基于界面粘结性能多尺度分析的UHPC梁计算方法与试验研究

发布时间：2020-10-19 21:08

　　 超高性能混凝土(Ultra-high performance concrete,UHPC)是通过掺和超细掺合料显著提高混凝土的密实度和抗压强度,采用钢纤维提高其抗拉能力,使其为具备超高抗压强度、较强抗拉强度和优越耐久性能的“新型超级混凝土”。当前,世界范围内已逐步将UHPC材料从接缝、剪力连接件等局部附属部位,开始应用于主承力构件,甚至有部分结构开始全部采用UHPC。各国学者对UHPC的研究逐步深入,材料领域的研究多聚焦于采用颗粒堆积理论和加入纳观微观级颗粒优化配合比、从微细观角度揭示不同骨料及纤维对界面粘结性能和材料力学性能的影响、水化硬化机理和流变性能等:结构领域多借助传统经验方法,通过宏观尺度的构件和结构试验进行结构受弯、受剪、抗震、抗冲击和抗爆等研究,在宏观层面建立相应的设计计算理论。材料研究和结构研究存在脱节现象,突出表现在传统的结构设计理论框架下无法合理利用材料领域关于UHPC纳观、微观、细观研究成果。建立两者联系的核心纽带是各组分对结构构件力学性能贡献从细观到宏观的科学定量及界面粘结滑移问题,其中,钢纤维-UHPC基体界面粘结滑移性能是核心问题之一。本文采用多尺度手段,研究了钢纤维与UHPC基体界面粘结性能(微观-细观尺度),基于细观钢纤维-UHPC基体界面粘结性能建立了结构跨尺度(细观-宏观)受弯受剪理论计算模型,并通过试验对提出的理论模型进行了验证。主要研究内容包括:(1)钢纤维-UHPC基体界面粘结性能试验研究(微观细观尺度)以纤维倾角、纤维类型和砂骨料最大粒径为参数,进行了 90个钢纤维-UHPC基体界面粘结性能试件的拔出试验;采用扫描电镜对破坏界面微观和细观进行观测,结合宏观现象,归纳出两种宏观破坏模式(纤维拔出和纤维拉断)和三种微观破坏模式(界面过渡区破坏、基体破坏和纤维表面划痕破坏);揭示了平直和端勾两种不同钢纤维拔出过程界面粘结破坏作用机制。(2)基于细观本构的UHPFRC梁跨尺度受弯计算模型(细观-宏观尺度)基于细观力学分析,揭示了纤维对残余抗拉强度贡献的机理,提出了考虑界面粘结强度和纤维分布、取向以及埋深的超高性能纤维混凝土(Ultra high performance fiber reinforced concrete,UHPFRC)细观本构模型,为预测UHPFRC残余抗拉强度提供新思路,进而建立了 UHPFRC梁跨尺度受弯分析模型和受弯承载力理论计算方法。采用9片受弯试验梁结果对提出的理论进行验证,并对不同作用机制的抗弯贡献比例进行了分析。(3)UHPFRC梁跨尺度受弯计算模型的试验验证为验证UHPFRC梁跨尺度受弯计算模型,进行了 9片矩形截面UHPFRC模型梁试验研究,试验参数包括纤维率、纵筋率、纤维类型和混凝土强度。试验发现纤维“桥联作用”的失效是一个接着一个的,裂缝呈“多而密”的分布特点;提出了一种以极限挠度与弯曲开裂时挠度比值为表达形式的新延性评价指标;UHPFRC梁跨尺度受弯计算模型可准确预测梁体受力全过程曲线和极限承载力。(4)UHPFRC梁跨尺度受剪承载力计算模型:纤维-基体分离模型(细观-宏观尺度)针对如何计算纤维抗剪贡献的核心难点问题,提出了全新的有效纤维抗剪区域(Effective Fiber Distributed Region,EDR)概念,即破坏斜裂缝周围一定宽度内的纤维可提供抗剪。基于概率论或纤维拔出荷载-滑移曲线手段确定EDR宽度,进而得到纤维抗剪贡献,并建立跨尺度(细观-宏观尺度)纤维-基体分离受剪承载力理论计算模型(Mesoscale Fiber-Matrix Discrete Model,MFDM),为预测纤维抗剪贡献提供新的思路。建立的模型可以考虑纤维取向、埋置深度和纤维基体间粘结强度等因素,从细观角度反应了纤维抗剪机理。(5)UHPFRC梁跨尺度受剪计算模型的试验验证为验证UHPFRC梁跨尺度受剪计算模型,进行了 11片UHPFRC梁受剪试验,研究纤维率、纤维类型、配箍率、剪跨比和混凝土强度等参数对UHPFRC梁受剪承载力、裂后性能和裂后变形能力等的影响。首次定义UHPFRC梁的剪切破坏为半延性-半脆性破坏;提出了以极限挠度与剪切开裂时挠度比值为表达形式的新延性评价指标,并对试验梁裂后变形能力和刚度退化进行了评价;UHPFRC梁跨尺度受剪计算模型可很好地预测试验梁受剪承载力。(6)基于钢纤维混凝土梁剪切数据库(SFRC-SDB)的受剪计算方法评价广泛搜集国内外钢纤维混凝土(Steel fiber reinforced concrete,SFRC)梁受剪试验数据,建立总数为941的SFRC梁剪切数据库(Shear datbase,SDB),对SFRC-SDB进行样本整体研究,分析以往试验研究重点及参数分布情况,基于SFRC-SDB详细探讨受剪承载力随各主要影响因素的变化规律,最后对现行规范和抗剪设计方法进行评价。
【学位单位】：东南大学
【学位级别】：博士
【学位年份】：2018
【中图分类】：TU37
【部分图文】：

?圓??图１－２和平大桥（首尔，韩国）??靈?■■卜?ｉｉｉｉｊ??图?１－３?Ｍａｒｓ?Ｈｉ丨丨桥（Ｗａｐｅｌｌｏ?Ｃｏｕｎｔｙ，美国）??＿＿涵??图１－４中国首座全预制拼装ＵＨＰＣ桥（长沙，中国）??此外，世界其他国家也建造了大量的ＵＨＰＣ桥梁，如德国、法国、马来西亚、日本??等。通过广泛搜集国内外ＵＨＰＣ在桥梁工程的应用案例，据不完全统计，截至２０１７年，??世界范围内共约２２１座桥梁中采用了?ＵＨＰＣ作为主承力构件或连接件［４１，６％６９］。图Ｍ为??ＵＨＰＣ在桥梁工程中应用数量统计结果，可以发现，以亚洲应用最多，所占比例为６２．４％，??美洲和欧洲各占２４．９％和１０．９％，大洋洲仅占１．８％。由图１－６可知，新世纪的前５年，??各国有少量的ＵＨＰＣ实际工程探索应用

图?１－３?Ｍａｒｓ?Ｈｉ丨丨桥（Ｗａｐｅｌｌｏ?Ｃｏｕｎｔｙ，美国）??＿＿涵??图１－４中国首座全预制拼装ＵＨＰＣ桥（长沙，中国）??此外，世界其他国家也建造了大量的ＵＨＰＣ桥梁，如德国、法国、马来西亚、日本??等。通过广泛搜集国内外ＵＨＰＣ在桥梁工程的应用案例，据不完全统计，截至２０１７年，??世界范围内共约２２１座桥梁中采用了?ＵＨＰＣ作为主承力构件或连接件［４１，６％６９］。图Ｍ为??ＵＨＰＣ在桥梁工程中应用数量统计结果，可以发现，以亚洲应用最多，所占比例为６２．４％，??美洲和欧洲各占２４．９％和１０．９％，大洋洲仅占１．８％。由图１－６可知，新世纪的前５年，??各国有少量的ＵＨＰＣ实际工程探索应用，这是由于ＵＨＰＣ制备技术和设计理论的制约。??至２００７年，掀起了一波ＵＨＰＣ工程应用热潮。２００８年，第二届ＵＨＰＣ国际会议在德国??５??

东南大学博士学位论文开后，每年都有超过１０项ＵＨＰＣ工程建造起来。??起来，近２０年来，ＵＨＰＣ在桥梁工程中的应用有主梁、桥墩、接缝、件、导梁以及维修加固等方面。其中，美洲主要以接缝和剪力连接洲主要以应用于主梁为主。总体来说，ＵＨＰＣ在土木工程中己得到一步研宄和推广。??大
【参考文献】

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本文编号：2847730