超高韧性水泥基复合材料构件受剪性能试验研究

摘要

超高韧性水泥基复合材料是以水泥作为基本粘结料，加上小粒径细骨料作为基体，再加入体积掺量2％左右的聚乙烯醇纤维作增强材料配制而成的新型建筑材料。这种材料的特点不同于以前的纤维增强材料，依靠通过增加大体积含量的纤维来获得高性能，而是基于材料微观结构设计的一种具有超高韧性的新型复合材料，这种材料在荷载作用下具有明显的应变硬化特征，在直接拉伸作用下可产生多条细微裂缝，稳定的拉应变能够达到3％左右。
　　为了研究超高韧性水泥基复合材料的力学性质及构件受剪性能，本文围绕“一种材料、两种构件、三个重点”来进行研究，以获得超高韧性水泥基复合材料基本物理力学性能和构件的承载力及变形特性。一种材料为超高韧性水泥基复合材料;两种构件为超高韧性水泥基复合材料简支梁以及超高韧性水泥基复合材料连梁;三个重点主要包括以下内容:
　　1分析了超高韧性水泥基复合材料的配合比及搅拌工艺，对超高韧性水泥基复合材料进行了基本力学性能的试验。分别从超高韧性水泥基复合材料配制工艺、抗压强度试验和抗拉强度试验三个方面进行阐述，了解了超高韧性水泥基复合材料的基本力学性能，通过实验室配制浇筑不同类型的超高韧性水泥基复合材料试块，得到了单轴抗拉、单轴抗压的强度值及试件的应力应变曲线，为超高韧性水泥基复合材料构件的计算提供依据，并对应力应变曲线进行分析，为进一步的理论分析和数值模拟提供参考。
　　2通过9根超高韧性水泥基复合材料简支梁试验和1根混凝土对比试件试验，对集中荷载作用下的超高韧性水泥基复合材料梁的受剪性能进行了试验研究，讨论了不同配筋率、配箍率及剪跨比等主要因素对超高韧性水泥基复合材料梁剪切开裂强度和抗剪极限强度的影响;对梁在剪切破坏的变形特征和延性性能进行了分析;同时对超高韧性水泥基复合材料简支梁和普通混凝土简支梁的破坏特点及承载力进行了对比;最后对试件进行了基于修正压力场理论的构件抗剪承载力理论计算。
　　3通过10根超高韧性水泥基复合材料连梁和1根对比混凝土连梁的试验，详细研究了连梁在低周反复加载和静载作用下的破坏形态、抗剪承载力、荷载位移曲线、钢筋应变、连梁的轴向变形和剪切变形等性能;结合本次试验对超高韧性水泥基复合材料连梁的骨架曲线、位移延性、承载力退化及刚度退化和耗能性能进行了分析，同时对试件进行了抗剪承载力的分析，给出了计算建议公式;其次利用软化拉压杆模型对试件进行了抗剪承载力的理论计算，对超高韧性水泥基复合材料连梁的试验值和理论值进行了对比和分析;最后对部分连梁试件进行了ANYSY有限元分析，得到了试件的承载力、钢筋应变等性能，并与试验值进行对比分析。
　　研究表明:超高韧性水泥基复合材料具有较好的强度和优越的韧性性能，超高韧性水泥基复合材料构件具有较好承载力和延性性能，超高韧性水泥基复合材料能够应用于实际工程中。

目录

声明

致谢

摘要

第1章 绪论

1．1 引言

1．2 超高韧性水泥基复合材料研究现状

1．2．1 UHTCC材料性能研究

1．2．2 UHTCC材料应用前景

1．2．3 UHTCC材料应用特点

1．3 UHTCC梁抗剪性能研究现状

1．4 UHTCC连梁抗剪性能研究现状

1．4．1 连梁的研究成果

1．4．2 连梁研究新思路

1．4．3 UHTCC连梁研究现状

1．5 研究方案

1．5．1 研究内容

1．5．2 研究目标

1．5．3 解决的问题

1．5．4 研究方法和技术路线

1．5．5 创新点和特色

第2章 超高韧性水泥基复合材料配制及力学性能试验

2．1 引言

2．2 UHTCC性能特征研究

2．2．1 UHTCC性能影响因素

2．2．2 性能特征

2．2．3 性能设计

2．3 UHTCC材料及配制

2．3．1 原材料

2．3．2 配合比

2．3．3 搅拌工艺

2．4 UHTCC单轴抗压试验

2．4．1 试块制作

2．4．2 试块加载试验

2．4．3 试验结果分析

2．5 UHTCC单轴抗拉试验

2．5．1 引言

2．5．2 试块制作及加载试验

2．5．3 试验结果分析

2．5．4 破坏形态分析

2．6 破坏机理

2．7 弹性模量和泊松比

2．8 小结

第3章 超高韧性水泥基复合材料梁受剪试验研究

3．1 前言

3．2 试验概况

3．2．1 试验方案

3．2．2 试验材料

3．2．3 配制工艺

3．2．4 数据采集和测点布置

3．2．5 加载方案及设备

3．3 试验结果

3．3．1 试验结果汇总

3．3．2 钢筋应变

3．3．3 荷载—挠度曲线

3．3．4 破坏形态描述

3．4 小结

第4章 超高韧性水泥基复合材料粱斜截面抗剪性能分析

4．1 前言

4．2 强度影响因素

4．2．1 剪跨比的影响

4．2．2 配箍率的影响

4．2．3 配筋率的影响

4．3 变形研究

4．3．1 两种梁破坏形态比较

4．3．2 两种梁的荷载挠度—曲线比较

4．3．3 斜裂缝形态及宽度

4．4 延性分析

4．4．1 延性指标

4．4．2 延性比较

4．4．3 配箍率对延性影响分析

4．4．4 剪跨比对延性影响分析

4．5 小结

第5章 基于MCFT理论的UHTCC梁抗剪分析

5．1 引言

5．2 MCFT理论介绍

5．2．1 变形协调方程

5．2．2 MCFT的平衡方程

5．2．3 本构方程

5．3 计算模型

5．3．1 梁纯剪状态下受力分析

5．3．2 梁纯弯作用下受力分析

5．3．3 弯剪作用下截面分析

5．4 计算结果分析

5．4．1 极限荷载分析

5．4．2 开裂荷载分析

5．4．3 箍筋应变分析

5．4．4 剪压区UHTCC材料压应变

5．5 小结

第6章 超高韧性水泥基复合材料连梁受剪性能试验研究

6．1 引言

6．2 试验目的与任务

6．3 试验设计

6．3．1 试件设计

6．3．2 设计构造措施

6．3．3 设计试件的形状与尺寸

6．3．4 试验观测设计

6．3．5 加载方案

6．3．6 试件制作

6．4 试验现象和破坏形态

6．4．1 试验现象描述

6．4．2 连梁试件破坏形态图

6．4．3 连梁试件试验结果汇总表

6．5 小结

第7章 超高韧性水泥基复合材料连梁的试验结果分析

7．1 引言

7．2 荷载位移滞回曲线

7．3 钢筋应变分析

7．3．1 纵筋应变分析

7．3．2 构造钢筋应变分析

7．3．3 箍筋应变分析

7．3．4 斜筋应变分析

7．4 连梁的轴向变形

7．5 连梁的剪切变形

7．6 骨架曲线

7．7 位移延性

7．7．1 位移延性系数定义及计算

7．7．2 各因素对位移延性的影响

7．8 刚度退化

7．9 耗能性能

7．9．1 耗能指标

7．9．2 各因素对试件耗能的影响

7．10 连梁试件抗剪强度

7．11 抗剪承载力分析

7．12 小结

第8章 超高韧性水泥基复合材料连梁拉压杆模型分析

8．1 引言

8．2 连梁拉压杆模型

8．2．1 平衡方程

8．2．2 本构方程

8．2．3 变形协调方程

8．3 配有斜筋构件计算模型

8．3．1 普通RUHTCC连梁构件计算模型

8．3．2 配有斜筋RUHTCC连梁构件计算模型

8．4 问题求解方法

8．5 连梁CB1算例分析

8．5．1 连梁概况

8．5．2 计算流程

8．6 结果对比分析

8．7 小结

第9章 超高韧性水泥基复合材料试件的ANSYS分析

9．1 引言

9．2 ANSYS程序实现

9．2．1 单元类型

9．2．2 混凝土单元的模拟

9．2．3 超高韧性水泥基复合材料单元的模拟

9．2．4 钢筋单元的模拟

9．3 有限元模型的建立

9．4 有限元分析结果与试验结果的比较分析

9．4．1 承载力分析

9．4．2 钢筋应变分析

9．4．3 裂缝开展情况

9．5 小结

结论与展望

创新点

参考文献

攻读博士学位期间的学术活动及成果情况