钢筋混凝土梁主动裂纹控制方法及其复合结构抗弯性能研究

摘要

论文基于主动裂纹控制方法，将高性能水泥基复合材料微钢丝纤维混凝土（micro steel fiber reinforced concrete，简称MSFRC）布置在高强钢筋混凝土梁的受拉边缘，研制了一种抗裂性能卓越的功能梯度复合梁。
　　传统的被动裂纹控制，是正常使用阶段的适用性控制，认为裂纹的产生与发展对结构的性能没有影响。主动裂纹控制是延缓结构中裂纹的出现与发展，甚至不产生裂纹，满足结构抗裂性能的要求。论文将抗拉强度高、抗变形性能好的MSFRC材料根据功能梯度材料的设想和概念，布置在钢筋混凝土结构的受拉边缘，主动的控制裂纹的产生，延缓裂纹的发展，形成控裂梯度材料。
　　论文基于强度理论和断裂力学分别设计了不同MSFRC阻裂增强层厚度的功能梯度复合梁，并对复合梁进行抗弯性能试验研究。根据抗弯性能试验中MSFRC阻裂增强层对裂纹起裂和发展过程的控制效果，确定功能梯度梁最适宜的纤维层厚度，使复合结构具备卓越抗裂性能的同时兼顾经济性。论文通过理论分析、材料基本力学性能试验、功能梯度复合结构抗弯性能试验和有限元模拟，得到如下结论:
　　①体积掺量为6％的微钢丝纤维显著提高了水泥基复合材料的力学性能。MSFRC与普通混凝土相比，立方体抗压强度提高65.9％，轴心抗压强度提高30.9％，抗折强度提高227.6％，轴心抗拉强度提高25.6％，劈裂抗拉强度提高73.8％，弹性模量提高9.3％。与普通混凝土的脆性破坏相比，MSFRC在试验破坏过程中呈现典型的塑性破坏，显著改善了水泥基材料的破坏形态。
　　②论文根据断裂力学中，内部偏心裂纹应力因子小于边裂纹裂尖应力因子，设计了MSFRC纤维层厚度为50mm的功能梯度复合梁(hf50);基于强度理论，根据MSFRC纤维层厚度与开裂弯矩之间的关系，设计MSFRC纤维层厚度为83.3mm（1/3截面高度）的功能梯度复合梁（hf83）。功能梯度复合梁hf50和hf83与普通钢筋混凝土梁相比，开裂弯矩分别提高88.9％和127.8％;极限弯矩分别提高19.5％和34.1％。hf50起裂时的第一条裂纹为内部偏心裂纹，裂纹向受拉区边缘和受压区两边发展;普通梁和hf83起裂时的第一条裂纹为边裂纹，裂纹随荷载向受压区发展。在裂纹发展前期，由于裂纹是内部偏心裂纹，复合梁hf50的阻裂增强层与复合梁hf83相比更有效的控制了裂纹宽度。在裂纹宽度为0.1mm时，复合梁hf50的承载力比普通梁提高136.1％，较复合梁hf83提高28.8％。裂纹发展后期，MSFRC阻裂增强层对裂纹控制效果显著，PT梁在屈服荷载下纯弯段5条主裂纹宽度全部大于0.20mm，最大主裂纹宽度0.26mm; hf50和hf83在屈服荷载作用下只有1～2条主裂纹宽度大于0.15mm，hf50最大主裂纹宽度0.18mm，hf83最大主裂纹宽度0.19mm。纤维阻裂增强层有效改善了高强钢筋的受力状况，降低了钢筋混凝土结构开裂后的高强钢筋应力突变。复合梁hf50改善高强钢筋应力状况的效果与复合梁hf83没有明显差别。
　　③论文采用实测微钢丝纤维混凝土本构关系，运用ANSYS有限元软件对复合梁进行数值模拟，分析计算结果表明有限元分析与试验实测结果较吻合。论文提出的功能梯度复合结构力学性能优良，具有可设计性和经济型，是一种值得探索和研究的新结构，在实际工程中具有一定的应用前景。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 选题的背景和意义

1．2 钢纤维混凝土的研究现状

1．3 水泥基功能梯度复合材料研究现状

1．4 本文的主要内容

第二章 基于主动裂纹控制方法的复合结构理论分析

2．1 钢筋混凝土复合结构主动裂纹控制方法

2．2 复合结构基于强度理论的主动裂纹控制理论分析

2．2．1 材料的应力应变关系

2．2．2 纤维层厚度与开裂弯矩的关系

2．3 复合结构基于断裂力学的主动裂纹控制理论分析

2．3．1 高体积率微钢丝纤维混凝土阻裂机理

2．3．2 阻裂增强层阻裂机理

2．4 本章小结

第三章 微钢丝纤维混凝土配合比设计和拌合物性能

3．1 试验材料

3．2 拌和方法

3．3 配合比

3．4 混凝土拌合物性能

3．4．1 试验内容

3．4．2 试验结果与分析

3．5 本章小节

第四章 微钢丝纤维混凝土基本力学性能研究

4．1 试验目的和试验内容

4．1．1 试验目的

4．1．2 试验内容

4．2 立方体抗压强度试验

4．3 轴心抗压强度试验

4．5 静力受压弹性模量试验

4．3 抗折强度试验

4．4 轴心抗拉强度试验

4．4 劈裂抗拉强度试验

4．7 混凝土与钢筋的粘结强度试验

4．8 本章小节

第五章 微钢丝纤维混凝土功能梯度复合梁抗弯性能试验研究

5．1 试验目的

5．2 试验设计

5．2．1 试验分组

5．2．2 材料和参数

5．2．3 试验梁的尺寸及配筋设计

5．2．4 试验梁制作

5．2．5 试验梁测点布置

5．2．6 加载方案设计

5．3 试验结果

5．3．4 裂纹发展过程分析

5．3．2 承载能力分析

5．3．3 变形性能的对比

5．3．5 纤维层对受力钢筋的影响

5．4 本章小节

第六章 微钢丝纤维混凝土功能梯度复合梁有限元模拟

6．1 有限元模拟的目的及内容

6．2 钢筋混凝土结构有限元分析基本理论

6．2．1 数值分析模型

6．2．2 ANSYS单元功能与特性

6．2．3 水泥基材料的破坏准则

6．3 混凝土梁有限元模型的建立

6．3．1 材料属性的确定

6．3．2 单元设置及网格划分

6．3．3 约束、加载及求解

6．4 有限元计算结果与分析

6．4．1 荷载-跨中挠度曲线对比分析

6．4．2 开裂荷载对比分析

6．4．3 极限承载力对比分析

6．4．4 钢筋受力对比分析

6．4．5 裂纹分布图对比分析

6．5 本章小结

第七章 结论与展望

7．1 主要结论

7．2 展望

致谢

参考文献

在学期间发表的论著及取得的科研成果