2022年, 第35卷, 第2期　刊出日期：2022-02-20

  

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  中国公路学报. 2022, 35(2): 0-0.

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  封一/四

  中国公路学报. 2022, 35(2): 1-0.

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  纤维增强复合材料（FRP）及其在桥梁工程中的应用专刊导语

  中国公路学报. 2022, 35(2): 2-0.

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FRP用于新建桥梁
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  FRP-钢筋复合筋及其增强混凝土构件的等效刚度设计法（双语出版）

  欧进萍, 韩世文, 白石

  中国公路学报. 2022, 35(2): 1-11. https://doi.org/10.19721/j.cnki.1001-7372.2022.02.001

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  为了解决FRP筋弹性模量低、剪切强度低和延性差的问题,设计和制备了多种规格的FRP-钢筋复合筋,并通过拉伸和剪切试验研究了含钢率和直径对其拉伸性能和剪切性能的影响。然后根据FRP-钢筋复合筋的性能特点及其增强混凝土构件的性能要求,提出了此类构件与相同钢筋混凝土构件的配筋总刚度相等的等效刚度设计法,并试验对比和分析了等承载力与等效刚度2种不同等效设计法设计的FRP-钢筋复合筋增强混凝土梁的受弯性能。结果表明:与FRP筋相比,FRP-钢筋复合筋的弹性模量、延性和剪切性能都明显提高。FRP-钢筋复合筋的弹性模量可达到FRP筋弹性模量的3倍以上,这为等效刚度设计法的实现提供了良好基础。等效刚度设计的FRP-钢筋复合筋增强混凝土梁具有和钢筋混凝土梁接近的屈服前受力性能(挠度和最大裂缝宽度)和良好的延性,并且可使其极限承载力提高30%。即等效刚度设计的此类构件不仅可满足安全性和适用性要求,而且具有更大的承载力储备和更好的耐久性。由于等效刚度设计法可参考现有的钢筋混凝土结构设计规范进行设计,其有望为此类构件和结构设计与工程应用提供简便适用的计算分析和设计方法。
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  FRP-混凝土-钢双壁空心桥墩分析及设计方法研究

  陈光明, 陆奕辰, 谢攀, 滕锦光, 余涛, 向宇, 成彤, 李召兵, 胡福南, 刘伟楠

  中国公路学报. 2022, 35(2): 12-38. https://doi.org/10.19721/j.cnki.1001-7372.2022.02.002

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  纤维增强复合材料(FRP)是一种高强、轻质、耐腐蚀的高性能材料。FRP-混凝土-钢双壁空心组合构件是由香港理工大学滕锦光教授发明的一种新型组合构件,由外侧的FRP管、内侧的钢管及混凝土夹心层组成,具有建造方便(FRP管与钢管可作为浇筑混凝土的模板)、耐腐蚀性能优、抗震性能好等一系列优点。自2004年被提出以来,学术界已对该种新型构件进行了大量的试验和理论研究。目前,针对该种新型构件力学性能的研究已较为深入,所建立的相关设计理论已经写入中国国家标准(GB 50608-2020),但其在实际工程中的应用尚未见文献报道。结合FRP-混凝土-钢双壁空心桥墩在某实际桥梁工程中的应用,对FRP-混凝土-钢双壁空心桥墩的分析、设计原理及方法进行了探索。采用基于纤维截面模型的非线性分析方法,对其承载能力极限状态设计、正常使用极限状态设计进行了深入的探讨;并对节点构造措施、建造成本等方面进行了综合考量。在此基础上,对新型桥墩的设计原理与方法进行了总结,对亟待研究的问题进行了梳理,研究结果可为其后续推广应用提供重要的参考资料。
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  CFRP筋钢骨混凝土组合梁受弯性能

  蒋田勇, 王岳松, 肖敏, 王磊

  中国公路学报. 2022, 35(2): 39-51. https://doi.org/10.19721/j.cnki.1001-7372.2022.02.003

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  为研究CFRP (Carbon Fiber Reinforced Polymer/Plastic)筋钢骨混凝土组合梁的抗弯性能,试验设计了3片CFRP筋钢骨混凝土组合梁,其中对比参数包括不同弹性模量的受拉主筋和不同CFRP筋配筋率,通过静载试验得到了钢骨混凝土组合梁在应变、挠度、裂缝开展以及抗弯承载能力等方面随着荷载增加的变化规律。研究结果表明:随着荷载的增大,工字钢与混凝土之间的滑移也会增大,从而导致钢骨混凝土组合梁加载点截面应变沿梁高方向会出现不符合平截面假定的情况;提高受拉主筋的弹性模量可以提高主梁抗弯刚度、抗裂性能以及耗能能力;CFRP筋钢骨混凝土组合梁在工字钢下翼缘屈服之后的强度储备比相同抗弯承载力的普通钢筋钢骨组合梁要大,且耗能能力提高约1.36倍;当受拉主筋与混凝土接触面积相同时,增加组合梁的配筋率,可以延缓CFRP筋钢骨混凝土组合梁的裂缝开展,提高组合梁的整体抗弯性能和耗能能力。采用梁的纯弯曲计算理论推导了开裂弯矩公式,并结合试验结果引入开裂弯矩影响系数对计算公式进行了修正,其中普通钢骨混凝土组合梁的开裂弯矩影响系数取0.73,CFRP筋钢骨混凝土组合梁的开裂弯矩影响系数取0.43。结合试验,对比研究国内外规范中有关钢骨混凝土组合梁极限承载能力的计算结果,表明《钢骨混凝土结构技术规程》(YB 9082-2006)、《组合结构设计规范》(JGJ 138-2016)和美国规范《Guide for the Design and Construction of Concrete Reinforced with FRP Bars》(ACI-440-1R)的计算结果均比试验结果偏小;而《劲性钢筋混凝土结构设计指南》(CH 3-78)与《钢-混凝土组合梁设计原理》得到的计算值与试验值吻合相对较好。研究成果可为同类型钢骨混凝土组合梁的设计和规范编制提供参考。
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  CFRP配筋超高性能混凝土柱受压性能试验

  王启吾, 方志, 陈正

  中国公路学报. 2022, 35(2): 52-62. https://doi.org/10.19721/j.cnki.1001-7372.2022.02.004

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  为明确碳纤维增强复合材料CFRP (Carbon Fiber-reinforced Polymer)配筋超高性能混凝土UHPC (Ultra-high-performance Concrete)柱的受力性能,对不同偏心率(e₀/h₀=0,0.15,0.3和0.6)下4根CFRP配筋UHPC柱试件进行受压性能试验研究,获得偏心率对其受压性能的影响规律,并提出CFRP配筋UHPC柱偏心距增大系数及承载能力计算公式。结果表明:所试验CFRP配筋UHPC柱的破坏形态均为受压破坏,UHPC压碎后会伴随受压区CFRP筋的折断而表现出脆性破坏特征;随着偏心率的增大,柱的承载能力逐渐减小,侧向变形及构件延性逐渐增大。CFRP筋较低的弹性模量和UHPC较大的极限压应变,使得柱的偏心距增大系数因二阶效应更趋明显而增大;截面受拉区UHPC的抗拉作用亦相应降低;预测受压破坏CFRP配筋UHPC柱的承载能力时,当偏心率不大于0.3时,可忽略受拉区UHPC的贡献;当偏心率大于0.3时,宜考虑截面受拉区UHPC的抗拉作用以反映UHPC较高抗拉强度的有利作用,此时受拉区UHPC的等效应力折减系数k建议取0.2。试验结果验证了所提柱偏心距增大系数及承载能力计算公式的适用性。
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  随机-区间混合不确定性下FRP桁架桥多尺度可靠性分析

  周小燚, 王能威, 汪昕, 吴文清, 万水

  中国公路学报. 2022, 35(2): 63-75. https://doi.org/10.19721/j.cnki.1001-7372.2022.02.005

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  桁架结构是FRP材料在新建桥梁结构中应用的主要形式之一,然而由于缺乏设计规范、分析方法和数据信息等,FRP桥梁结构存在真实安全度模糊的问题。针对FRP桁架桥在细-宏观尺度参数均存在不确定性,且同时存在随机不确定性和由于概率信息缺乏而表达为非概率不确定性的问题,提出一种多尺度混合可靠性分析方法,该方法能够处理在概率和非概率不确定性并存的FRP结构中的可靠性分析问题。首先,综合运用多尺度方法及随机-区间混合可靠性分析方法等建立多尺度混合可靠度分析模型,并给出可靠度计算公式。其次,通过理论算例验证所提出算法的有效性和精确性。然后,方法应用于一座GFRP桁架桥,通过有限元分析和参数敏感性分析识别对宏观响应影响最显著的不确定性参数,根据显著参数概率信息的完整性,将其划分为区间变量和随机变量。进一步对桁架桥进行位移控制的可靠性分析和以应力控制的可靠性分析,结果表明细观尺度的材料力学性能对桥梁位移控制的可靠性影响较大,而对应力控制的可靠性影响不明显;对桥梁位移控制和应力控制的可靠性影响最大的参数分别为外荷载和抗拉/压强度。最后,比较了方法与其他3种区间变量的处理方法(不考虑区间变量、作为截断正态分布、作为均匀分布)的可靠性,表明不确定性处理的不合理将导致结构可靠性预测的不准确。
FRP构件性能
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  大吨位CFRP拉索锚固系统静力性能研究

  梅葵花, 李雪, 李宇, 邢丽丽, 孙胜江

  中国公路学报. 2022, 35(2): 76-87. https://doi.org/10.19721/j.cnki.1001-7372.2022.02.006

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  为研究大吨位CFRP拉索锚具的锚固性能及极限承载力,实现CFRP拉索的可靠锚固,设计了19根CFRP筋大吨位机械夹持-黏结型复合式锚具,对其进行了静载试验研究和理论分析。试验中对筋材滑移、筋材应变和钢套筒应变分布进行测试;利用ANSYS软件建立大吨位锚具有限元模型,对筋材滑移量、钢套筒环向和纵向应变进行分析,探明了锚固区筋材应力分布情况;对黏结介质破坏状态进行分析,发现了一种新的锚具破坏形式,并对锚具极限承载力进行了预测。研究结果表明:拉索锚固系统最终失效模式为拉索整体破断,大吨位锚具的锚固效率为0.97;试验测得CFRP筋自由端滑移量主要是锚具组装件之间的相对滑移,一定程度范围内增大预紧力可以减小滑移量;加载端附近钢套筒环向应变和纵向应变较小,表明复合式锚具能够有效避免加载端应力集中现象;有限元模拟结果显示复合式锚具锚固区各层筋材轴向应力分布均匀,锚具加载端径向应力较小,表明其能够可靠地锚固本批次CFRP拉索;大吨位拉索锚固系统的失效模式有3种,分别是CFRP筋材在自由段的破断、筋材发生黏结滑移失效和黏结介质"压剪破坏"而失效,其中第3种失效模式对应于锚具极限破坏状态,在锚固长度足够的前提下,决定了锚具的极限承载力;足够的锚固长度和适当的挤压力是充分发挥大吨位复合式锚具锚固性能的前提。
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  FRP拉索锚固体系优化及其静力性能评价

  周竞洋, 汪昕, 吴智深, 朱中国

  中国公路学报. 2022, 35(2): 88-97. https://doi.org/10.19721/j.cnki.1001-7372.2022.02.007

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  针对大吨位多筋FRP拉索锚固存在应力集中、锚固效率低等问题,提出了一种性能可设计的分段变刚度锚固方法,以同源变刚度为设计理念,开发了一种磨碎玻璃纤维改性树脂荷载传递介质。首先,以常用的石英砂改性树脂为对照组,对比分析了2种改性树脂在不同体积掺量下的压缩性能,并利用数值拟合方法揭示了磨碎玻璃纤维改性树脂的压缩强度和弹性模量与体积掺量之间的关系;其次,利用三维实体有限元模型对FRP拉索锚固体系进行了参数分析,并以加载端FRP拉索的应力降低为优化目标;最后,在前述优化基础之上,开展了Φ4-37BFRP拉索的足尺静力试验。结果表明:当改性物体积掺量相同时,磨碎玻璃纤维改性树脂的压缩性能始终优于石英砂改性树脂的压缩性能;磨碎玻璃纤维改性树脂的压缩强度和弹性模量均随着改性物体积分数的增加而增大,且其变化规律符合二次多项式拟合关系(R²>0.98);分段比例为1:1:1:1的磨碎玻璃纤维改性树脂荷载传递介质可有效降低锚固区FRP拉索的应力集中;BFRP拉索总体呈现理想的中部炸裂式破坏,且其荷载-位移关系近似呈线性关系;优化后的拉索锚固体系对BFRP拉索的静力锚固效率为101%,满足规范要求(≥95%);加载后的荷载传递介质未出现损伤,且未与BFRP拉索之间产生滑移;锚固区BFRP拉索的轴向应变自加载端至自由端逐渐减小。变刚度荷载传递介质可以显著减小锚固区加载端BFRP拉索的剪应力集中。
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  FRP拉索静力及蠕变性能的多尺度预测

  彭哲琦, 汪昕, 吴智深

  中国公路学报. 2022, 35(2): 98-105. https://doi.org/10.19721/j.cnki.1001-7372.2022.02.008

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  合理而高效的纤维增强复合材料(FRP)拉索性能预测方法可有效解决拉索足尺试验难度大、耗时长等问题。为此,以剪切滞后模型的理念为基础,提出以浸胶纱为基本单元的FRP浸胶纱-单筋-拉索多尺度短期静力与长期蠕变预测模型。相比将纤维单丝作为基本单元的一般模型,该模型具有较高的计算效率,尤其适用于大尺寸FRP拉索的足尺建模分析。以37根4 mm直径单筋的玄武岩纤维增强复合材料(BFRP)拉索作为算例,详细阐述了该模型的建立方法和求解流程,并对静力和蠕变模拟结果进行了分析。其中,模型着重考虑了浸胶纱单元拉伸强度和树脂单元剪切强度的双参数威布尔随机分布、树脂屈服后的界面残余剪应力、浸胶纱单元蠕变断裂寿命模型和树脂基体的长期松弛效应。结果表明:BFRP单筋和拉索静力极限承载力的预测值与试验结果误差均在4%以内,而采用单元平均强度直接换算得到的结果较单筋和拉索预测值分别偏高18.3%和11.3%。在此基础上,模型进一步揭示了由FRP浸胶纱、单筋到拉索的多尺度强度退化规律和拉索内部的短长期损伤演化机理,可为后续拉索性能优化和设计提供支撑。在高应力水平下,较弱单元的提前破坏将直接导致拉索整体过早的失效,进而显著削减整体蠕变寿命;而在低应力水平下,拉索整体的蠕变断裂寿命趋近于浸胶纱单元自身的蠕变寿命。
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  温度、预拉力和冲击能量耦合作用下BFRP筋的抗冲击性能

  李晟, 李振坤, 郭帅成, 朱德举

  中国公路学报. 2022, 35(2): 106-114. https://doi.org/10.19721/j.cnki.1001-7372.2022.02.009

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  为评估玄武岩纤维增强复合材料(Basalt Fiber Reinforced Polymer,BFRP)筋在服役条件下的抗横向冲击性能,通过落锤冲击试验研究了不同温度(-20℃、25℃、50℃和90℃)、冲击能量(12.76 J、19.14 J和31.90 J)和预拉力水平(2%、20%和30%)耦合作用下BFRP筋的冲击响应和破坏模式,并测试了冲击后未完全断裂试件的残余拉伸强度。结果表明:温度和冲击能量耦合作用下,残余变形和耗能随温度的提高而增大,而峰值荷载随温度变化不明显;同一温度下,峰值荷载和残余变形均随冲击能量的增加而增大。温度和预拉力耦合作用下,预拉力对峰值荷载的影响较温度更显著;同一温度下,残余变形和耗能随预拉力的增加而降低;同一预拉力水平下,残余变形随温度的提高轻微增加,耗能呈先降后增趋势。残余拉伸强度和耗能比均能有效地评估BFRP筋的损伤程度;预拉力恒定时,残余拉伸强度随温度的升高呈先增后降的趋势;能量恒定时,耗能比随预拉力的施加而减小,说明预拉力降低了试件的冲击损伤。冲击损伤随能量提高而增加,破坏模式包括基体压痕、开裂和破碎,以及纤维断裂和拔出;破坏模式主要受冲击能量影响,受温度和预拉力水平影响较小。研究成果对复杂服役条件下大跨桥梁FRP拉索的设计具有一定的参考意义,进一步促进BFRP筋在桥梁工程中的应用。
FRP用于桥梁加固
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  基于刚度的大应变FRP约束混凝土模型及其在桥梁抗震加固中的应用

  白玉磊, 梅世杰, 张玉峰, 韩强, 贾俊峰

  中国公路学报. 2022, 35(2): 115-123. https://doi.org/10.19721/j.cnki.1001-7372.2022.02.010

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  大应变纤维增强复合材料(LRS FRP)由于断裂应变大的特点(>5%),可能在桥墩结构抗震加固中带来较好的延性,近年来成为国内外研究的热点。大应变FRP约束混凝土应力-应变关系设计模型是加固桥墩抗震分析的基础。通过LRS FRP约束混凝土的单调轴压试验,研究了FRP约束刚度参数对应力-应变关系的影响。与基于强度的设计模型由FRP断裂应变确定FRP约束混凝土应力应变关系曲线第2段的斜率(即轴向刚度)不同,轴向刚度由FRP的约束刚度参数决定,由此建立了单调轴压下LRS FRP约束混凝土基于刚度的设计模型。对LRS FRP约束混凝土往复轴压参数(例如卸载曲线、再加载曲线和塑性应变)进行了分析研究,发现塑性应变和应力损伤是影响LRS FRP约束混凝土往复轴压性能的2个关键参数。通过重新定义这2个关键参数,将现有往复轴压荷载作用下传统FRP约束混凝土应力-应变模型推广到LRS FRP约束混凝土。最后,将该模型通过二次开发的方法添加到OpenSees软件平台,对FRP加固桥墩柱的拟静力试验进行数值模拟,模拟结果与试验结果吻合良好,验证了基于刚度模型在桥梁抗震加固分析中的有效性。
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  带小直径纵筋并外包CFRP的RC圆墩抗震性能研究

  薛俊青, DAVIDE Lavorato, 聂尚杰, 陈俊臻, BRISEGHELLA Bruno, NUTI Camillo

  中国公路学报. 2022, 35(2): 124-135. https://doi.org/10.19721/j.cnki.1001-7372.2022.02.011

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  桥梁震害调查显示,钢筋混凝土(RC)桥墩易受损,影响震后救援和灾后重建。采用小直径纵筋替换受损纵筋并外包碳纤维布(CFRP)的技术修复受损桥墩可缩短震后修复周期,节省重建费用。以某不规则连续梁桥的RC圆墩为工程背景,选择小直径纵筋的长度和直径、外包CFRP层数为参数,开展7根缩尺比例为1:6的RC圆墩试件的拟静力试验;选用OpenSees建立有限元模型,采用试验结果验证其准确性,并开展参数分析。研究结果表明:设置小直径纵筋的桥墩的塑性变形集中在小直径纵筋高度范围内,桥墩破坏被限制在塑性铰区域内;与未设置小直径纵筋的桥墩相比,小直径纵筋使桥墩承载力降低20%~27%,但桥墩位移延性提高42%~85%,曲率延性提高47%~242%,耗能性能提高32%~56%;在满足桥墩承载力设计要求的情况下,使用小直径纵筋可有效提高桥墩抗震性能;设置小直径纵筋的桥墩在小直径纵筋区域内的实测CFRP最大应变明显大于未设置的试件,说明对设置小直径纵筋的桥墩外包CFRP,可防止桥墩过早破坏,提高延性;随着小直径纵筋长度增大或直径减小,桥墩耗能性能先增大后减小;建议以钢筋疲劳寿命需求为下限,塑性铰长度为上限选择小直径纵筋长度;选择满足保证塑性铰以外的纵筋受力始终在弹性范围内的条件下的最大直径为小直径纵筋直径;增大修复区域的混凝土强度可弥补设置小直径纵筋造成的桥墩承载力降低。
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  预应力钢板箍与CFRP复合加固RC墩柱轴压性能试验研究

  黄群贤, 郭子雄, 陈志超

  中国公路学报. 2022, 35(2): 136-145. https://doi.org/10.19721/j.cnki.1001-7372.2022.02.012

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  提出一种新型的采用预应力钢板箍(PSJ)和碳纤维布(CFRP)复合加固钢筋混凝土(RC)墩柱加固方法(简称PSJ-CFRP)。为验证该新型加固技术的可行性和有效性,进行了8个足尺圆形墩柱轴压性能试验,研究参数包括不同加固方法(PSJ、CFRP和PSJ-CFRP)、钢板箍预应力水平、PSJ与CFRP加固配箍特征值等,比较分析采用不同加固方式加固试件的加固效果、破坏形态和承载力等,研究了PSJ-CFRP复合加固RC墩柱的受压机理,钢板箍预应力度、PSJ与CFRP加固配箍特征值等关键参数对试件轴压性能的影响和规律。试验结果验证了PSJ-CFRP复合加固技术的有效性,CFRP与钢板箍协同工作、优势互补,既提高了试件的承载能力,又改善了试件的变形性能,加固试件呈现延性破坏特征。采用CFRP加固的试件,试件的承载能力得到提高,但变形能力降低,呈现脆性的破坏特征。在相同加固配箍特征值下,减小加固箍板净间距能取得更好的加固效果。在试验和理论分析的基础上,提出了PSJ-CFRP复合加固RC墩柱轴向受压承载力计算公式,能较好地预测加固墩柱的轴心受压承载力。
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  FRP包裹混凝土圆柱统一约束模型

  袁婉莹, 韩强, 白玉磊, 杜修力, 刘青龙

  中国公路学报. 2022, 35(2): 146-158. https://doi.org/10.19721/j.cnki.1001-7372.2022.02.013

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  为进一步明确纤维增强复合材料(FRP)约束混凝土圆柱轴压性能影响因素及现有约束模型适用性,收集了混凝土强度在6.2~188.2 MPa范围内的普通混凝土、高强混凝土、超高性能混凝土、再生混凝土、海水海砂混凝土和工程水泥基复合材料等1 049组普通FRP/大应变FRP包裹圆柱的试验数据。在统计分析基础上,基于最小二乘法建立了较高精度的FRP环向断裂应变折减系数预测公式。探究了FRP类型、混凝土强度和种类对FRP约束混凝土圆柱峰值强度和极限应变的影响规律。研究结果表明:约束比相同时,FRP类型对约束混凝土峰值强度影响可忽略不计,但对极限应变影响较大,大应变FRP可显著提高受约束柱延性,更适用于桥墩的抗震加固;混凝土强度增加降低了FRP约束效果,使受约束柱的峰值强度和极限应变增长较小;与同强度混凝土相比,高延性工程水泥基复合材料受约束后峰值强度增长较小。最后,对现有约束模型通过平均绝对误差(A_AE)、均值(M)和标准差(S_D)对峰值强度和极限应变的预测情况进行了评估,并提出了考虑FRP类型、混凝土强度和种类的统一约束模型。该模型得到的峰值强度和极限应变A_AE值分别为0.13和0.31,可作为评估FRP约束各类混凝土圆柱峰值强度和极限应变的适用简化计算公式。
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  预应力NSM CFRP抗剪加固钢筋混凝土T梁试验（双语出版）

  彭晖, 郭恒良, 钟正强, 粟淼, 陈辉, 黄敦文

  中国公路学报. 2022, 35(2): 159-168. https://doi.org/10.19721/j.cnki.1001-7372.2022.02.014

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  大跨径预应力混凝土梁桥易因竖向预应力损失等导致抗剪性能不足,引起腹板斜裂缝和梁体下挠等病害。为提高混凝土梁桥的斜截面承载和抗裂性能,提出了表层嵌贴(NSM)预应力CFRP加固钢筋混凝土梁腹板的方法,研发了专用夹具及张拉锚固装置,并实现了预应力NSM CFRP对钢筋混凝土T梁腹板的抗剪加固。在此基础上,进行了4根预应力NSM CFRP抗剪加固RC T梁静载试验,考察了各试件的受力行为和破坏模式,研究了试件斜裂缝形态变化规律,分析了试件箍筋、CFRP和混凝土的抗剪贡献。试验结果表明:预应力NSM CFRP抗剪加固可显著提高试件的腹板斜截面开裂荷载和抗剪承载力,但CFRP黏结端部混凝土同时承受预应力放张和荷载引起的应力,更容易发生腹板混凝土保护层剥离破坏,削弱预应力CFRP抗剪加固效果,应考虑增设碳纤维U形箍锚固等措施;预应力加固试件的临界斜裂缝角度增加,使与临界斜裂缝相交的CFRP数量减小,但斜裂缝发展速率和临界斜裂缝宽度得到有效抑制;预应力CFRP放张引起的压应力降低了腹板混凝土主拉应力,使临界斜裂缝高度显著减小,梁顶未开裂混凝土能承担更多剪力;极限状态下预应力加固试件的CFRP抗剪贡献小于无预应力加固试件,但混凝土抗剪贡献却显著提高,试件抗剪承载力提升实质是混凝土抗剪能力增大。
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  梯度锚固预应力NSM CFRP板条加固梁破坏模式与影响因素试验研究

  龚爽, 张建仁, 林福宽, 粟淼

  中国公路学报. 2022, 35(2): 169-180. https://doi.org/10.19721/j.cnki.1001-7372.2022.02.015

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  为探索梯度锚固预应力表层嵌贴(Near Surface Mounted,NSM) CFRP板条加固梁的破坏模式,完成了1片普通预应力和7片梯度锚固预应力加固梁的弯曲性能试验,研究了端部梯度锚固设置、加固长度、混凝土保护层厚度和钢筋表面特性对结构力学性能的影响,分析了加固梁的破坏模式、特征荷载、延性、预应力和外荷载作用下FRP-混凝土界面黏结应力,采用《中国结构设计规范》(GB 50010-2010)、《行业技术标准》(CTT/T 280-2018)和《美国混凝土协会规范》(ACI 440.1R-15)分别计算了加固梁裂缝间距。结果表明:梯度锚固预应力技术在抑制裂缝开展、延缓纵筋屈服和提高加固梁承载力等方面的表现均优于普通预应力技术,且能够避免加固梁发生端部混凝土保护层剥离;加固梁抗弯承载力显著提升,最大提升幅值达35.48%;同时,加固梁延性大幅提高,破坏时极限挠度增大100.33%。梯度锚固设置相同时,减少总加固长度、增加保护层厚度和使用光圆纵筋都会降低加固梁的承载能力,钢筋表面特性仅在端部裂缝出现水平分支后对加固梁性能产生影响。预应力和外荷载引起的黏结应力都在距FRP端部400 mm范围内出现峰值。GB 50010-2010、ACI 440.1R-15计算的裂缝间距结果稍显不安全;CTT/T 280-2018的计算结果则偏保守;而基于GB 50010-2010提出的裂缝间距修正公式,通过考虑FRP加固长度梯度锚固预应力和保护层厚度的影响,能更准确计算混凝土齿状模型中板端保护层剥离破坏时的CFRP应力。
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  CFRP加固钢筋混凝土梁抗冲击性能试验

  张景峰, 仝朝康, 张智超, 冯亮, 张宇, 鲁涛, 韩万水

  中国公路学报. 2022, 35(2): 181-192. https://doi.org/10.19721/j.cnki.1001-7372.2022.02.016

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  为研究碳纤维复合材料(CFRP)加固钢筋混凝土(RC)梁的抗冲击性能,使用落锤试验机对6根简支RC梁进行了试验研究,并基于显式动力分析方法对冲击过程进行仿真模拟,获得了不同工况下RC梁的冲击力、支反力、位移时程以及梁体开裂过程,并对加固RC梁的损伤演化及刚度变化过程、CFRP布加固工作机理、梁体位移恢复性能等进行了深入研究。在冲击作用下,跨中梁底的CFRP布发生脱离,跨中区域以外CFRP发生滑移,且粘贴2层CFRP布在冲击作用下更易发生脱落;粘贴CFRP对RC梁的跨中开裂损伤、冲击力、冲击位移以及冲击动力刚度没有产生显著影响,受拉配筋率较小的1号梁在冲击作用下跨中形成冲击楔形体,加固后RC梁跨中与支座之间的剪切斜裂缝明显减少,RC梁的位移恢复系数由未加固前的0.27提高至加固后的0.43以上。研究结果表明:跨中区域的CFRP剥落使其对于关键截面的抗弯能力贡献急剧削弱,不能有效抑制跨中冲击损伤,未剥落的CFRP布在冲击中后期提高了RC梁的抗剪承载力,碳纤维布在冲击过程中后期会发生弹性回缩并有效减小构件残余变形,受拉筋配筋率的增加也会显著改善RC梁的变形恢复情况;1号梁在冲击荷载下发生"延性"破坏,其过程可以分为弹塑性加载阶段、刚度退化阶段和塑性变形阶段,损伤破坏具有一定"延性",受拉配筋率增加的2号梁冲击过程呈现出"脆性"的剪切破坏特征,未出现明显塑性变形。良好的界面黏结性能是确保CFRP加固RC梁抗冲击性能提升的关键。
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  预应力CFRP加固钢结构的裂纹扩展双参数驱动力模型

  叶华文, 唐诗晴, 刘德军, 周渝, 刘吉林

  中国公路学报. 2022, 35(2): 193-200. https://doi.org/10.19721/j.cnki.1001-7372.2022.02.017

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  预应力CFRP是一种高效的加固损伤钢结构的新型方法,疲劳裂纹扩展驱动机制是评估疲劳寿命和CFRP加固效果的基础。为研究预应力CFRP板加固受损钢结构的裂纹扩展机理,从单调拉伸损伤和循环损伤耦合机制出发,考虑裂纹闭合效应,提出了一种新型双参数驱动力模型ΔK^1-γ_effK^γ_max。然后基于实测裂纹扩展数据,联合采用软件ANSYS和裂纹扩展分析软件Franc3D建立空间有限元模型,应用新双参数驱动力模型模拟轴拉钢板的裂纹扩展行为,疲劳断口分析的预测值与实测值对比表明:所提出的驱动力模型ΔK^1-γ_effK^γ_max能合理反映裂纹扩展行为。最后应用该驱动力模型在不同应力比条件下对轴拉钢板、工字梁和矩形管梁等典型受力构件的裂纹扩展进行分析,结果表明:相较于传统的裂纹闭合模型和双参数驱动力模型,ΔK^1-γ_effK^γ_max的裂纹扩展预测在各种应力比情况下更精确,可供预应力CFRP加固钢结构的疲劳裂纹扩展分析和寿命评估参考。
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  钢桥面顶板-U肋焊缝表贴增强板材疲劳加固方法研究

  邓扬, 刘涛磊, 曹宝雅, 李爱群, 马斌

  中国公路学报. 2022, 35(2): 201-211. https://doi.org/10.19721/j.cnki.1001-7372.2022.02.018

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  针对正交异性钢桥面板顶板-U肋焊缝疲劳开裂问题,提出在顶板表面粘贴小尺寸增强板材的疲劳加固方法。采用碳纤维增强复合(CFRP)板和钢板2种疲劳加固板材,开展钢桥面局部区域足尺模型疲劳试验,采用热点应力法分析加固前后顶板-U肋焊缝的疲劳性能,最后根据线弹性断裂力学和有限元计算分析,对比分析不同加固板材下焊缝裂纹扩展过程中的应力强度因子变化规律,考察加固时机与加固板材厚度对该焊缝疲劳加固效果的影响。试验结果表明:顶板表面粘贴4 mm厚CFRP板和钢板,焊缝疲劳寿命分别提高87%和196%,双层4 mm厚CFRP板叠层粘贴加固后,焊缝疲劳寿命理论上可提高4.9倍;该焊缝在进行表贴板材疲劳加固时,可采用国际焊接协会的FAT100热点应力S-N曲线进行设计计算;加固方法可有效降低裂纹尖端的应力强度因子幅值,相同厚度钢板抑制裂纹扩展的效果优于CFRP板;在裂纹扩展的早期进行疲劳加固,可使应力强度因子幅值低于疲劳裂纹扩展阈值;进行表贴板材疲劳加固设计时,可在保证桥面铺装服役性能的前提下适当增大加固板材厚度,获得更好的疲劳寿命延长效果;提出的疲劳加固方法施工简便、效果良好,可为在役正交异性钢桥面的疲劳加固维护提供新的技术选择。
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  考虑缺陷位置和CFRP粘贴方式的钢板疲劳性能

  陈卓异, 曾剑波, 彭岚, 彭彦泽, 彭晖

  中国公路学报. 2022, 35(2): 212-222. https://doi.org/10.19721/j.cnki.1001-7372.2022.02.019

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  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。
FRT界面黏结性能
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  重复荷载作用下CFRP布-混凝土界面黏结-滑移模型

  李可, 郑书宁, 王新玲, 曹双寅

  中国公路学报. 2022, 35(2): 223-233. https://doi.org/10.19721/j.cnki.1001-7372.2022.02.020

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  碳纤维增强复合材料(CFRP)布-混凝土界面黏结-滑移关系是进行外贴CFRP布加固混凝土结构受力分析的基础。考虑重复应力水平、混凝土强度、CFRP布与混凝土的宽度比和CFRP布黏结长度的影响,采用梁铰式试件,进行CFRP布-混凝土界面性能试验,研究静力荷载和重复荷载作用下CFRP布-混凝土界面黏结-滑移本构关系。在已有单调荷载作用下黏结-滑移本构模型的基础上,考虑荷载水平、混凝土强度、CFRP布与混凝土宽度比等因素的影响,提出重复荷载作用下CFRP布-混凝土界面某确定位置处的黏结-滑移退化模型及模型曲线上升段斜率退化公式,并提出了CFRP布-混凝土界面剥离过程中黏结强度退化公式。研究结果表明:随着荷载循环次数的增加,CFRP布-混凝土界面黏结-滑移本构关系不断退化,界面黏结-滑移曲线上升段的斜率和黏结强度也不断降低,但对应于黏结强度的滑移量变化很小。
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  NSM CFRP-混凝土界面疲劳黏结性能研究

  丑佳璇, 张智涛, 张建仁, 粟淼, 彭晖

  中国公路学报. 2022, 35(2): 234-246. https://doi.org/10.19721/j.cnki.1001-7372.2022.02.021

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  NSM CFRP加固技术能显著提升混凝土结构的受力性能,已受到桥梁结构加固领域的广泛关注。CFRP与混凝土界面的可靠黏结是充分发挥加固效果的前提,目前针对静载下界面黏结性能的研究相对较多,但关于界面疲劳黏结性能的研究十分有限。为此,开展了疲劳荷载下的单剪拔出试验,通过对黏结界面的疲劳寿命、应力分布、滞回曲线、骨架曲线、黏结刚度和耗散能等进行分析,研究了疲劳荷载下NSM CFRP与混凝土界面的黏结行为与退化机理,考察了疲劳应力幅和黏结长度等因素与界面疲劳黏结性能的相关性,得到了适用于NSM CFRP加固混凝土体系发生剥离破坏情况下的S-N曲线模型,并基于局部黏结区段的疲劳寿命分析,提出了一种评估NSM CFRP-混凝土界面疲劳黏结性能的新型多功能模型。研究结果表明:NSM CFRP与混凝土界面的黏结性能显著受到疲劳荷载影响,即便是低于疲劳极限的应力幅也会造成黏结界面退化,增加黏结长度虽无法抑制界面退化,但会使疲劳寿命大幅增长;明确了疲劳荷载下黏结界面的受力行为并将其概括为弹性变形、塑形损伤、界面退化和完全剥离4个阶段,阐明了各阶段的受力机理;所得多功能模型可在已知疲劳应力幅、黏结长度和疲劳寿命三者其二的情况下预测另一个量,且具有较高的准确性。
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  冻融/干湿环境影响下CFRP板-钢界面黏结性能试验

  任翔, 王怡, 余兴, 孙亚民, 刘群峰

  中国公路学报. 2022, 35(2): 247-258. https://doi.org/10.19721/j.cnki.1001-7372.2022.02.022

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  恶劣环境影响下纤维增强复合材料(CFRP)板加固钢结构的黏结界面是薄弱环节。为掌握恶劣环境对加固界面黏结性能的影响程度,制作了干湿、冻融和冻融/干湿交互环境作用的CFRP板-钢双搭接试件,开展了试件的拉伸试验,分析了试件破坏模式、极限承载力、界面剪应力及分布、黏结-滑移关系和界面刚度变化等。结果表明:多数试件发生CFRP板表面纤维剥离破坏模式和CFRP板表面纤维剥离与黏结剂间剥离的混合破坏模式,界面峰值剪应力出现在靠近试件钢板接缝处两侧黏结界面,初始剥离始于该区域,远离该区域的界面剪应力迅速降低,超过CFRP板有效黏结长度后不再变化。干湿环境作用对试件破坏时的极限承载力、界面峰值应力、界面刚度、断裂能有一定影响,但不明显;冻融环境试件破坏时的极限承载力、界面峰值应力、界面刚度、断裂能比其他2种环境相对大,而冻融/干湿环境试件在3种环境中最小,表明冻融/干湿循环交互作用加剧了试件界面黏结性能的降解程度。同时,多数环境组试件黏结-滑移曲线仅存在上升段,少数环境组试件黏结-滑移曲线存在下降段,但从峰值应力到最终完全破坏历经时间较短,其延性不明显。冻融、冻融/干湿环境作用对加固界面黏结性能有较大的影响,干湿环境作用影响较小,在加固设计中应重点考虑冻融、冻融/干湿环境作用的影响。
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  GFRP筋与海水海砂混凝土的黏结疲劳性能

  熊哲, 麦广浩, 陈晓攀, 曾徽明, 李丽娟, 刘锋, 游文滔

  中国公路学报. 2022, 35(2): 259-268. https://doi.org/10.19721/j.cnki.1001-7372.2022.02.023

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  纤维增强聚合物(FRP)筋海水海砂混凝土(SSSC)的黏结疲劳性能研究能为FRP筋海水海砂混凝土结构的疲劳设计提供指导,为此,通过疲劳拉拔试验和理论分析研究了筋材直径和应力水平对玻璃纤维增强聚合物(GFRP)筋与海水海砂混凝土黏结疲劳性能的影响。深入探讨了疲劳黏结应力-滑移曲线、疲劳黏结刚度和疲劳滑移量;建立了疲劳上限对应的滑移量的预测模型;定义了GFRP筋与海水海砂混凝土的黏结疲劳破坏准则;结合疲劳上限对应的滑移量预测模型和黏结疲劳破坏准则,提出了疲劳寿命预测方法。研究结果表明:应力水平对疲劳黏结刚度曲线影响不明显,而对疲劳滑移量曲线和疲劳寿命有明显影响;黏结疲劳破坏全过程的疲劳黏结刚度曲线和疲劳滑移量曲线均可分为3个阶段;疲劳黏结刚度下降的幅度相对较小,疲劳黏结刚度不能很好地反映出循环荷载对黏结性能的影响;黏结疲劳破坏的发生是由于疲劳上限对应的滑移量达到一定量而引起的;疲劳上限对应的滑移量曲线和残余滑移量曲线具有相似的变化规律,疲劳上限对应的滑移量的增加主要来自于残余滑移量的积累;残余滑移量的累积是造成黏结疲劳破坏的主要原因,疲劳滑移量曲线更能反映循环荷载所造成的疲劳损伤。
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  考虑表面肋参数的钢-连续纤维复合筋与灌浆套筒界面性能研究

  孙泽阳, 孙运楼, 郑忆, 姚刘镇, 吴刚

  中国公路学报. 2022, 35(2): 269-278. https://doi.org/10.19721/j.cnki.1001-7372.2022.02.024

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  为了研究装配式混凝土结构中钢-连续纤维复合筋(Steel-FRP (Fiber Reinforced Polymer) Composite Bar,SFCB)与灌浆套筒(Grouted Sleeves,GSs)的界面性能,基于ABAQUS/Explicit引入材料损伤和接触模型,开展考虑表面肋的精细化有限元模拟。首先进行变化锚固长度(5d,10d和15d)、筋材种类(钢筋、BFRP筋和SFCB)的7组灌浆套筒连接件的锚固性能试验,随后开展有限元模拟并与试验对比。试验获得直接拔出、屈服后拔出和筋材拉断的破坏模式,结果发现钢筋/灌浆的界面强度约为复合筋/灌浆的1.5倍;考虑表面肋参数的精细化有限元模拟可合理预测破坏模式,其中SFCB灌浆连接件的灌浆损伤因子仅为0.5,钢筋、BFRP筋和SFCB与灌浆套筒的黏结强度计算误差可分别控制在8%、20%和7%以内。结合有限元模拟给出了BFRP筋和SFCB沿锚长方向的筋材应力、黏结应力及滑移分布,结果表明SFCB与灌浆的黏结应力分布曲线呈现"三峰状",而BFRP筋与灌浆的界面呈现"双峰状";SFCB灌浆连接件的"非弹性区"范围约为60%l_a,且界面黏结应力和相对滑移大多发生在非弹性区内。