高密实纤维增强复合材料的轴心受压力学性能及应用研究

摘要

高密实纤维增强复合材料(Compact Reinforced Composite，缩写CRC)是钢纤维增强混凝土的一种。CRC相对于普通混凝土有更好的抗压性能、抗拉性能、耐久性、耐磨性、阻裂能力以及钢筋与混凝土之间很好的黏结性能，因此CRC被广泛应用于抗震结构、抗冲击结构以及混凝土结构的修复。在恶劣的条件下，CRC既可以使被修复的结构构件更加牢固可靠，又可以减少维护的费用，具有很好的市场竞争力。当前，国内对CRC力学性能的研究还很少，影响了该材料的推广应用。因此，研究CRC的力学性能，有较好的理论意义以及应用价值。本文的研究内容和成果如下：　　（1）采用基于最大堆积密度理论的G.Hüsken计算方法确定石英砂的级配，并对其进行试验验证；通过单因素试验法对比分析水胶比、砂胶比和钢纤维掺量对CRC浆体坍落度的影响，找出了CRC的最优配合比，建立了立方体抗压强度与钢纤维体积维掺量的关系式。　　（2）对CRC棱柱体进行单轴受压试验，分析其破坏过程和破坏机理；根据试验结果，提出了CRC棱柱体抗压强度与立方体抗压强度的换算系数、CRC的割线模量和原点弹性模量以及泊松比；基于CRC应力-应变曲线上升段的试验结果，通过理论分析，建立了CRC单轴受压上升段曲线的数学模型。　　（3）从细观力学角度出发，基于蒙特卡洛方法，使用Matlab软件编写钢纤维随机投放程序，生成纤维两端点坐标，建立了钢纤维随机分布三维模型；通过AutoCAD和Rhino软件的共同作用，将大量的钢纤维数据导入Abaqus中，在Abaqus中直接生成复杂的钢纤维分布模型，进行非线性有限元分析；讨论了钢纤维分布的随机性和其特征比对材料性能的影响，并比较模拟结果与试验结果，证明了该模拟方法的可靠性。　　（4）通过拟静力试验，完成了2个CRC修复的型钢混凝土异形梁柱节点抗震性能试验；对试件修复前和修复后的破坏形态、CRC与普通混凝土黏结性能、承载能力、强度和刚度退化、耗能能力进行分析，并对修复后节点试件的抗震性能进行了综合评价。结果表明：CRC与普通混凝土黏结能力较好；如修复措施得当，修复后试件的承载力能够基本得到恢复；修复后试件的初始刚度比原试件有所降低，但滞回曲线较饱满，强度和刚度退化较缓慢，耗能能力较好。

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1 绪论

1.1 引言

1.1.1 研究背景及意义

1.1.2 研究目的

1.2 国内外研究及应用现状

1.2.1 CRC的发展及研究现状

1.2.2 钢纤维随机分布模型的研究现状

1.2.3 受损型钢混凝土异形梁柱节点加固研究现状

1.3本文主要研究内容

2 CRC材料配合比研究

2.1 原材料及试验方法

2.1.1 原材料及基本性能

2.1.2 试件制作

2.1.3 试验测试方案

2.2 基准配合比的选择

2.3 石英砂级配的确定

2.3.1 石英砂粒径选择

2.3.2 理论确定石英砂级配

2.3.3 试验验证石英砂级配

2.4 试验确定砂胶比

2.4.1 试验方案

2.4.2 试验结果分析

2.5 试验确定水胶比

2.5.1 试验方案及试验结果

2.5.2 试验结果分析

2.6 钢纤维掺量的试验分析

2.6.1 试验方案

2.6.2 试验结果分析

2.7 本章小结

3 CRC单轴受压基本力学性能试验研究

3.1 试验概况

3.1.1 试验方案

3.1.2 试验测试方案

3.2 试验现象

3.3 试验数据处理及分析

3.3.1 轴心抗压强度与立方体抗压强度的关系

3.3.2 弹性模量

3.3.3 泊松比

3.3.4 CRC轴心受压应力-应变曲线

3.4 本章小结

4 钢纤维随机分布三维数值模拟

4.1 蒙特卡洛方法

4.1.1 蒙特卡洛方法简介

4.1.2 蒙特卡洛方法步骤

4.2 伪随机数

4.2.1 伪随机数的定义

4.2.2 几种伪随机数的确定方法

4.3 程序实现

4.3.1 钢纤维混凝土三维数值模型的基本算法

4.3.2 三维数值模型在 Matlab 中的实现

4.4 有限单元模型的建立

4.4.1 材料单元类型及本构模型

4.4.2 钢纤维随机分布三维模型的建立

4.5 模拟及分析

4.5.1 立方体抗压试验的数值模拟

4.5.2 不同钢纤维对立方体抗压强度影响

4.5.3 棱柱体单轴抗压试验的数值模拟

4.5.4 纤维分布的随机性对受力性能的影响

4.6 本章小结

5 CRC修复受损型钢混凝土异形梁柱节点抗震性能试验研究

5.1 试验方案和内容

5.2 试件修复前的损伤情况

5.3 试件的修复

5.3.1 修复材料的拌制及其性能

5.3.2 修复方法

5.4 试验装置和测量手段

5.4.1 试验装置

5.4.2 加载制度

5.4.3 测量内容

5.5 试验现象及破坏形态分析

5.5.1 试验现象及破坏形态对比

5.5.2 CRC与混凝土黏结性能分析

5.6 试验结果及对比分析

5.6.1 滞回曲线

5.6.2 骨架曲线

5.6.3 强度退化

5.6.4 刚度退化

5.6.5 耗能分析

5.6.6 综合分析

5.7 本章小结

6 结论与展望

6.1 结论

6.2 展望

参考文献

致谢