计及跨中界面破坏的碳纤维板加固砼梁四点弯曲破坏分析

借鉴复合材料力学，建立一种计及跨中界面破坏的分层剪滞模型，并结合能量破坏准则，研究了含裂缝的碳纤维板加固素砼梁和钢筋砼梁在四点弯曲荷载作用下的应力重新分布和极限承载力，首次定量获得了碳纤维板与砼梁之间的界面破坏区长度和极限承载力与界面剪切强度的关系．结果表明：界面破坏区长度随界面剪切强度和碳纤维粘贴层数的增加而减小；极限承载力随碳纤维粘贴层数的增加而增加，随界面剪切强度的增加是先增大后减小；适宜的界面黏结，极限承载力最高．     

预制板式无砟轨道界面脱层失效的数值模拟

将温度荷载简化为轨道板内的剪切荷载,分析了无砟轨道结构的层间界面破坏形式与粘结机理;基于黏聚力本构模型与水泥乳化沥青砂浆界面粘结力实验结果,建立预制板式无砟轨道结构界面有限元模型,研究剪切荷载作用下无砟轨道界面应力、界面粘结承载力、界面相对位移以及界面裂缝的演化规律.结果表明:界面剪应力与正应力纵向分布不均匀,在轨道板端部最大,且界面正应力使轨道板在端部竖向受拉;剪切荷载作用下,界面剪应力超过最大粘结强度,造成界面逐段破坏,界面最大粘结承载力为264.8 k N;轨道板相对于砂浆充填层的纵向位移随剪切荷载的增大而持续增大,最终界面出现纵向裂缝,而其竖向张开位移在界面纵向裂缝出现后反而逐渐闭合,界面发生剪切破坏导致无砟轨道结构脱层失效.     

CFRP-混凝土黏结界面的剪切滑移性能

碳纤维增强复合材料(CFRP)广泛用于结构构件的加固和修复。为了进一步了解CFRP加固混凝土结构的力学特性,本文针对CFRP-混凝土黏结界面的剪切滑移性能,开展准静态拉伸-剪切试验研究,得到界面剪应力-位移曲线和CFRP应变分布以及CFRP-混凝土界面的剪切破坏形态;揭示了CFRP-混凝土界面剪切滑移破坏机理;建立了CFRP-混凝土界面精细化有限元分析模型。分析结果表明:在界面剪力作用下,加固试件会发生界面混凝土脆性剪切破坏,CFRP和环氧树脂黏结层则无明显损伤,界面剪切强度由混凝土抗剪强度控制;监测CFRP初始应变分布无法预测破坏面;即使设置非黏结区,混凝土试件端部仍然被拉下三角形块体,其大小受有效黏结区影响;在黏结区与非黏结区交界处,CFRP的应变随荷载呈线性增大;有效黏结长度为粘贴长度的51%;建立的数值计算模型也得到了试验结果的验证。     

基于层间接触的空心板梁及桥面铺装在双轴移动荷载下的力学响应分析

目的研究考虑铺装层间接触的桥面铺装及空心板梁在双轴移动荷载下的受力状态,以解决混凝土桥梁在桥面铺装设计时对铺装层之间的关系状态考虑不全面的问题.方法采用ABAQUS有限元软件建立含有沥青铺装层、粘结层、混凝土调平层、空心板及铰缝的数值模型,利用子程序模拟行车移动载荷,设置库仑接触摩擦建立层间接触,考虑不同荷位、层间摩擦系数对空心板梁及桥面铺装的影响.结果铺装层间最大水平接触力出现在梁端区域;铰缝与空心板的挠度相差10%,应力在轮载附近处变化较大;沥青铺装与粘结层间接触摩擦应力为0.209 3 MPa,大于混凝土铺装与粘结层间接触摩擦应力0.156 MPa;连续模型与接触模型的应力最大差值达4.5倍.结论不同结构层间界面薄弱,易发生剪切破坏;为防止板与铰缝间发生剪切破坏,可加强轮载附近处板与铰缝的连接;采用不同措施处理各层之间的粘结,可使经济效益最大化;将铺装层视为连续体考虑不周,层间接触假定更符合实际情况.     

树脂基碳纤维智能层电测混凝土表面裂缝宽度

针对国内现行建筑和路桥规范对混凝土结构表面裂缝宽度的控制要求,根据碳纤维智能层的力电传感特性,采用单调三点弯拉静力加载制度,以试件梁的挠度进行加载控制,对带有预制裂缝的混凝土梁试件表面裂缝宽度变化进行检测试验.研究结果表明:树脂基碳纤维智能层传感器可感知混凝土粱裂缝宽度的变化;随着荷载的增大,裂缝宽度增大,碳纤维智能层的电阻也发生相应变化,而在混凝土裂缝宽度0～1.0 mm时,碳纤维智能层的电阻随裂缝宽度的增大呈线性增大趋势;树脂基碳纤维智能层对裂缝宽度变化的敏感性存在差异,但是,混凝土表面裂缝宽度在0～0.5 mm之间变化时,碳纤维智能层的电阻在2～4Ω之间变化,其离散性不大,且线性关系好,可满足国内现行规范允许混凝土表面无害裂缝宽度0～0.3 mm的检测要求.     

碳纤维混凝土单丝拔出实验的扫描电镜观察

结合碳纤维混凝土单丝拔出实验应用扫描电镜观测了碳纤维与混凝土基体界面处的不同破坏形式。结果表明：在单丝拉拔过程中,随着界面应变的增大,试样出现纤维拔出、纤维断裂和界面脱粘的情况。这为碳纤维混凝土界面破坏的数值模拟分析提供了依据,对碳纤维混凝土界面粘接性能有了深入理解。     

混杂纤维发热格栅增强砂浆/混凝土板力学性能

为了解决混杂纤维发热格栅碳纤维保护不足、固化后不易盘卷等问题,提出了一种碳纤维发热芯与玄武岩纤维格栅协同变形一致、绝缘效应良好的混杂纤维发热格栅。通过改变基体材料、埋入深度和碳混杂率,研究混杂格栅在不同基体内的黏结性能,分析了混杂纤维发热格栅增强砂浆/混凝土板的弯曲性能和电阻性能,相应的格栅截面配筋率分别为0.2%和0.1%。结果表明：格栅-混凝土基体界面黏结性能优于与格栅-砂浆基体界面黏结性能。界面黏结性能随着碳混杂率的增大而提升,而黏结应力随着埋入深度的增大而降低。加入格栅可大幅提升素基体板的极限承载力、极限挠度和延性。100%碳混杂率格栅增强砂浆板的极限承载力和极限挠度分别提升141.8%和90倍,而100%碳混杂率格栅增强混凝土板分别提升108.5%和23倍。砂浆增强板破坏时,碳纤维发热芯未破坏,电阻变化率保持在3.32%以内;混凝土增强板破坏时,大部分100%碳混杂率格栅碳纤维发热芯未破坏,电阻变化率保持在1.08%以内。在施加20 000次往复荷载作用后,50%极限荷载水平对应的混凝土增强板跨中位移和电阻变化率趋于稳定。     

混凝土桥桥面铺装层间结构剪切行为

针对混凝土桥桥面铺装层间结构病害多发问题,将理论计算与室内试验相结合,找出层间结构最不利剪切位置,根据最不利剪切位置节点受到的层间剪应力与压应力所呈现的特殊线性关系,给出铺装结构层间剪切评价指标,同时进行层间剪切状态关键影响因素敏感性分析,并与存在垂直压力条件的组合结构层间抗剪强度回归方程建立联系,进行桥面铺装层间结构剪切行为分析。研究结果表明:双矩形均布荷载作用下,层间结构最不利剪切位置是荷载作用区域沿行车方向的前端边界线;层间结构剪切状态会随荷载水平力系数的增加而迅速恶化,对于层间结构一,水平力系数0.5时的拟合方程斜率为0.693,较水平力系数为0时的拟合方程斜率0.342增加了103%,增幅十分显著;不考虑材料本身剪切破坏情况下,增加层间结构上部沥青层厚度可在一定程度上改善其剪切状态;接地压强大于1.2MPa的车辆紧急刹车时,采用乳化沥青黏层的层间结构一有可能发生一次性剪切破坏;采用抛丸界面的层间结构二不会出现由于车辆超载而导致的一次性剪切破坏,而对于采用原状界面的层间结构二,接地压强为0.85MPa时车辆紧急刹车即可使其处于临界破坏状态。对于重载交通下的桥面铺装,建议层间结构采用SBS改性沥青黏层和抛丸调平层表面处治措施。     

剪切荷载下板式无砟轨道界面黏结破坏机理

为了获得剪切荷载作用下板式无砟轨道界面黏结破坏过程特征,构建了无砟轨道界面三维有限元模型,采用界面单元模拟了轨道板与砂浆层间界面非线性黏结力-位移关系,分析了多种剪切荷载模式下界面应力、界面黏结承载力、界面破坏区域分布的变化规律.研究结果表明:轨道板与砂浆层界面剪应力纵向分布在轨道板板端加载位置处最大,并逐渐向内衰减;随着荷载的增大,板端处界面剪应力最先超过界面黏结力强度,界面裂缝在该处萌生,并逐步向轨道板内部扩展;双侧加载时界面黏结承载力为264.9kN,大于单侧加载时的209.8kN,但单侧加载时界面裂缝扩展范围更大,使得其承载力能在一定的位移范围内稳定在一定值;随着荷载的增大,界面分段逐步丧失黏结力.     

层间混杂复合材料层间界面破坏对应力集中的影响

根据剪滞理论，研究了低延伸层已发生破坏（首次破坏）及出现层间界面破坏时的单向层间混杂叠层复合材料的应力重分布问题，首次获得了高延伸各单层的应力集中因子、脱层长度与层间界面剪切强度的关系，所求得的理论脱层长度得到了实验的证实。     

FRP片材在土木工程中应用的几个关键力学问题

纤维增强复合材料（FRP）由于其优异的力学性能和施工的便捷性而备受国内外土木界的关注，本文结合本课题组的前期工作和国内外的研究现状，对FRP片材（纤维布和纤维薄板）在土木工程中应用的几个关键力学问题－FRP片材增强构件的抗弯强度，抗剪强度，疲劳强度，以及FRP片材与混凝土的界面强度等进行综合和讨论，并试图指出今后有关FRP片材增强钢筋混凝土构件力学性能的研究方向。     

预应力FRP加固RC梁受弯剥离承载力分析

摘　要: 受弯剥离破坏是预应力纤维加固复合材料（FRP）片材加固受弯钢筋混凝土（RC）构件的主要破坏模式。本文以预应力FRP片材加固RC梁为研究对象,理论推导结合试验验证,分析该类构件由中部弯曲裂缝引起界面剥离的承载力。基于FRP-混凝土界面粘结滑移的双线性模型,推导弯曲裂缝间界面的粘结剪应力,提出了预应力FRP片材加固RC梁由弯曲裂缝引起界面开始剥离以及发生剥离破坏的预测模型。试验结果表明：FRP的预应力越大,加固梁的剥离承载力越高;无论是预应力还是非预应力FRP加固梁,利用本文的剥离预测模型均可得到较好的结果。     

纤维薄板与混凝土界面应力场数值分析

对碳纤维薄板增强混凝土三点弯曲缺口试件中薄板与混凝土的界面的应力场进行有限元数值分析,并对界面与缺口端部应力场的关系,以及界面的剥离长度对应力场的影响进行了讨论。分析结果表明,纤维薄板与混凝土的界面存在应力集中现象,当纤维薄板与混凝土结完好时,构件的强度由界面所控制,当界面发生局部剥离破坏时,剥离长度将是影响构件强度的重要因素。     

BFRP与混凝土有效粘结长度的试验

通过27个混凝土与玄武岩纤维增强复合材料(BFRP)的粘结试件的单剪试验,考察树脂种类、混凝土强度、粘结长度等因素对粘结性能的影响.通过描述粘结界面破坏形态,测量BFRP与混凝土界面的应变分布规律,分析界面粘结应力的分布规律.结果表明,当混凝土强度在C20～C40的强度等级范围内,随着混凝土强度等级的提高,有效粘结长度稍微有所减少,可以确定为80 mm.     

堆石坝面防渗膜-垫层料界面力学特性试验研究

堆石坝面防渗土工膜与垫层料界面的力学特性关系到防渗体的抗滑稳定性以及整个大坝的安全性.采用土工合成材料界面直剪拉拔仪分别对复合膜和HDPE纯膜与无砂混凝土及聚合物透水混凝土两种垫层料、加糙PVC膜与表面复合细骨料聚合物透水混凝土的界面力学特性进行了试验研究.试验结果表明：HDPE纯膜与两种垫层界面的剪应力-剪位移关系具有不同程度的应变软化特征,界面峰值强度高于残余强度;而复合膜与两种垫层界面的剪应力-剪切位移关系无明显软化现象;复合土工膜与两种垫层界面抗剪强度高于纯膜与两种垫层界面的抗剪强度;聚合物透水混凝土和无砂混凝土与复合膜界面抗剪强度差别不大,聚合物透水混凝土界面抗剪强度略低;糙面PVC膜与表面为细骨料聚合物透水混凝土的咬合力较大.     

混杂纤维对高性能混凝土高温性能的影响

针对高性能混凝土的防火、抗爆裂性能低的特点，采用低熔点（聚丙烯纤维）及高熔点纤维（钢纤维）混杂的方法，对高性能混凝土高温性能（抗折强度、抗压强度及劈裂抗拉强度，抗爆裂性能）进行改善．研究表明，800℃时，混杂纤维混凝土的抗折强度剩余率约15％，明显高于基准混凝土的抗折强度剩余率（约6％）；抗压强度剩余率约15％，与基准混凝土的强度剩余率相当（约15％）；劈裂抗拉强度剩余率约20％，明显高于基准混凝土的抗折强度剩余率（约10％）．另外混杂纤维明显提高了混凝土的抗爆裂性能，同时分析了混杂纤维改善高性能混凝土高温性能的作用机理．     

界面强度对纤维增强复合材料宏观韧性的影响

 研究不同的界面强度对纤维增强复合材料宏观韧性的影响。考虑材料的细观非均匀分布,采用数值试验的方法模拟了带缺口的纤维增强复合材料试件在单轴拉伸情况下的损伤破裂过程。结果表明,在满足界面应力传递所需强度的前提下,界面强度对复合材料宏观韧性影响很大,复合材料的宏观韧性随界面强度的提高而降低。且在较弱界面纤维增强复合材料破坏时,可以观察到界面脱粘、裂纹偏折、纤维桥联和拔出等现象。     

真空辅助成型工艺下纤维增强复合材料与混凝土界面的粘结滑移试验研究

纤维增强复合材料(FRP)与混凝土界面的粘结滑移关系是FRP用于加固钢筋混凝土受力分析的基础。采用真空辅助成型技术(VARI)制作的FRP板条,并外贴于混凝土试块表面,设计了8个单搭接头剪切试验,比较FRP-混凝土界面的粘结性能。考察了混凝土强度、粘结长度、板厚和粘结胶层厚度对VARI工艺下FRP与混凝土界面之间粘结性能的影响。分析基于VARI工艺制作的FRP应变和各个控制因素下局部剪应力的发展规律。计算得到了FRP-混凝土界面的局部粘结剪应力-滑移关系曲线。     

纤维增强混凝土局部抗压性能试验

基于斜向预应力混凝土道面锚固区应力复杂、混凝土抗裂性能差的特点,开展了纤维混凝土试件局部抗压性能试验,得到了纤维混凝土试件在局部荷载作用下的典型破坏模式,分析了支撑状态、纤维掺量对开裂强度和极限抗压强度的影响,揭示了纤维混凝土在局部受压条件下的破坏机理,并基于拉-压杆模型得到了带孔纤维增强混凝土局部受压承载力提高系数.结果表明试件支撑状态和纤维掺量均显著影响局部抗压承载力和破坏模式;对于相同的支撑状态,随着纤维掺量的增大,试件局部抗压能力逐渐增大;对于相同的纤维掺量,底部完全支撑时试件局部抗压承载力显著高于底部部分支撑状态下的承载力;局部受压面积比、预留孔道尺寸显著影响纤维混凝土试件的局部承载力提高系数.     

基于分形理论研究RTSF混凝土冲击压缩性能

为了研究回收轮胎钢纤维(RTSF)混凝土的冲击压缩性能,利用分离式霍普金森压杆对普通混凝土(F0)、工业钢纤维(ISF)混凝土和RTSF混凝土进行冲击压缩试验,统计冲击破坏后的碎块数量并计算分形维数.结果表明:RTSF混凝土冲击破坏形态分为三种类型,即周边张应变破坏、留芯破坏和整体破坏;应变率在55~125s^-1左右时,不同掺量RTSF混凝土的分形维数范围为1.33~2.25;分形维数随RTSF掺量增加出现先减小后增大的趋势,RTSF 0.75混凝土分形维数最小;不同掺量的RTSF混凝土的分形维数随应变率增加而增大;不同应变率下RTSF混凝土的动态抗压强度及断裂能均随分形维数的增加而增大;ISF 1.00的分形维数、动态抗压强度和断裂能均介于RTSF0.75和RTSF1.00之间,RTSF 0.75比ISF 1.00(纤维长度为35mm,长径比为65)能更有效提高混凝土的冲击压缩性能.