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钢筋纤维自密实混凝土梁受弯承载力与裂缝研究

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摘要

图目录

表目录

主要符号表

1 绪论

1.1 研究背景与意义

1.2 自密实混凝土研究现状

1.2.1 自密实混凝土的产生与发展

1.2.2 自密实混凝土配合比的设计方法

1.2.3 自密实混凝土工作性的评价方法

1.2.4 自密实混凝土工作性的影响因素

1.3 纤维混凝土研究现状

1.3.1 纤维混凝土单轴受压本构关系

1.3.2 纤维混凝土单轴受拉本构关系

1.3.3 纤维混凝土的弯曲韧性

1.3.4 纤维混凝土与变形筋的粘结性能

1.4 纤维自密实混凝土研究现状

1.4.1 纤维对新拌混凝土工作性的影响

1.4.2 纤维的分布及方向与力学性能的关系

1.5 钢筋纤维混凝土梁受弯性能研究现状

1.5.1 钢筋纤维混凝土梁受弯性能试验研究

1.5.2 钢筋纤维混凝土梁受弯承载力预测

1.5.3 钢筋纤维混凝土梁裂缝宽度预测

1.6 隧道盾构管片简化试验方法

1.7 本文主要研究思路

2 纤维自密实混凝土工作性与材料性能

2.1 引言

2.2 纤维自密实混凝土配合比设计

2.2.1 试验材料

2.2.2 配合比设计

2.3 新拌纤维自密实混凝土工作性

2.3.1 纤维自密实混凝土工作性测试方法

2.3.2 新拌纤维自密实混凝土工作性试验结果

2.4 纤维自密实混凝土抗压强度与劈拉强度

2.4.1 抗压强度试验结果与分析

2.4.2 劈拉强度试验结果与分析

2.5 纤维自密实混凝土抗弯强度与弯曲韧性

2.5.1 RILEM三点弯曲试验(开口)

2.5.2 ASTM四点弯曲试验(未开口)

2.5.3 挠度硬化最小纤维掺量

2.6 本章小结

3 纤维自密实混凝土与变形钢筋及GFRP筋的粘结性能

3.1 引言

3.2 试验概况

3.2.1 试验材料

3.2.2 试件设计

3.2.3 试验装置与数据采集

3.3 粘结机理及粘结韧性

3.3.1 试件破坏形态与粘结机理分析

3.3.2 粘结强度与粘结韧性

3.4 试验结果与分析

3.4.1 粘结-滑移曲线

3.4.2 不同纤维的正混杂效应

3.5 本章小结

4 钢筋纤维自密实混凝土简支梁受弯性能

4.1 引言

4.2 试验概况

4.2.1 试验材料

4.2.2 试件设计

4.2.3 数据采集及测点布置

4.2.4 加载设备和加载方案

4.3 试验结果及分析

4.3.1 试件的破坏形态与裂缝扩展模式

4.3.2 试件的荷载-跨中挠度曲线

4.3.3 试件的荷载-纵筋应变曲线

4.3.4 试件跨中截面的应变分布

4.3.5 试件的裂缝宽度与裂缝扩展高度

4.4 纤维部分替代纵筋的可行性分析

4.5.1 配筋率ρs=0.44%

4.5.2 配筋率ρs=0.76%

4.5.3 配筋率ρs=0.96%

4.5 本章小结

5 钢筋纤维混凝土梁受弯承载力分析

5.1 引言

5.2 国内外规范中钢筋纤维混凝土梁受弯承载力计算方法

5.2.1 ACI 544

5.2.2 Model Code 2010

5.2.3 CECS 38:2004

5.3 受弯承载力计算模型

5.3.1 基本假定

5.3.2 正截面承载力计算

5.3.3 承载力分析过程及步骤

5.4 与试验结果对比

5.5 本章小结

6 钢筋纤维混凝土梁跨中挠度与裂缝宽度计算

6.1 引言

6.2 跨中挠度计算

6.2.1 正常使用阶段跨中挠度计算

6.2.2 计算结果对比

6.3 裂缝宽度计算

6.3.1 国内外规范裂缝宽度预测方法

6.3.2 裂缝宽度计算模型

6.3.3 计算模型试验验证

6.4 本章小结

7 钢筋纤维自密实混凝土倾角梁受弯性能

7.1 引言

7.2 倾角梁试验方法合理性分析

7.3 试验概况

7.3.1 试验材料

7.3.2 试件设计

7.3.3 数据采集和测点布置

7.3.4 加载设备和加载方案

7.4 试验结果及分析

7.4.1 试件的破坏模式与裂缝形态

7.4.2 试件的荷载-跨中挠度曲线

7.4.3 试件的荷载-纵筋应变曲线

7.4.4 试件的跨中截面应变分布

7.4.5 试件的裂缝宽度与裂缝间距

7.5 轴力对试件受弯性能的影响

7.6 本章小结

8 结论与展望

8.1 结论

8.2 创新点

8.3 展望

参考文献

附录

攻读博士学位期间科研项目及科研成果

致谢

作者简介

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摘要

盾构隧道管片是隧道结构的主要承力构件,其自身的抗裂性、安全性和耐久性对隧道结构的整体性能至关重要。但传统钢筋混凝土管片体积大,在运输、安装过程中容易发生局部的开裂和破损,引起钢筋锈蚀等耐久性问题。纤维自密实混凝土结合了自密实混凝土的高工作性和高耐久性以及纤维混凝土的高抗裂性和高韧性等优点,应用在盾构隧道管片中可较好地解决管片的开裂和破损问题;同时,钢纤维可以部分替代纵筋,起到优化配筋的作用。基于以上分析并结合国家自然基金资助项目“混杂纤维对管片的裂缝与力学性能的影响”(51078058),为推广纤维自密实混凝土在盾构隧道管片以及其他结构工程中的应用,本文对纤维自密实混凝土的工作性、硬化后材料力学性能、与变形钢筋及GFRP筋的粘结性能以及钢筋纤维自密实混凝土简支梁和对称倾角梁的受弯性能展开了较为系统的试验研究。同时,为深入研究纤维在钢筋纤维混凝土梁受弯时的作用机理,提出了钢筋纤维混凝土梁受弯承载力计算模型以及钢筋纤维混凝土梁正常使用阶段最大跨中挠度和最大裂缝宽度的计算模型。主要研究内容和结论如下: (1)参照国内外应用广泛的工作性评价方法,对强度等级为C40和C60的纤维自密实混凝土的流动性、间隙通过性和抗离析性能进行了评价。同时,对硬化后纤维自密实混凝土的抗压强度、劈拉强度和弯曲韧性进行测试,得到满足工作性和强度要求的纤维自密实混凝土配合比。 (2)通过中心拉拔试验,对变形钢筋及GFRP筋与纤维自密实混凝土的粘结性能进行了试验研究。同时,借鉴德国纤维混凝土规范(DBV)对弯曲韧性的评价方法,将能量吸收能力和等效粘结强度的概念引入到变形筋与纤维自密实混凝土粘结性能的分析中。研究结果表明,掺加钢纤维可明显提高钢筋及GFRP筋与混凝土基体的粘结强度和粘结韧性,混掺钢纤维与聚丙烯纤维对GFRP筋与混凝土基体的粘结强度和粘结韧性的改善作用表现出显著的正混杂效应。 (3)对12根钢筋纤维自密实混凝土简支梁进行四点弯曲试验,研究不同配筋率和不同纤维种类及掺量对试验梁的破坏形态、裂缝扩展模式、荷载-跨中挠度曲线、荷载-纵筋应变曲线以及跨中截面应变分布的影响。研究结果表明,纤维可以明显改善试件的破坏形态、有效降低试件的裂缝宽度和裂缝间距,而且可以显著提高试件的受弯承载力,但纤维的作用随配筋率的提高而减弱。在配筋率为0.44%的情况下,可用50kg/m3钢纤维替代等效质量掺量为22kg/m3的钢筋,但在配筋率为0.96%的情况下,用50kg/m3钢纤维不能替代等效质量掺量为15.6kg/m3的钢筋。 (4)采用分层的截面分析方法,考虑纤维在开裂截面处的分布与应力传递机理,推导了钢筋纤维混凝土梁受弯承载力计算模型。为验证模型的合理性,采用该模型和不同规范中的4个模型对第4章钢筋纤维自密实混凝土梁以及文献中钢筋纤维混凝土梁的受弯承载力进行了计算。计算结果表明,本模型对正常配筋率下钢筋纤维混凝土梁受弯承载力的计算值与试验值吻合较好,通过考虑钢筋屈服后的硬化效应,可提高本模型对较低配筋率的钢筋纤维混凝土梁受弯承载力的预测精度,因此本模型可用于钢筋纤维混凝土梁受弯承载力的分析与设计。 (5)基于面积距平衡并考虑受拉区开裂截面纤维对截面惯性矩的贡献,提出了钢筋纤维混凝土梁正常使用阶段最大跨中挠度的计算方法,其计算值与试验值吻合较好。同时,基于粘结滑移理论,考虑纤维在开裂截面处的分布与应力传递机理,建立了钢筋纤维混凝土梁裂缝宽度计算模型,为验证模型的合理性,采用该模型和不同规范中的3个模型对第4章钢筋纤维自密实混凝土梁以及文献中钢筋纤维混凝土梁的最大裂缝宽度进行了计算。计算结果表明,采用本章提出模型计算的最大裂缝宽度与试验值吻合较好,可用于钢筋纤维混凝土梁正常使用阶段最大裂缝宽度的分析与验算。 (6)对8根钢筋纤维自密实混凝土对称倾角梁进行四点弯曲试验,研究不同配筋率和不同纤维种类及掺量对倾角梁试件的破坏形态、裂缝扩展模式、荷载-跨中挠度曲线、荷载-纵筋应变曲线以及跨中截面应变分布的影响。研究结果表明,试件均发生典型的弯曲破坏,纤维的掺入使倾角梁试件在破坏时的裂缝条数明显增多,裂缝宽度和裂缝间距明显减小。由于轴力的作用,倾角梁试件的开裂荷载、屈服荷载和极限荷载明显高于相应的简支梁,但表现出一定的脆性,纤维的掺入可以明显提高倾角梁试件极限荷载对应的挠度,改善倾角梁试件的延性。

著录项

  • 作者

    宁喜亮;

  • 作者单位

    大连理工大学;

  • 授予单位 大连理工大学;
  • 学科 结构工程
  • 授予学位 博士
  • 导师姓名 丁一宁;
  • 年度 2015
  • 页码
  • 总页数
  • 原文格式 PDF
  • 正文语种 中文
  • 中图分类
  • 关键词

    钢筋; 纤维; 自密实混凝土梁; 受弯承载力;

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