FRP增强ECC梁及ECC/混凝土组合梁抗剪性能研究

摘要

ECC是一种具有超高韧性和良好裂缝控制能力的纤维增强水泥基复合材料，在2％的纤维体积掺量下其极限拉伸应变达到2％～6％，具有假应变硬化特性和多裂缝开裂机制。ECC在抗剪方面也具有良好的性能，剪切强度和延性都远优于混凝土，能够有效改善混凝土结构剪切破坏脆性严重的问题。而FRP材料具有轻质、高强、耐腐蚀和施工性能好等特点，将其与ECC结合，能够为严酷环境下结构耐久性问题提供可行的解决方案。由于ECC材料相比混凝土成本较高，将ECC与混凝土浇筑成ECC/RC组合梁可以达到较高的性价比。本文对FRP增强ECC梁及ECC/混凝土组合梁抗剪性能进行了试验、数值模拟和理论三个方面的研究。
　　采用Ohno剪切梁对3种不同强度等级的PVA-ECC进行了的剪切本构测量试验，并提出了简化的ECC剪切本构模型。试验发现，混凝土材料的剪切应力-应变曲线为线弹性，没有塑性段，而ECC表现出双折线的曲线形状，并且具有“应变硬化”的特性。依据试验提出的ECC简化剪切本构模型与试验结果基本吻合，能够体现ECC的受剪特性。
　　基于基体材料、配箍率、剪跨比3个控制参数，对6根BFRP增强ECC梁、2根ECC/RC组合梁和1根混凝土梁进行了四点弯静载抗剪性能试验。试验发现，对于组合梁，梁下部组合ECC对抗剪性能提升效率高于在梁上部组合ECC。下部ECC层厚度为梁高30％时，组合梁能达到全ECC梁剪切性能的95％。对于ECC梁，配箍率为0.24％和0.32％为较合理的设计，过高的配箍率不仅不能提高ECC梁的抗剪承载力，还会加剧构件剪切破坏时的脆性。剪跨比为2.5左右时，ECC梁的抗剪承载能力较高，延性也较好。
　　基于ATENA有限元软件，对BFRP增强ECC梁、ECC/RC组合梁和混凝土梁的抗剪性能进行了非线性有限元分析，得到的荷载-位移曲线与试验吻合较好。然后，进一步分析了剪跨比、ECC层位置与厚度和ECC拉伸性能对构件剪切性能的影响。模拟结果表明，剪跨比从2.08增大到3.21，BFRP增强ECC梁的破坏模式从剪压破坏转变为剪拉破坏，最后转变为弯曲破坏。对组合梁，在梁顶部组合ECC能大幅提升梁的变形性能，构件受剪性能与ECC厚度关系不明显。在梁底组合ECC时，组合梁的受剪承载能力和变形性能都能够得到提高，ECC厚度越大，梁剪切性能提升越大。ECC的单轴拉伸性能对ECC梁抗剪性能有重要影响。但峰值拉应变达到3％后，再继续增大峰值拉应变，梁的剪切性能基本不增加。
　　基于桁架-拱抗剪理论模型，依据ECC材料的特性加入ECC在斜裂缝处的抗拉强度对抗剪承载力的贡献，提出了RECC梁抗剪承载力计算公式，并与试验结果进行了对比。对比结果表明，计算公式能够较好地预测配箍RECC梁的抗剪承载力。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 研究背景

1．2 国内外研究现状

1．2．1 国外方面

1．2．2 国内方面

1．3 ECC的工程应用概况

1．3．1 ECC材料在高层抗震结构中的应用

1．3．2 ECC材料在桥梁中的应用

1．3．3 ECC材料在结构修复加固中的应用

1．4 本文的研究意义及主要研究内容

1．4．1 研究意义

1．4．2 主要研究工作

参考文献

第二章 PVA-ECC剪切本构关系试验研究

2．1 试验方案

2．1．1 材料性质

2．1．2 试件设计

2．1．3 加载装置与测量方案

2．2 试验现象

2．2．1 普通混凝土试件

2．2．2 ECC试件

2．3 荷载-位移曲线

2．3．1 曲线形状对比分析

2．3．2 荷载-位移曲线量化分析

2．4 剪切本构

2．4．1 剪切应力-应变关系曲线

2．4．2 曲线量化分析

2．4．3 PVA-ECC简化剪切本构模型

2．5 本章小结

参考文献

第三章 BFRP增强ECC及ECC／RC组合梁抗剪性能试验研究

3．1 试验方案

3．1．1 材料性质

3．1．2 试件设计

3．1．3 加载装置与方案

3．2 试验现象和破坏模式

3．2．1 材料参数系列

3．2．2 配箍率参数系列

3．2．3 剪跨比参数系列

3．3 荷载-位移曲线分析

3．3．1 材料参数系列

3．3．2 配箍率参数系列

3．3．3 剪跨比参数系列

3．4 承载力及延性分析

3．4．1 材料参数系列

3．4．2 配箍率参数系列

3．4．3 剪跨比参数系列

3．5 箍筋应变分析

3．5．1 材料参数系列

3．5．2 配箍率参数系列

3．5．3 剪跨比参数系列

3．6 本章小结

参考文献

第四章 BFRP增强ECC及ECC／RC组合梁抗剪性能数值分析

4．1 ATENA软件介绍

4．2 材料本构模型

4．2．1 混凝土本构模型

4．2．2 ECC本构模型

4．2．3 筋材本构模型

4．3 模型的建立

4．4 数值模拟结果与分析

4．4．1 数值模拟结果与试验数据对比

4．4．2 数值模拟结果对比分析

4．5 FRP增强ECC梁及ECC／RC组合梁受剪性能参数分析

4．5．1 剪跨比对FRP增强ECC梁受剪性能的影响

4．5．2 ECC增强层厚度及位置对FRP增强ECC／RC组合梁受剪性能的影响

4．5．3 ECC材料单轴拉伸性能对FRP增强ECC梁受剪性能的影响

4．6 本章小结

参考文献

第五章 基于桁架-拱模型的RECC梁受剪计算模型研究

5．1 国内外ECC梁受剪模型研究现状简介

5．2 基于桁架-拱模型的ECC梁受剪计算模型基本假定

5．3 桁架模型

5．3．1 简化桁架模型

5．3．2 受压调整系数

5．3．3 桁架模型的抗剪贡献计算

5．4 拱模型

5．4．1 简化拱模型

5．4．2 拱模型中ECC的受压区高度

5．4．3 拱模型的抗剪贡献计算

5．5 模型参数的确定

5．5．1 ECC抗压强度的选取

5．5．2 ECC的有效抗压强度

5．5．3 桁架模型的斜压角

5．6 桁架-拱模型计算公式及结算结果对比

5．6．1 桁架-拱模型计算公式

5．6．2 桁架-拱模型计算公式结算结果与试验值对比

5．7 本章小结

参考文献

第六章 结论与展望

6．1 结论

6．2 展望

致谢

攻读硕士学位期间发表的论文