柔性纤维混凝土箱梁力学性能与破坏特征研究

摘要

随机分散的短切柔性纤维对混凝土具有阻裂作用，可以改善其力学性能与破坏特征。关于柔性纤维对混凝土各项力学性能的影响已有许多研究，并取得重要成果[1-4]。但目前柔性纤维在铁路混凝土箱梁桥上的应用研究尚少见。因此，有必要研究掺加柔性纤维的混凝土箱梁力学性能与破坏特征。
　　本文研究目的是:掌握柔性纤维混凝土的力学性能;通过高速摄像观测试验，阐明纤维混凝土的破坏特征;开展缩尺箱梁模型试验，揭示柔性纤维混凝土箱梁力学性能，量化纤维对混凝土箱梁的增强效果。
　　本文以典型铁路简支箱梁为原型开展研究，主要研究内容及成果分别为:
　　(1)分析了经典纤维混凝土增强理论，并用ABAQUS模拟一个400mm×200mm×1mm的有限宽板Ⅰ型裂纹有限元模型，在相同受力情况下分析其在有纤维和无纤维时的应力强度因子和应变能释放率，验证其与理论值是否吻合。主要结论:裂纹在穿过柔性纤维时，柔性纤维能有效减小裂纹前端总应力强度因子，从而抑制裂纹继续扩展;数值结果表明有纤维时的应变能释放率仅为无纤维时的79％，说明纤维可以有效减小用于产生新裂纹面增量的能量，从而有效提高混凝土抗拉强度等力学性能。
　　(2)研究C55混凝土在按同一掺量掺入不同种类柔性纤维、以及按同一纤维的不同掺量掺入时的力学性能改变情况，并用高速摄像机记录其破坏过程。主要结论:柔性纤维对混凝土抗压强度提高虽有限，但使混凝土受压破坏时基本保持原形状而非完全碎裂散开;柔性纤维可有效提高混凝土的抗折、轴心抗拉和抗劈裂抗拉强度，其中聚丙烯纤维较聚乙烯醇和玄武岩纤维更有利于混凝土抗折强度的提高。
　　(3)基于相似原理，制作4片C55聚丙烯纤维钢筋混凝土箱梁缩尺模型，其中一片箱梁为对比用的素混凝土，另外三片箱梁分别按其所占混凝土体积的0.1％、0.2％、0.3％掺入聚丙烯纤维，养护一个月后对箱梁进行力加载，采集箱梁跨中应变、挠度等数据。主要结论:掺入聚丙烯纤维可以提高钢筋混凝土箱梁的整体刚度，特别是在较高的荷载状态下，可以大幅提高箱梁抵抗挠度的能力;在相同受荷下，跨中底板的横向应变值随着纤维掺量增加而增大，且在弹塑性阶段特别是接近破坏时表现尤为明显，说明柔性纤维能有效提高混凝土箱梁的塑性变形能力。
　　(4)基于缩尺模型箱梁试验，利用Midas/FEA建立钢筋混凝土缩尺箱梁有限元模型，按总应变原理进行非线性分析。主要结论:①相同加荷条件下，掺入柔性纤维后跨中挠度变小;②掺入柔性纤维能有效提高钢筋混凝土箱梁的承载能力;③纤维的掺入可增加箱梁的纵向刚度和横向刚度;④掺入纤维，可以减少钢筋混凝土箱梁的挠度变形。
　　本文研究成果对于开展高性能材料提高混凝土桥梁耐久性机理研究具有理论意义;有利于将柔性纤维科学的应用于混凝土箱梁，具有应用价值。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 研究必要性和意义

1．2 国内外研究现状

1．2．1 纤维混凝土研究现状

1．2．2 纤维混凝土箱梁研究现状

1．2．3 现有研究尚未解决的问题

1．3 研究目的与内容

1．3．1 研究目的

1．3．2 主要研究内容

第二章 柔性纤维混凝土增强理论与数值分析

2．1 引言

2．2 纤维混凝土增强理论

2．2．1 纤维间距理论

2．2．2 复合力学理论

2．2．3 应力强度因子叠加理论

2．3 有限宽板裂纹有限元模型分析

2．3．1 分析示例

2．3．2 有限元数值模型

2．3．3 计算结果分析

2．4 本章小结

第三章 柔性纤维混凝土力学性能与破坏特征试验

3．1 引言

3．2 基于高速摄像的柔性纤维混凝土抗压强度试验

3．2．1 试验材料及试验方案

3．2．2 试验设备及试验过程

3．2．3 试验结果分析

3．3 基于高速摄像的柔性纤维混凝土抗折强度试验

3．3．1 试验材料及试验方案

3．3．2 试验设备及试验过程

3．3．3 试验结果分析

3．4 柔性纤维混凝土轴心抗拉试验

3．4．1 试验材料及试验方案

3．4．2 试验设备及试验过程

3．4．3 试验结果分析

3．5 柔性纤维混凝土劈裂抗拉试验

3．5．1 试验材料及试验方案

3．5．2 试验设备及试验过程

3．5．3 试验结果分析

3．6 本章小结

第四章 柔性纤维钢筋混凝土箱梁力学-|生能缩尺模型试验

4．1 引言

4．2 缩尺模型设计方案

4．2．1 模型相似理论

4．2．2 缩尺模型尺寸确定

4．2．3 缩尺模型配筋和配合比方案

4．3 试验方案

4．3．1 缩尺模型梁制作与养护

4．3．2 设备布置及数据采集方案

4．3．3 加载方案

4．4 试验结果分析

4．4．1 缩尺箱梁挠度分析

4．4．2 缩尺箱梁应变分析

4．5 本章小结

第五章 柔性纤维钢筋混凝土箱梁破坏全过程数值模拟

5．1 引言

5．2 缩尺梁数值模型建立

5．2．1 缩尺箱梁模型尺寸

5．2．2 建模方法与步骤

5．3 数值模型验证

5．4 数值计算结果分析

5．4．1 承载能力

5．4．2 纵向应变分析

5．4．3 横向应变分析

5．4．4 竖向挠度分析

5．4．5 破坏特征

5．5 本章小结

第六章 柔性纤维对混凝土箱梁力学性能增强效果评价

6．1 引言

6．2 柔性纤维对混凝土各力学性能的增强效果

6．2．1 柔性纤维对混凝土抗压强度的影响

6．2．2 柔性纤维对混凝土抗折强度的影响

6．2．3 柔性纤维对混凝土轴心抗拉强度的影响

6．2．4 柔性纤维对混凝土劈裂抗拉强度的影响

6．3 柔性纤维对混凝土箱梁的增强效果

6．3．1 柔性纤维对混凝土箱梁局部强度的影响

6．3．2 柔性纤维对混凝土箱梁整体强度的影响

6．4 本章小结

7．1 主要结论

7．2 展望

致谢

参考文献

攻读学位期间取得的研究成果及参与项目