高强细晶粒钢筋与纤维增强水泥基复合材料在新型大跨度防护结构中的应用研究

摘要

防护工程要承受巨大的冲击荷载，导致防护构件的截面较大，影响平时使用。为保证净高，结构通常采用井字梁楼盖、普通钢筋混凝土扁梁加平板楼盖、普通钢筋混凝土无梁楼盖或无粘结预应力混凝土无梁楼盖这几种型式，但这会带来施工上的不便和造价的提高。高强细晶粒钢筋HRBF500(抗拉强度≥500MPa)以及纤维增强水泥基复合材料FRCC(抗压强度≥100MPa)是土木工程领域极具应用前景的新型建筑材料，具有强度高、延性好等特点。用高强细晶粒钢筋增强FRCC，可形成一种新型的配筋水泥基结构，在提高强度的同时增大结构延性，从而减轻结构自重，提高结构承载力，实现防护工程的大跨度和大空间。
　　 本文对高强细晶粒钢筋HRBF500和纤维增强水泥基复合材料FRCC在大跨度防护工程中的应用展开研究，包括材料性能研究、构件力学性能研究和结构体系受力性能研究三个方面，具体内容如下:
　　 (1)研究纤维增强水泥基复合材料FRCC(包含聚乙烯醇纤维PVA增强的PFRCC和钢纤维增强的SFRCC两种)的制备工艺及材料性能，包括抗拉强度、抗压强度、弹性模量、极限拉应变、压应变和不同养护制度制备工艺对其强度的影响，并建立受压（拉）应力—应变全曲线方程。通过养护制度对FRCC强度的影响研究发现，蒸汽养护并非FRCC实现高强度的必要条件，采用标准养护制度，90天龄期时，FRCC能够达到设计要求的抗压强度和抗折强度，这一点与普通混凝土相比是不同的。
　　 (2)研究高强细晶粒钢筋HRBF500的材料性能，主要参数包括抗拉强度、弹性模量和极限拉应变，并给出其应力—应变关系曲线。试验结果表明HRBF500不但具有较高的抗拉强度，而且保持了普通低碳钢的屈服台阶，具有大流变，大延伸率的特点，有别于高强高碳钢。
　　 (3)设计制作2个HRBF500/FRCC轴心受压空心柱和8个HRBF500/FRCC偏心受压空心柱，研究了纤维、配筋率、空心率和偏心距对构件荷载—位移曲线、荷载—钢筋应变及荷载—水泥基材应变曲线的影响。试验结果表明HRBF500/FRCC受压空心构件具有较高的承载能力和极限变形能力，HRBF500和FRCC两种新材料变形协调良好，满足平截面假定。以条带法为基础，给出偏心空心柱在不同条件下受压荷载—位移计算曲线并与试验曲线对比;推导HRBF500/FRCC受压构件相关公式并对本试验的Mu-Nu的相关曲线数据进行拟合，并同理想Mu-Nu相关曲线进行对比，二者吻合度较高。
　　 (4)模拟单建式防护结构和附建式防护结构，共制作了5榀HRBF500/FRCC防护框架与4榀HRB335/C30对比框架进全过程等效静力试验，研究不同材料和不同工况下防护框架的荷载—位移曲线、荷载—钢筋应变及荷载—水泥基材应变曲线。试验结果表明，在相同受弯承载力条件下，HRBF500/FRCC防护框架与HRB335/C30防护框架相比，梁高减小27％，柱截面减小55％。HRBF500/FRCC防护框架破坏时挠度较大，延性比较高，接近6。跨中极限变形达到了跨径的1/25～1/27，其支座弹塑性极限转角试验值要大于普通防护框架梁，这种新材料框架结构在满足承载力极限状态的前提下具有良好的延性和极限变形能力。而普通防护框架结构虽然满足承载力极限状态要求，但是延性和极限变形能力较小。在相同受剪承载力条件下，HRBF500/FRCC防护框架梁截面小，破坏形式体现出弯剪的特征，依旧出现较大变形，具有一定的延性，而普通防护框架梁截面较大，破坏形式体现出明显的剪切特征，变形较小，属于脆性破坏。
　　 (5)建立新型及普通防护框架有限元模型，研究两类防护框架在不同工况下应力分布、荷载—位移曲线、裂缝分布情况，通过与试验值及计算值对比发现，该模型能够较为准确地预测防护框架的受荷行为与破坏状态;应用条带法研究防护框架弯矩—曲率(M-(o)）关系、荷载—挠度（P-f)曲线和等效塑性区长度，并与试验值及有限元对比，三者较为吻合，以该数值方法为基础，延伸分析截面、配筋率、混凝土强度及极限压应变对上述关系的影响。基于上述研究结果，给出防护框架延性比计算值，研究不同条件下延性比相关性。以软化桁架理论为基础，进行防护框架梁斜截面抗剪承载能力全过程分析，并与规范值和试验值对比，软化桁架理论计算值更接近试验值。
　　 (6)进行HRBF500/FRCC人防框架结构试点工程试验，采用SATWE结构空间有限元分析设计软件和ETABS通用结构分析与设计软件对HRBF500/FRCC试点工程结构进行设计计算，并对两类软件的计算结果进行比较。对试点区现有和原有结构施工图比较发现:防护框架梁在梁高减小27％的情况下，纵向钢筋用量基本持平，配箍率增加较大;防护框架柱在截面面积不变的情况下，纵向钢筋用量减少55％，现有施工图在材料用量上的减少明显。完成现场的材料配制和施工组织并进行技术经济分析，将新材料应用于实际工程。
　　 通过上述试验研究、理论研究及试点工程应用可以看出，在防护结构体系中应用HRBF500/FRCC可以有效提高防护框架结构的受弯和受剪性能，提高防护结构延性，预计可以满足战时的安全性和低损伤性要求，HRBF500高强细晶粒钢筋和FRCC这两种高新材料的结合，在防护工程中具有较高的推广价值。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 FRCC和HRBF500

1．2 FRCC

1．2．1 FRCC的材料组成

1．2．2 FRCC的主要性能

1．2．3 FRCC的研究现状

1．2．4 FRCC的工程应用

1．3 高强细晶粒钢筋

1．3．1 高强细晶钢制备和技术进展

1．3．2 高强细晶钢的评级和开发

1．3．3 高强细晶钢HRBF500的主要性能

1．3．4 高强细晶钢在防护工程中的应用意义

1．4 FRCC和HRBF500的应用研究前景

1．5 研究内容及意义

1．5．1 主要研究内容

1．5．2 技术路线

1．5．3 关键技术

1．5．4 创新点

参考文献

第二章 FRCC制备及高强细晶粒钢筋材性试验研究

2．1 FRCC材性试验

2．1．1 FRCC材料组份分析及关键技术

2．1．2 材料制备

2．1．3 试验设备要求

2．1．4 制备工艺

2．1．5 FRCC单轴受压全曲线试验

2．1．6 FRCC单轴抗拉全曲线试验

2．1．7 FRCC本构关系

2．1．8 FRCC养护制度和纤维掺量的研究

2．2 HRBF500材性试验

2．2．1 拉伸试验

2．2．2 拉伸对比试验

2．2．3 HRBF500本构关系

2．3 本章小结

参考文献

第三章 HRBF500／FRCC空心柱受压试验研究

3．1 试验概况

3．1．1 柱设计

3．1．2 FRCC制备及高强细晶粒钢筋

3．2 实验方法与测试元器件布置

3．2．1 主要试验设备

3．2．2 试验加载装置

3．2．3 加载制度与步骤

3．3 材料特性

3．4 HRBF500／FRCC空心柱受压试验结果及分析

3．4．1 试验现象

3．4．2 荷载—变形曲线

3．4．3 荷载—钢筋应变

3．4．4 荷载—水泥基材应变

3．4．5 结果分析

3．4．6 平截面假定的验证

3．5 HRBF500／FRCC空心柱轴心受压理论分析

3．5．1 基本关系

3．5．2 应力和变形分析

3．5．3 中美规范轴心受压承载力计算公式

3．5．4 试验和计算结果分析

3．6 HRBF500／FRCC空心柱偏心受压理论分析

3．6．1 基本关系

3．6．2 分析步骤

3．7 HRBF500／FRCC空心柱偏心受压承载力计算

3．7．1 偏心受压构件二阶效应的计算

3．7．2 大、小偏心受压柱承载力计算

3．7．3 试验和计算结果分析

3．7．4 试验值与普通钢筋混凝土柱理论值比较

3．8 HRBF500／FRCC空心柱偏心受压Mu-Nu相关方程和曲线

3．8．1 大偏心受压状态下的Mu-Nu相关方程

3．8．2 小偏心受压状态下的Mu-Nu相关方程

3．8．3 Mu-Nu实测数据点拟合曲线与理想曲线的对比

3．9 本章小结

参考文献

第四章 HRBF500／FRCC防护框架试验研究

4．1 试件设计与制作

4．1．1 试验框架设计

4．1．2 单建式框架(考虑边跨荷载，弯曲破坏)

4．1．3 附建式框架(考虑边跨荷载，弯曲破坏)

4．1．4 单建式框架(考虑边跨荷载，剪切破坏)

4．1．5 附建式框架(考虑边跨荷载，剪切破坏)

4．1．6 附建式框架(不考虑边跨荷载，弯曲破坏)

4．1．7 钢筋及检测

4．1．8 水泥基材料及检测

4．2 加载方案与加载过程

4．2．1 加载装置和测试内容

4．2．2 加载程序

4．2．3 加载方式及破坏标准

4．2．4 测试点布置

4．3 防护框架试验结果及分析

4．3．1 试验现象

4．3．2 荷载—位移曲线

4．3．3 框架梁荷载—钢筋应变

4．3．4 框架粱荷载—水泥基材应变

4．3．5 框架柱荷载—钢筋应变

4．3．6 框架柱荷载—水泥基材应变

4．3．7 加载、卸载荷载—位移曲线

4．3．8 其他

4．4 本章小结

参考文献

第五章 HRBF500／FRCC防护框架理论研究

5．1 防护框架梁受弯承载力计算

5．1．1 防护框架应力分析

5．1．2 防护框架有限元分析

5．1．3 全截面应力理论计算

5．1．4 防护框架弯矩—曲率(M-φ)关系

5．1．5 防护框架荷载—挠度(P-δ)关系

5．1．6 防护框架粱等效塑性铰区长度

5．1．7 防护框架梁裂缝研究

5．2 等效静载下的延性

5．2．1 延性的概念和意义

5．2．2 延性比的定义

5．2．3 延性比的计算

5．3 防护框架梁抗剪承载力研究

5．3．1 基于软化桁架理论的抗剪承载力分析

5．3．2 软化桁架理论模型计算

5．3．3 基于规范的抗剪承载力分析

5．3．4 防护框架粱弯剪段规范公式改进

5．4 防护框架设计优化模型

5．5 本章小结

参考文献

第六章 HRBF500／FRCC在大跨度防护工程中的应用

6．1 防护结构概念

6．2 防护等级

6．3 防护工程结构设计理论

6．3．1 防护工程“失效”的概念

6．3．2 防护结构设计的极限状态

6．3．3 防护结构设计的特点

6．4 试点防护工程简介

6．5 试点区域选择和方案设计

6．5．1 区域选择

6．5．2 结构方案设计

6．6 试点区结构设计

6．6．1 材料强度设计取值

6．6．2 材料强度综合调整系数γd

6．6．3 弹性模量

6．6．4 计算软件选取

6．6．5 两种软件结果比较

6．6．6 施工图比较

6．7 试点区施工

6．7．1 材料验收

6．7．2 现场施工

6．8 经济性分析

6．9 本章小结

参考文献

第七章 结论与展望

7．1 主要结论

7．2 今后研究工作展望

作者在攻读博士学位期间发表的论文

致谢