钢筋混凝土结构的裂纹控制思想与结构设计新方法

摘要

大量室内实验与工程实践表明，普通钢筋混凝土结构的使用性能不佳和适用范围受限与裂纹不加限制地发展有着直接关系，要想改善普通钢筋混凝土结构的使用性能，就必须寻求有效的裂纹控制方法。传统预应力结构从“抗”的角度出发，即对混凝土施加预应力，成功解决了普通钢筋混凝土结构存在的问题，使得钢筋混凝土结构能够设计成不开裂的形式。目前，大中跨径的钢筋混凝土结构无一例外的选择预应力形式。 国家自然科学基金项目“基于断裂力学原理的钢筋混凝土复合新结构设计理论研究”在有别于传统裂纹控制思想的基础上提出了“阻”与“放”的思想，并基于这两种裂纹控制思想，提出了含阻裂增强层的复合钢筋混凝土结构与“放”“阻”结合的复合钢筋混凝土结构。 项目组前期针对受力钢筋为普通钢筋的两种新结构进行了理论分析与大量的实验研究，实验结果表明，含阻裂增强层的复合钢筋混凝土结构与“放”“阻”结合的复合钢筋混凝土结构同普通钢筋混凝土结构相比，抗裂性能更好、结构刚度与极限承载力显著提高，抗剪能力增强。 本文针对受力钢筋为高强钢筋的两种新结构进行了实验研究，实验结果同样表明，含阻裂增强层的复合钢筋混凝土结构与“放”“阻”结合的复合钢筋混凝土结构较普通钢筋混凝土结构具有更好的使用性能。同时本文还进行了含阻裂增强层的复合钢筋混凝土梁的受力全过程非线性有限元分析。 此外，本文结合传统的“抗”的思想，提出了“放”“抗”结合的钢筋混凝土结构与“放”“阻”“抗”结合的复合钢筋混凝土结构，并针对这两种新结构进行了实验研究。理论分析与实验证实，“放”“抗”结合的钢筋混凝土结构与“放”“阻”“抗”结合的复合钢筋混凝土结构从根本上解决了普通钢筋混凝土结构抗裂能力的不足，极大提高了结构的开裂荷载，在使用荷载作用阶段完全可以设计成不开裂的形式。在改善结构抗裂性能的同时，也提高了刚度，增加了耐久性。并且，“放”“抗”结合的钢筋混凝土结构与“放”“阻”“抗”结合的复合钢筋混凝土结构在不降低使用性能的条件下，较普通钢筋混凝土结构简化了施工工序与计算过程；预应力损失更小；构件开裂后，裂纹数量多，发展缓慢，克服了传统预应力结构开裂后使用性能急剧降低、裂纹发展迅速、破坏毫无征兆的缺点。 本文提出的三种裂纹控制思想与四种新结构为钢筋混凝土结构的设计与发展提供了新的思路与方法，具有重大的理论价值与实用价值。

目录

文摘

英文文摘

声明

第一章绪论

1.1钢筋混凝土结构的发展简史

1.2钢筋混凝土受弯构件的破坏过程分析

1.3裂纹对钢筋混凝土结构使用性能的影响

1.3.1裂纹在钢筋混凝土结构中存在的必然性

1.3.2裂纹不加限制地发展对钢筋混凝土结构使用性能的劣化

1.4线弹性断裂力学简介

1.4.1线弹性断裂力学发展简史

1.4.2线弹性断裂力学基本原理

1.4.3线弹性断裂力学在混凝土结构工程中的应用

1.5钢筋混凝土结构的裂纹那控制方法

1.6含阻裂增强层的复合钢筋混凝土结构简介

1.6.1含阻裂增强层的复合钢筋混凝土结构的力学性能

1.6.2含阻裂增强层的复合钢筋混凝土结构的研究进展

1.7“放”“阻”结合的复合钢筋混凝土结构简介

1.8本文的主要工作

第二章含阻裂增强层的复合钢筋混凝土结构

2.1钢筋混凝土结构“阻”的裂纹控制思想

2.2含阻裂增强层的复合钢筋混凝土结构

2.2.1阻裂增强层的阻裂机理

2.2.2含阻裂增强层的复合钢筋混凝土结构的设计

2.2.3新结构与旧结构加固的不同

2.3复合钢筋混凝土结构的实验研究

2.3.1实验梁的制作

2.3.2材料的力学性能

2.3.3应变片的布置

2.3.4实验梁的加载方案

2.3.5实验数据的采集

2.3.6实验设计

2.4实验结果及分析

2.4.1普通梁的受力全过程分析

2.4.2复合梁的受力全过程分析

2.4.3荷载——跨中位移曲线

2.4.4开裂荷载与极限承载力

2.4.5跨中位移和延性

2.4.6裂纹开展分布情况

2.4.7二次承载能力

2.4.8平截面假定及混凝土应变分析

2.4.9钢筋及玻纤维应变分析

2.4.10破坏模式

2.5存在的问题

2.6本章小结

第三章含阻裂增强层的复合钢筋混凝土结构的有限元分析

3.1引言

3.2单元类型的选取

3.2.1钢筋混凝土结构有限元模型

3.2.2混凝土单——Solid65单元

3.2.3钢筋单元——Link8单元

3.2.4 GFRP单元——Solid41单元

3.3材料属性的确定

3.3.1混凝土本构关系

3.3.2混凝土多参数强度准则

3.3.3钢筋应力-应变曲线

3.3.4 GFRP应力-应变曲线

3.4有限元计算中的非线性求解

3.4.1平衡迭代过程

3.4.2收敛准则

3.4.3荷载布大小

3.5梁的设计参数及有限元模型的建立

3.6有限元模型计算结果分析

3.6.1荷载——跨中位移曲线

3.6.2荷载——应变曲线

3.6.3开裂荷载与极限承载力

3.6.4裂纹的发展趋势

3.6.5破坏模式

3.7本章小结

第四章“放”“阻”结合的复合钢筋混凝土结构

4.1引言

4.2普通梁与复合梁的变形性能分析

4.3钢筋混凝土结构“放”的裂纹控制思想

4.3.1混凝土材料的微观裂纹与宏观裂纹

4.3.2预应力结构的发展历程

4.3.3对释放裂纹的控制

4.3.4“放”的裂纹控制思想的提出

4.4 “放”“阻“结合的复合钢筋混凝土结构

4.4.1“放”“阻”结合的复合钢筋混凝土结构的提出

4.4.2“放”“阻”结合的复合钢筋混凝土结构的设计

4.5 “放”“阻”结合的复合钢筋混凝土结构的实验研究

4.5.1实验设计

4.5.2实验梁的制作

4.6实验结果及数据分析

4.6.1荷载——跨中位移曲线

4.6.2跨中位移

4.6.3开裂荷载

4.6.4极限承载力

4.6.5裂纹开展分情况

4.6.6混凝土、钢筋及玻纤维应变分析

4.7 40m超大跨径的“放”“阻”结合的复合钢筋混凝土梁的现场实验

4.7.1“放”“阻”结合的复合钢筋混凝土梁的施工

4.7.2“放”“阻”结合的复合钢筋混凝土梁的力学性能

4.8本章小结

第五章“放”“抗”结合的钢筋混凝土结构与“放”“阻”“抗”结合的复合钢筋混凝土结构

5.1钢筋混凝土结构“抗”的裂纹控制思想

5.2“抗”的裂纹控制思想在传统预应力结构中的实现

5.3“放”“抗”结合的钢筋混凝土结构与“放”“阻”“抗”结合的复合钢筋混凝土结构

5.3.1“抗”裂思想在两种结构中的实现

5.3.2“放”“抗”结合的钢筋混凝土结构与“放”“阻”“抗”结合的复合钢筋混凝土结构的设计

5.4“放”“抗”结合的钢筋混凝土结构与“放”“阻”“抗”结合的复合钢筋混凝土结构的实验研究

5.4.1实验设计

5.4.2实验梁的制作

5.4.3实验梁的加载方案

5.5实验数据及结果分析

5.5.1荷载——跨中位移曲线

5.5.2跨中位移

5.5.3开裂荷载

5.5.4极限承载力

5.5.5裂纹开展分布情况

5.5.6凝土、钢筋及GFRP应变分析

5.5.7破坏特征分析

5.5.8实验结论

5.6“放”“抗”结合的钢筋混凝土结构与“放”“阻”“抗”结合的复合钢筋混凝土结构的特点

5.6.1与普通钢筋混凝土结构的对比

5.6.2与传统预应力结构的对比

5.7“放”“抗”结合的钢筋混凝土结构与“放”“阻”“抗”结合的复合钢筋混凝土结构的预拱度的设置

5.8本章小结

结束语

参考文献

致谢

附录：攻读硕士学位期间参与的科研项目及发表的论文