钢材本构关系进行分析是准确追踪桁架屈曲后行为的有效方法.借助Open Sees软件平台,基于桁架非弹性后屈曲单轴材料本构模型,根据滞回准则,提出了该本构模型新的实现方式;将模型分解为受拉屈服前卸载、受拉屈服后卸载、受压屈服前卸载和受压屈服后卸载4种加卸载路径,基于材料基类编制了空间桁架弹性后屈曲、非弹性后屈曲本构模型,通过算例验证了这些本构模型的正确性,并为如何采用这些模型进行空间桁架结构分析提出了建议.     

酸碱腐蚀环境对BFRP筋力学性能的影响

针对不同酸碱腐蚀环境对玄武岩纤维增强复合材料(BFRP)筋的力学性能影响进行研究,分别在不同酸碱腐蚀作用下对BFRP筋进行抗拉、抗压试验以及抗剪试验测试,观察BFRP筋材在不同酸碱腐蚀环境下的外观形态变化和破坏模式,分析极限拉应变、抗压强度、抗剪强度、抗拉强度等基本力学性能参数随腐蚀损伤的变化规律。结果表明,BFRP筋的抗拉强度、抗压强度、抗剪强度以及极限拉应变在酸碱腐蚀溶液中均有所下降,酸碱腐蚀对BFRP筋的力学性能均有影响,且碱性溶液对筋材力学性能影响高于酸性溶液。     

高强钢筋高强混凝土预应力梁抗弯性能试验研究

通过对12根高强钢筋高强混凝土预应力梁的抗弯试验,观测试验梁的破坏现象和失效过程,研究混凝土强度等级、非预应力高强钢筋配筋率、预应力钢筋配筋率等因素对其抗弯性能的影响规律.试验结果表明,高强钢筋高强混凝土预应力适筋梁破坏过程包括开裂前阶段、带裂缝工作阶段和钢筋屈服后直至失效3个阶段,各阶段破坏模式与普通钢筋混凝土梁受弯破坏相似,均为延性破坏.混凝土强度等级以影响钢筋屈服后的抗弯性能为主,高强度等级混凝土试验梁的后期承载力下降较小.非预应力筋配筋率显著影响试验梁开裂后的抗弯性能,即相同变形时,配筋率越高承载力越高.相同张拉控制应力条件下,预应力筋配筋率越高开裂弯矩越大;相同弯矩作用下,预应力配筋率越高变形越小,其极限承载力也越高.     

部分外包混凝土加固后H型钢柱的轴压性能试验

对普通H型钢框架柱进行部分外包混凝土加固后,形成型钢部分外包混凝土组合柱(PEC柱).通过对2种截面型钢的6根PEC柱试件进行单向轴压试验,分析了3种不同的构造形式下PEC柱的荷载-位移曲线、承载能力、刚度、延性、破坏模式等力学性质.结果表明:PEC组合柱具有较高承载能力和刚度;与另外2种构造形式相比,设置了拉结筋的试件具有更高的承载能力和刚度,可以更好地约束混凝土与型钢的相对滑移,并有效地约束了H型钢翼缘的屈曲,提高了混凝土承载力的贡献效果;在框架柱中设置了拉结筋后,由于在加载过程中柱子的屈服位移增大,极限位移减小,所以其延性有所降低.     

配筋混凝土轴拉试验方法及装置研究

基于钢衬钢筋混凝土压力管道的受力特性,提出对配筋混凝土进行轴拉试验研究;对试验研究方法和装置进行了设计。分别从试件设计、试验装置、原材料处理、数据的采集与处理这几个方面做了研究与探讨。在配筋混凝土轴拉试验的基础上,提出通过分离钢筋和混凝土所承担的荷载,从而得到得到适用于钢衬钢筋混凝土压力管道外包混凝土的拉伸应力-应变全曲线。     

基于拉拔试验的GFRP筋与砂浆粘结性能研究

为了获得玻璃纤维筋与砂浆间的合理粘结性能参数,本文采用室内拉拔试验和数值模拟反演分析相结合的手段开展了相关研究.通过开展不同筋材直径与不同砂浆强度下的筋材拉拔试验,得到了不同工况下的粘结强度-滑移量曲线,探明了筋材直径与砂浆强度对GFRP筋粘结强度的影响规律.基于室内拉拔试验结果,采用有限差分软件FLAC~(3D)模拟再现了GFRP筋拉拔试验,对软件中的粘结性能参数进行了反演分析,修正得到了GFRP筋灌浆体刚度和黏聚强度的计算公式.研究结果表明:GFRP筋与砂浆间的粘结强度与筋材直径成负相关,与砂浆强度成正相关;在缺乏筋材拉拔试验数据时,纤维筋锚杆极限粘结强度宜取灌浆体抗压强度的五分之一,以求得灌浆体黏聚强度;纤维筋锚杆灌浆体刚度可采用普通钢筋锚杆灌浆体刚度计算公式获取,但应乘以位于(1/10, 1/15]区间内的折减系数.     

硅酸钙板-纤维增强泡沫混凝土复合墙板的受压性能

以硅酸钙板为面板、纤维增强泡沫混凝土为芯材制备了泡沫混凝土复合墙板,研究了聚丙烯纤维掺量和泡沫混凝土容重对复合墙板受压性能的影响;并通过对受压应力应变曲线回归分析,获得了应力应变曲线方程.结果表明:随芯材中纤维掺量的增大(0~2 kg/m~3),复合墙板受压破坏时芯材的裂缝减少,抗压强度提升了76.08%,受压韧性指数提高了30.03%;随芯材容重的增大(400~600 kg/m~3),复合墙板受压破坏时逐渐从单一破坏转变为整体破坏,抗压强度大幅提高,受压韧性指数增幅较小;复合墙板受压应力应变曲线可分为弹性应变、应力硬化、应变软化和破坏4个阶段,峰值应变随纤维掺量的增加而增加,芯材容重对峰值应变的影响较小;复合墙板在受压条件下会出现界面裂缝和分层现象.     

玄武岩格栅增强ECC复合材料反复荷载作用下本构关系模型

为了研究玄武岩格栅增强水泥基复合材料(ECC)反复荷载作用下的力学性能,考虑玄武岩纤维复材(BFRP)格栅层数和加卸载循环方式,对玄武岩格栅增强ECC薄板试件进行了单轴反复拉伸试验。试验结果表明:玄武岩格栅与ECC复合,充分发挥了玄武岩格栅的材料性能,进一步提高了基体ECC的延性。随着玄武岩格栅层数的增加,玄武岩格栅增强ECC的极限抗拉强度显著增大。依据试验结果建立了反复荷载下玄武岩格栅增强ECC的本构关系模型。计算结果表明:该模型可以有效地预测反复荷载下玄武岩格栅增强ECC的应力-应变关系、极限抗拉强度、极限拉伸应变和残余塑性应变。     

CFRP中等约束钢筋混凝土方柱反复受压本构模型

为填补FRP约束混凝土滞回本构模型的空白,对边长305mm,高915mm及边长204mm,高612mm两种尺寸的CFRP约束钢筋混凝土方柱,采用500t四棱柱压力试验机进行了单调及反复轴压试验.试验结果表明,大尺寸CFRP约束钢筋混凝土方柱的应力-应变关系曲线存在软化段,CFRP的约束作用为中等约束,且尺寸效应对CFRP的有效约束作用有明显影响;箍筋对单调受压应力-应变曲线形状、极限压应变、反复受压卸载曲线和残余应变影响均较大.基于试验结果提出了考虑钢筋、尺寸效应及CFRP包裹层数等影响参数的CFRP中等约束混凝土方柱的反复受压本构模型.模型由描述包络线的单调受压本构模型、曲线形式的卸载曲线及直线形式的再加载曲线3部分组成,模型预测结果与试验结果吻合较好.     

不同种类FRP加固混凝土梁加固效果试验研究

选取6根不同种类的纤维布(FRP)加固的钢筋混凝土试验梁进行研究,分析对比了用玄武岩纤维布(BFRP)、碳纤维布(CFRP)和玻璃纤维布(GFRP)加固的钢筋混凝土梁的不同加固效果,讨论了初始预损伤及不同U形箍筋的布置方式对纤维布加固效果的影响;通过试验梁的开裂荷载、屈服荷载、极限荷载、跨中挠度及纤维布应变等参数,对粘贴纤维布加固钢筋混凝土梁的受弯性能及破坏特征进行了分析.对比研究结果表明碳纤维布加固梁的承载力和延性提高最大,玄武岩纤维布用于加固的性价比最优,初始预损伤对加固效果影响不大,而沿全梁横向布置U形锚固形式并不能有效发挥纤维布的抗拉性能.     

FRP筋纤维混凝土受弯构件试验研究

现有采用FRP的受弯构件中, FRP作为主要纵向受拉材料,用量通常较大。这造成FRP筋混凝土构件成本较高,同时还因构件刚度不够导致其变形而非承载力成为设计的控制因素。为了充分发挥FRP材料良好的抗拉性能,建立了FRP筋纤维混凝土受弯构件。通过结构试验的方法研究纤维混凝土对FRP筋混凝土受弯构件延性及变形能力的影响。试验结果表明,纤维的增加能够有效提高FRP筋受弯构件的变形能力,解决了过去FRP筋受弯构件延性差导致配筋率过高的问题。基于FRP筋与钢筋材料上的差异,针对FRP筋混凝土构件建立了相应的延性设计指标。采用该指标对纤维混凝土构件进行分析后发现,随着纤维含量的增加, FRP筋混凝土受弯构件的延性有着明显提高。