配筋超高韧性水泥基复合材料梁弯曲性能分析

摘要

与普通的混凝土相比，UHTCC具有优异的裂缝控制能力、耗能能力和变形能力，这些特性使其在提高结构抗震性能和结构耐久性能的应用研究方面都有显著的优势。本文对钢筋增强超高韧性水泥基复合材料梁（即RUHTCC梁）的弯曲性能包括正截面承载力、弯曲变形、塑性转动及韧性进行了研究，主要工作和结论如下:
　　1.依据截面受压区应力等效矩形简化方法，给出了UHTCC材料双线性模型和非线性模型对应的应力等效参数α和截面受压区高度等效参数β的计算公式，讨论它们的差异。与RUHTCC梁四点弯曲试验结果对比，确定了UHTCC材料非线性单轴受压模型在正截面承载力设计理论中使用的合理性。
　　2.在RUHTCC梁正截面承载力分析中，引入受压区高度增大系数η，量化计算了受拉钢筋和UHTCC从加载到受压区压溃破坏整个受力过程中的承载力贡献。研究UHTCC抗弯贡献与配筋率的关系，发现当ρ/ρb＞0.45时，可不计入UHTCC抗拉作用，梁正截面的极限承载力可仅由受拉钢筋提供。否则，需同时考虑UHTCC和受拉钢筋的抗弯贡献。
　　3.根据力的平衡原理，计算了RUHTCC梁在钢筋屈服时刻考虑UHTCC抗拉作用的截面惯性矩Icr1和完全忽略UHTCC抗拉作用的截面惯性矩Icr0，研究了Icr1和Icr0随配筋率的变化。发现，当ρ/ρb≥0.459时，可忽略截面受拉区UHTCC对惯性矩的贡献。否则，需考虑受拉区UHTCC对截面刚度的贡献。
　　4.采用适用于传统钢筋混凝土梁的8种有效惯性矩表达式，计算了不同配筋率RUHTCC梁在各级荷载水平下的有效惯性矩值。与RUHTCC梁四点弯曲试验结果比较，发现考虑梁开裂区域长度影响的有效惯性矩表达式Ie8最能反映RUHTCC梁从受力到纵向钢筋屈服这一过程中的刚度变化。利用Ie8表达式计算了RUHTCC梁在正常使用阶段的跨中挠度，与试验结果吻合较好。
　　5.提出简化双线性θ～δ模型来表示RUHTCC梁的跨中挠度δ与弯曲转角θ的关系，讨论了RUHTCC梁极限时刻的弹性转动能力和塑性转动能力。分析表明，随配筋率增大，塑性转动能力呈指数趋势降低，弹性转动能力表现出线性增加的趋势。当ρ/ρb＞0.35时，弹性转动能力高于塑性转动能力。为了充分发挥UHTCC的非线性变形能力以提供足够的延性，RUHTCC受弯构件在结构设计时必须满足一定的配筋率限值要求。
　　6.基于简化双线性θ～δ模型，提出了一个新的衡量RUHTCC梁延性的无量纲参数PRC，研究了其配筋率的变化。发现，随配筋率的增加，PRC呈线性减小，RUHTCC梁的延性也逐渐减弱。