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玄武岩/聚丙烯腈混杂纤维混凝土力学性能及最优纤维掺量研究

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铁道科学与工程学报 2020年第10期17卷 2549-2557页

作者：曾振海李传习柯璐聂洁长沙理工大学土木工程学院湖南长沙410114

为得到力学性能较优的混杂纤维混凝土设计方法,研究纤维混杂效应及纤维最佳掺配量。选用玄武岩纤维(B纤维)和聚丙烯腈纤维(P纤维),通过对不同纤维体积掺量的混凝土试件进行抗压、劈裂抗拉和弯曲韧性等力学性能试验,得到各纤维掺量下混... 详细信息

为得到力学性能较优的混杂纤维混凝土设计方法,研究纤维混杂效应及纤维最佳掺配量。选用玄武岩纤维(B纤维)和聚丙烯腈纤维(P纤维),通过对不同纤维体积掺量的混凝土试件进行抗压、劈裂抗拉和弯曲韧性等力学性能试验,得到各纤维掺量下混凝土的抗压强度、抗压弹性模量、抗拉强度、抗弯承载力和弯曲应力−应变曲线,并据此计算纤维混杂效应系数和韧度比。研究结果表明:纤维的掺入对混凝土抗压弹性模量影响很小,对抗拉、抗弯强度和韧度比有明显提升,但抗压强度略有下降。混杂纤维混凝土的抗压、抗拉、抗弯强度和韧度比等力学性能总体上优于单一纤维混凝土。纤维混杂效应系数分析表明,2种纤维间具有良好的混杂效应。当B纤维和P纤维体积掺量分别为0.15%和0.11%时,纤维混凝土力学性能综合最优。同时,该掺配量下的混凝土早龄期(3 d和7 d)的力学性能亦优于素混凝土。

关键词：混杂纤维混凝土混杂效应力学性能应力−应变曲线纤维掺量

自黏结预应力CFRP修复含缺陷钢板的疲劳性能

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中国公路学报 2024年第4期37卷 224-238页

作者：陈卓异刘雁王升旗严子卓彭晖长沙理工大学桥梁工程安全控制教育部重点实验室湖南长沙410114

为研究预应力CFRP加固含中心缺陷和双边缘缺陷钢板的疲劳性能,基于团队自主研发的自黏结型预应力CFRP施加装置,开展了2种缺陷类型和3种缺陷长度下预应力CFRP单面加固含缺陷钢板在拉伸循环荷载下的疲劳试验,分析了试件的两阶段预应力,讨... 详细信息

为研究预应力CFRP加固含中心缺陷和双边缘缺陷钢板的疲劳性能,基于团队自主研发的自黏结型预应力CFRP施加装置,开展了2种缺陷类型和3种缺陷长度下预应力CFRP单面加固含缺陷钢板在拉伸循环荷载下的疲劳试验,分析了试件的两阶段预应力,讨论了有限黏结长度下试件的破坏模式、疲劳寿命以及荷载循环次数-钢板表面应变分布规律。利用ABAQUS建立有限元模型,通过计算结果分析了不同疲劳裂纹长度下钢板、CFRP和胶层的应力分布,讨论了胶层刚度的退化规律,探讨了CFRP和预应力对裂纹尖端应力强度因子幅ΔK的影响,并基于裂纹闭合效应的Paris模型预测了缺陷钢板的疲劳寿命。结果表明:有限黏结长度下,自黏结预应力CFRP加固钢板具有更长的光滑断裂面,更长的疲劳裂纹稳定扩展区域,可以较好增加钢板的临界裂纹长度;预应力可以提高CFRP的加固效果,使CFRP承担更多的荷载,改善钢板和胶层应力分布,降低缺陷区域应力集中程度,延缓胶层刚度退化时间;CFRP和预应力可以有效降低裂纹尖端应力强度因子幅ΔK,提高钢板疲劳寿命;基于有限元计算的ΔK和裂纹闭合效应的Paris公式,可以准确预测缺陷钢板的疲劳寿命,预测值与试验值误差小于10%。

关键词：桥梁工程预应力CFRP 有限元分析缺陷钢板疲劳性能应力强度因子

高温下双搭接钢-CFRP板胶粘界面力学性能试验

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复合材料学报 2021年第2期38卷 449-460页

作者：陈卓异彭彦泽李传习郭靖长沙理工大学桥梁工程安全控制教育部重点实验室长沙410114

高温环境下钢-碳纤维增强聚合物复合材料(CFRP)板的胶粘界面是CFRP粘贴加固钢结构的薄弱环节。为掌握温度对钢-CFRP板胶粘界面力学性能的影响,制作了双搭接接头试件,开展了3种胶粘剂在4种温度下(25℃、55℃、70℃和90℃)的静力拉伸试验... 详细信息

高温环境下钢-碳纤维增强聚合物复合材料(CFRP)板的胶粘界面是CFRP粘贴加固钢结构的薄弱环节。为掌握温度对钢-CFRP板胶粘界面力学性能的影响,制作了双搭接接头试件,开展了3种胶粘剂在4种温度下(25℃、55℃、70℃和90℃)的静力拉伸试验。探索了接头试件的破坏模式、荷载-位移关系、CFRP板表面应变分布、界面剪应力分布和粘结-滑移关系等。结果表明:当温度低于55℃时,试件的破坏模式与胶粘剂种类相关性更大,当温度高于70℃时,不同胶粘剂的破坏模式具有相似性,且均出现了CFRP板撕裂。温度对不同胶粘试件的承载力影响存在差异,HJY-4105高韧性环氧树脂结构胶粘剂(HJY胶)试件的承载力随温度的升高而增大,LICA-100A/B环氧树脂结构胶粘剂(LICA胶)试件的温度稳定性较差,Sikadur-30CN双组份环氧结构加固碳板胶(SIKA30胶)试件在55℃时承载力最高。随着温度升高,胶粘层的剪切强度、界面剪应力峰值和剪切刚度下降,胶粘剂的延性增加,峰值剪应力不影响试件的抗拉强度。温度对粘结-滑移关系的影响显著,HJY胶随着温度的升高,粘结-滑移本构的延性增加,破坏模式由脆性破坏变为延性破坏。研究表明:合理的耐高温胶应用于钢结构加固,能适应自然高温环境的不利影响。

关键词： CFRP加固加固钢结构界面力学胶黏层双搭接试件

配筋UHPC梁抗扭承载力可靠度分析及材料分项系数的确定

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土木工程学报 2022年第2期55卷 11-22页

作者：周佳乐李传习陈卓异冯峥方昌乐鄢亦斌长沙理工大学桥梁与建筑绿色建造和维护湖南省重点实验室湖南长沙410114 长沙理工大学桥梁工程安全控制教育部重点实验室湖南长沙410114

超高性能混凝土(Ultra-High Performance Concrete, UHPC)抗拉强度对抗扭承载力的贡献不可忽略,其构件抗扭承载力计算公式不同于常规混凝土。为检验该公式的可靠度水平,该文基于试验结果和公开文献中的相关数据,得到了UHPC抗拉强度及抗... 详细信息

超高性能混凝土(Ultra-High Performance Concrete, UHPC)抗拉强度对抗扭承载力的贡献不可忽略,其构件抗扭承载力计算公式不同于常规混凝土。为检验该公式的可靠度水平,该文基于试验结果和公开文献中的相关数据,得到了UHPC抗拉强度及抗扭承载力模型不定性统计参数。在综合考虑荷载组合、箍筋配筋率、UHPC抗拉强度和钢筋强度等关键参数的基础上,运用Monte Carlo方法对3240种组合下UHPC梁抗扭承载力状态进行了可靠度分析,考查了各关键参数对可靠指标的影响并进行了敏感性分析。结果表明:按现行UHPC规范计算配筋UHPC梁抗扭承载力,其可靠度水平满足要求且可靠指标远高于目标指标;UHPC抗拉强度等级越高且材料分项系数取值越大,配筋率对可靠指标的影响越显著;其抗拉强度对可靠指标影响较显著,钢筋强度对可靠指标的影响可忽略。为充分利用UHPC抗拉强度,基于敏感性分析结果,结合目标可靠指标,校准了不同等级UHPC抗拉强度材料分项系数(强度等级UT05、UT07和UT10的材料分项系数分别为1.25、1.17和1.11)。最后,给出了不同等级抗拉强度建议设计值,可分别取3.45MPa、5.67MPa和9.01MPa。

关键词：配筋超高性能混凝土抗扭承载力可靠度分析敏感性分析抗拉材料分项系数

正交异性钢桥面板弧形切口及其CFRP补强的疲劳性能

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中国公路学报 2021年第5期34卷 63-75页

作者：李传习柯璐陈卓异贺君郭立成焦阳长沙理工大学桥梁工程安全控制教育部重点实验室湖南长沙410114 佛山市路桥建设有限公司广东佛山528303 亚利桑那州立大学材料科学与工程系亚利桑那坦佩85287

横隔板弧形切口疲劳裂纹为正交异性钢桥面板的主要疲劳病害之一,为研究该细节的疲劳抗力与裂纹处治技术开展了正交异性钢桥面足尺模型疲劳试验,对横隔板光滑弧形切口、含人工缺陷弧形切口、以及CFRP单面加固含人工缺陷弧形切口的疲劳性... 详细信息

横隔板弧形切口疲劳裂纹为正交异性钢桥面板的主要疲劳病害之一,为研究该细节的疲劳抗力与裂纹处治技术开展了正交异性钢桥面足尺模型疲劳试验,对横隔板光滑弧形切口、含人工缺陷弧形切口、以及CFRP单面加固含人工缺陷弧形切口的疲劳性能进行了比较研究;结合有限元方法对横隔板光滑弧形切口疲劳评估方法进行了探讨。结果表明:打磨光滑的横隔板弧形切口在标准疲劳车作用下的疲劳寿命超过5 000万次,基本不存在疲劳问题。车轮荷载横隔板弧形切口处存在显著的压应力集中,热残余应力和轮载应力幅的组合效应构成了弧形切口疲劳开裂的外部驱动力。此外,初始几何缺陷是该细节疲劳开裂的重要影响因素。光滑弧形切口的疲劳评估,可采用距切口自由边6 mm处横隔板表面的主应力作为该细节名义应力,其疲劳抗力高于AASHTO规范的疲劳等级A(CAFL为165 MPa)。外贴CFRP补强可有效阻止含缺陷弧形切口处疲劳裂纹的发展。若以裂纹长度6.5 mm作为损伤容限,单面粘贴CFRP加固含缺陷横隔板弧形切口的疲劳寿命为未加固切口的14.5倍以上;若采用双面CFRP加固寿命将提高更多,提高幅度有待进一步研究。

关键词：桥梁工程疲劳性能足尺模型试验正交异性钢桥面板 CFRP 加固

配筋UHPC矩形梁抗扭承载性能试验与计算方法

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中国公路学报 2021年第8期34卷 118-131页

作者：李传习周佳乐柯璐方昌乐施宇潘仁胜长沙理工大学桥梁工程安全控制教育部重点实验室湖南长沙410114 长沙理工大学土木工程学院湖南长沙410114 广西大学土木建筑工程学院广西南宁530004

针对配筋超高性能混凝土(UHPC)构件的抗扭性能研究严重不足的状况,进行10个不同配筋率UHPC矩形梁的纯扭试验。研究参数主要包括钢纤维掺量、纵筋配筋率和箍筋配筋率。观察或测试试件的扭转破坏过程及形态,获得裂缝开展及分布情况、失效... 详细信息

针对配筋超高性能混凝土(UHPC)构件的抗扭性能研究严重不足的状况,进行10个不同配筋率UHPC矩形梁的纯扭试验。研究参数主要包括钢纤维掺量、纵筋配筋率和箍筋配筋率。观察或测试试件的扭转破坏过程及形态,获得裂缝开展及分布情况、失效模式、扭矩-扭率曲线、扭矩-UHPC应变曲线、扭矩-钢筋应变曲线、开裂扭矩及极限扭矩等数据,分析不同参数对其扭转性能的影响规律及其主要机理。研究结果表明:扭矩不大于无筋UHPC试件极限扭矩时,配筋构件抗扭刚度小于无筋构件;配筋及无筋试件的纯扭破坏均表现为多条主裂缝贯通,且裂缝呈空间螺旋状分布;无配筋试件形成少量斜裂缝,极限扭率较小,破坏过程迅速;配筋试件形成细且密的斜裂缝、极限扭率较大、延性更好;根据实测的极限扭矩扭率增幅情况,以及纵、箍筋屈服情况,受扭的UHPC配筋试件可分为少筋Ⅰ类构件(含无筋构件)、少筋Ⅱ类构件、适筋构件、部分超筋构件、超筋构件;钢纤维改善了UHPC抗拉特征,使得主裂缝开裂角度(裂缝与试件轴线的夹角)增加;钢纤维掺量由2.5%增加到3.5%,试件开裂扭矩和极限扭矩分别提高了23.2%和20.9%。在试验的基础上,根据扭转试件即将开裂时实测的拉压应力状态以及二维应力状态下的强度准则,得到UHPC构件开裂扭矩系数值;最后,根据试验结果得到了UHPC极限扭矩计算公式的截面抗扭系数。

关键词：桥梁工程纯扭性能试验研究配筋超高性能混凝土矩形梁开裂扭矩极限扭矩

考虑缺陷位置和CFRP粘贴方式的钢板疲劳性能

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中国公路学报 2022年第2期35卷 212-222页

作者：陈卓异曾剑波彭岚彭彦泽彭晖长沙理工大学桥梁工程安全控制教育部重点实验室湖南长沙410114

为了研究钢结构母材缺陷位置和CFRP板的胶粘加固方式对钢板疲劳性能的影响,制作12个疲劳试验构件,考虑2种缺陷位置和2类CFRP粘贴方式,采用MTS进行疲劳试验加载,每10万次进行静力加载和应变测试。同时,采用ABAQUS建立CFRP加固含缺陷钢板... 详细信息

为了研究钢结构母材缺陷位置和CFRP板的胶粘加固方式对钢板疲劳性能的影响,制作12个疲劳试验构件,考虑2种缺陷位置和2类CFRP粘贴方式,采用MTS进行疲劳试验加载,每10万次进行静力加载和应变测试。同时,采用ABAQUS建立CFRP加固含缺陷钢板模型,利用牵引分离定律考虑了CFRP加固钢板的黏结层,分析裂纹尖端的应力强度因子,在此基础上,对CFRP加固含缺陷钢板疲劳裂纹的扩展特性及疲劳寿命进行研究。理论和试验研究表明:单面加固钢板由于偏心荷载产生了附加弯矩,在未加固面的纵向应变幅波动较大;中心缺陷钢板的疲劳寿命均比边缘缺陷试件的疲劳寿命长,加固后中心缺陷试件的剩余疲劳寿命比加固后的边缘缺陷处的寿命长;中心缺陷的CFRP加固效果要优于边缘缺陷的加固效果;CFRP单面加固边缘裂纹提升疲劳寿命122%,双面加固提升疲劳寿命352%,双面加固效果显著好于单面加固效果;基于LEFM的有限元分析表明,计算和试验结果吻合较为良好,随着裂纹长度的增加,CFRP加固对钢板应力强度因子幅值减少更显著。

关键词：桥梁工程钢结构疲劳 CFRP加固疲劳寿命钢板缺陷粘贴方式应力强度因子

波形钢腹板组合槽型梁静载试验与有效预应力分析

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土木工程学报 2018年第8期51卷 60-70页

作者：陈卓异黄侨李传习杨明贺君长沙理工大学省部共建桥梁工程安全控制教育部重点实验室湖南长沙410114 东南大学江苏南京210096

波形钢腹板组合槽型梁是一种新型下承式开口薄壁桥梁结构,对4片按照1/4相似比进行设计的试验梁进行两点对称加载和有限元分析,研究两组试验梁在对称荷载作用下的荷载位移关系、截面应变分布、裂缝发展规律和破坏形态等,分析张拉预应力... 详细信息

波形钢腹板组合槽型梁是一种新型下承式开口薄壁桥梁结构,对4片按照1/4相似比进行设计的试验梁进行两点对称加载和有限元分析,研究两组试验梁在对称荷载作用下的荷载位移关系、截面应变分布、裂缝发展规律和破坏形态等,分析张拉预应力和释放预弯力后试验梁底板混凝土的有效预压应力。研究表明:竖向荷载作用下试验梁符合平截面变形规律,应忽略波形钢腹板对抗弯刚度的贡献和底板混凝土对抗弯承载力的抵抗作用;试验梁混凝土受压区受限于上翼缘板,其应变分布为梯形而非常规的三角形分布;下承式槽型截面的中性轴偏低,波形钢腹板预弯钢梁反弹能够有效地对混凝土施加预压应力;采用波形钢腹板能有效提高槽型梁的预应力施加效率,文中建议的波形钢腹板组合梁预应力等效荷载法,能准确计算此类结构的混凝土有效预压应力;两组试验梁由于配筋量的不同分别发生塑性和脆性弯曲破坏;波形钢腹板组合槽型梁的自重轻、抗弯刚度较大、具有较好的延性和抗裂性能。

关键词：槽型梁波形钢腹板预弯梁模型试验有效预应力

CFRP全覆盖胶粘加固含中心裂纹钢板的静力性能

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复合材料学报 2022年第5期39卷 2329-2339页

作者：陈卓异彭岚李传习彭彦泽长沙理工大学桥梁工程安全控制教育部重点实验室长沙410114

碳纤维增强树脂复合材料(CFRP)加固钢板时,往往只将CFRP粘贴于钢板的局部,容易遭受由于试件偏心和搭接边缘应力集中所产生的剥离应力的影响,而粘贴方式采用全覆盖时能大幅度减小剥离应力。开展了30个CFRP全覆盖胶粘加固带缺陷钢板的轴... 详细信息

碳纤维增强树脂复合材料(CFRP)加固钢板时,往往只将CFRP粘贴于钢板的局部,容易遭受由于试件偏心和搭接边缘应力集中所产生的剥离应力的影响,而粘贴方式采用全覆盖时能大幅度减小剥离应力。开展了30个CFRP全覆盖胶粘加固带缺陷钢板的轴向拉伸试验,并设置了单向防剥离夹具,研究了胶粘剂类型、缺陷长度和碳纤维板厚度对加固效果及破坏模式的影响。结果表明:CFRP板加固效果显著,试件的抗拉强度明显提高;不同胶粘剂对试件的破坏模式影响较大,由HJY胶制作的试件主要为被粘物的破坏,而SIKA30胶及WSB胶均出现了胶粘剂/钢脱粘的现象;而随着缺陷长度的增加,破坏模式有明显的变化,由CFRP板破坏变为CFRP板、钢板破坏或胶粘剂/钢脱粘,而试件的抗拉强度受胶粘剂类型影响较小,受缺陷的大小影响较大,当缺陷增大时,试件的抗拉强度明显降低;基于内聚力模型对静力力学试验进行了数值模拟;通过有限元分析得知,胶粘剂的破坏是先由缺陷附近破坏,再扩展至两端;而增加CFRP板的厚度能显著提高试件的抗拉强度。

关键词：碳纤维增强树脂复合材料加固全覆盖数值模拟参数分析