柔性纤维混凝土箱梁阻裂机理分析与多尺度试验研究

摘要

裂缝是混凝土箱梁常见病害，亦是长期未完全解决的技术难题。柔性纤维性能卓越，但尚未广泛用于解决混凝土箱梁开裂问题。柔性纤维混凝土相关研究和应用集中在混凝土建筑、道路工程、桥面铺装等方面。同时，现有研究在抗裂机理研究对象、细观应力应变环境差异、箱梁试验模型截面型式和尺寸等方面仍需开展大量工作。因此，有必要研究柔性纤维对混凝土箱梁的阻裂增强机理。
　　本文研究目的是揭示柔性纤维混凝土全过程阻裂机理，进一步完善并丰富柔性纤维对混凝土阻裂的理论研究;多尺度分析柔性纤维混凝土的构造与阻裂机理，将柔性纤维混凝土微、纳观构造与宏、细观力学性能联系起来，更好地理解柔性纤维混凝土的宏观抗裂性能表现;研究柔性纤维对钢筋混凝土箱梁抗裂性能的影响，并为柔性纤维混凝土的工程应用提供帮助。
　　本文主要研究内容及成果分别为:
　　(1)基于断裂力学能量理论，从混凝土裂纹孕育、发生、发展、临界、恶化、破坏等整个发展阶段，分析能量传递演变，构建柔性纤维混凝土的全过程阻裂模型，揭示柔性纤维耗能阻裂的本质。主要结论:柔性纤维对混凝土的阻裂作用，其本质是能量传递的过程。在裂纹发展的整个过程中，裂纹发展所需能量会逐步转变为纤维拔断能。
　　(2)通过聚丙烯纤维混凝土早龄期抗裂试验，研究不同掺量纤维对其抗裂性能的影响以及纤维合理掺量。通过聚丙烯纤维混凝土三维CT微观试验，研究微观尺度下不同纤维掺量的聚丙烯纤维混凝土内部构造特征。进行柔性纤维混凝土阻裂增强机理的多尺度构造分析。主要结论:纤维掺量与抗裂性能的提升正相关，纤维体积掺量0％～0.3％为宜。聚丙烯纤维整体呈三维网络空间结构，单根聚丙烯纤维的形态受水泥砂浆影响。微孔隙平均体积与纤维掺量负相关，形态主要为球形和不规则空间体。柔性纤维混凝土材料在宏观、细观、微观、纳观尺度上均有不同的结构特征，柔性纤维阻裂作用体现在宏观传导，细观受力，微观改善，纳观耗能。
　　(3)以典型铁路简支箱梁为研究对象，运用相似理论设计方案，开展完成多试验工况的柔性纤维钢筋混凝土箱梁缩尺模型试验。主要结论:柔性纤维在弹性试验工况、弹塑性试验工况以及全过程试验工况均发挥出增强结构抗裂性能的作用，降低了裂缝数量、最大宽度与总面积，并且柔性纤维阻裂作用与掺量正相关。但各试验工况柔性纤维阻裂能力不同，弹性试验工况最优，弹塑性试验工况下降，全过程试验工况再次下降。并且在全过程试验工况，低掺量纤维阻裂能力趋于一致，高掺量纤维阻裂能力更强。
　　(4)采用有限元软件，建立具有柔性纤维混凝土非线性力学特性的三维实体模型，开展柔性纤维钢筋混凝土箱梁缩尺模型数值模拟，研究柔性纤维混凝土箱梁开裂行为。主要结论:柔性纤维阻裂能力在结构弹性阶段最优，且柔性纤维掺量越高，对混凝土抗裂性能的提升越强。裂缝首先发生在底板支座处，然后发生在底板纯弯段内，并逐渐往纯弯段内腹板发展，最后发展到纯弯段以外部位。
　　研究成果对于开展复合材料改善混凝土桥梁耐久性的机理研究具有理论意义，有利于将高性能柔性纤维科学地应用于混凝土箱梁，更好地解决混凝土箱粱开裂难题。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 研究背景和意义

1．2 国内外研究现状

1．2．1 柔性纤维混凝土简介

1．2．2 柔性纤维混凝土阻裂机理研究现状

1．2．3 柔性纤维混凝土抗裂性能研究现状

1．3 本文研究目的及内容

1．3．1 研究目的

1．3．2 主要研究内容

第二章 基于断裂力学的柔性纤维混凝土阻裂机理分析

2．1 引言

2．2 断裂力学及其能量理论概述

2．3 基于能量理论的柔性纤维混凝土阻裂机理全过程分析

2．3．1 基本假设和力学模型

2．3．2 柔性纤维混凝土阻裂全过程分析

2．3．3 柔性纤维耗能阻裂分析

2．4 本章小结

第三章 柔性纤维混凝土构造与阻裂机理的多尺度试验分析

3．1 引言

3．2 聚丙烯纤维混凝土早龄期抗裂试验

3．2．1 试验目的

3．2．2 试验概况

3．2．3 试验结果及分析

3．3 聚丙烯纤维混凝土三维CT微观试验

3．3．1 试验目的

3．3．2 试验方案设计

3．3．3 试验结果及分析

3．4 柔性纤维混凝土阻裂增强机理的多尺度构造分析

3．4．1 宏观尺度分析

3．4．2 细观尺度分析

3．4．3 微观尺度分析

3．4．4 纳观尺度分析

3．5 本章小结

第四章 柔性纤维钢筋混凝土箱梁抗裂性能缩尺模型试验

4．1 引言

4．2 试验方案

4．2．1 试验目的

4．2．2 试验原型

4．2．3 模型相似理论

4．2．4 缩尺箱梁模型相似设计

4．2．5 制作与浇筑养护过程

4．2．6 加载方案设计

4．2．7 抗裂性能评定标准

4．3 试验结果及分析

4．3．1 预加载工况

4．3．2 弹性试验工况

4．3．3 弹塑性试验工况

4．3．4 全过程试验工况

4．4 本章小结

第五章 柔性纤维钢筋混凝土箱梁开裂行为缩尺模型数值模拟

5．1 引言

5．2 裂缝模拟理论与方法

5．2．1 混凝土受拉行为

5．2．2 裂缝模拟模型

5．3 数值模型建立

5．3．1 网格划分

5．3．2 定义材料特性

5．3．3 边界条件和施加荷载

5．3．4 分析工况

5．4 数值结果分析

5．4．1 裂缝模拟结果评定标准

5．4．2 模拟结果及分析

5．5 本章小结

第六章 结论与展望

6．1 主要结论

6．2 展望

致谢

参考文献

在学期间发表的论文和取得的学术成果