钢筋纤维自密实混凝土梁受弯承载力与裂缝研究

发布时间：2018-09-17 10:54

【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50 kg/m3钢纤维替代等效质量掺量为22 kg/m3的钢筋,但在配筋率为0.96%的情况下,用50 kg/m3钢纤维不能替代等效质量掺量为15.6 kg/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。
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【学位授予单位】：大连理工大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：U454

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