超高性能混凝土轴向受力性能及与高强钢筋粘结滑移性能研究

摘要

超高性能混凝土（UHPC）通常定义为抗压强度超过150MPa的水泥基胶凝材料。UHPC具有优异的抗渗、拉压性能，是高强度耐用结构设计时的最优解决方案，目前UHPC已被广泛用于桥梁、人行道和房屋等诸多建筑结构领域。UHPC通过仔细控制其组成颗粒的尺寸和分布并掺入不连续的钢纤维，提高了抗压强度，延性和耐久性等材料性能。但是UHPC的成本较高，同时缺乏较为全面的试验研究，使它的进一步应用受到了限制。随着UHPC在现代建筑中的需求日益提升，其拉伸和压缩性能的深入研究也越发重要。同时在实际的工程实践中，UHPC构件中经常有配筋存在，因此UHPC与钢筋（尤其是高强度钢筋）之间的粘结滑移性能分析也成为UHPC在构件级别性能分析的前提。　　本文基于自行设计的试验装置和测试方法对UHPC进行了轴向受力试验研究，捕获了UHPC拉伸和压缩过程中的完整应力-应变曲线。采用轴向拔出试验对UHPC与高强钢筋之间的粘结性能开展了试验研究。主要研究结论和过程如下：　　①采用自行设计和改进试验装置得到了UHPC轴向压缩和拉伸性能的试验结果。由于常规混凝土的测试方法对于测量UHPC开裂后的性能是不可靠的，因此在压缩试验中采用刚性辅助构件和变形试验架，并完成了36个圆柱体试件的压缩试验，成功获得了下降曲线。在拉伸试验中采用基于自行设计的轴向拉伸试验设备，完成了36个狗骨试件的轴向拉伸试验。　　②钢纤维含量的增加虽然对UHPC拉伸和压缩应力的峰值应变和弹性模量影响很小，但是可以显著改善混凝土构件开裂后的破坏形式和延展性。合理的钢纤维含量是UHPC从脆性材料转变为延性材料的决定性因素。试验结果证明，2％的钢纤维含量可使UHPC的破坏形式转变为延性破坏。此外，水胶比也会影响UHPC混凝土基体的强度和弹性模量。0.18的水胶比是不降低UHPC强度的前提下保障工作性的最佳选择。　　③为了研究UHPC和高强度钢筋的粘结性能，本文进行24次中心拉拔试验。使用公称直径为16mm，18mm和20mm的高强钢筋进行测试。其他试验参数包括四个嵌入长度（3d，4d，5d和6d）和两个钢筋等级（HRB600和HRB500）。　　④在埋入长度最短的试件中，试件表现出最大的峰值粘结应力，其破坏模式是由于粘结破坏所致的拔出破坏，在试件表面上会观察到非常小的裂纹。而在埋入长度较大的试件中，破坏模式转变为钢筋的拔断破坏。极限粘结强度随着埋入长度和钢筋直径的增加而降低，而高强钢筋的使用可以显著提高粘结强度。　　⑤试验结果表明，UHPC与高强度钢筋的粘结性能与普通强度混凝土有很大不同。基于试验获得的粘结应力滑移曲线，本文提出了一种新的粘结应力滑移关系。由于UHPC过高的粘结强度，在新提出的粘结应力滑移关系中还考虑了钢筋屈服的影响。通过在高强钢筋中预埋应变片以获得不同位置的粘结应力分布，推导出反映该变化的位置函数。结合平均粘结应力粘结滑移关系和位置函数，给出了粘结滑移模型的数学表达。

目录

1 绪 论

1.1 超高性能混凝土研究背景

1.2.1 超高性能混凝土材料特性

1.2.2 超高性能混凝土研究现状

1.2.3 超高性能混凝土工程应用

1.2.4 超高性能混凝土材料性能研究中存在的问题

1.3 粘结锚固问题的研究现状

1.3.1 粘结试验方法

1.3.2 粘结破坏机理及影响因素

1.3.3 UHPC与普通钢筋的粘结性能

1.3.4 UHPC与高强钢筋的粘结性能

1.3.5 粘结应力滑移模型

1.4 本文主要创新点及研究内容

2 超高性能混凝土轴向受压性能试验研究

2.1 UHPC的制备

2.1.1 UHPC材料设计原则

2.1.2 UHPC的主要组分

2.2.1 试件参数及有限元验证

2.2.2 实现稳定下降段的条件

2.2.3 加载与刚性辅助系统

2.3.1 数据处理方法

2.3.2 UHPC的制备与养护

2.3.3 应力应变曲线和破坏模式

2.4 分析与讨论

2.4.1 水胶比对UHPC受压性能的影响

2.4.2 钢纤维掺量对UHPC受压性能的影响

2.5 本章小结

3 超高性能混凝土轴向受拉性能试验研究

3.1.1 应变硬化及曲线特性

3.1.2 试件形状及夹持装置

3.1.3 测量方案

3.2.1 应力应变曲线

3.2.2 破坏模式

3.3 分析与讨论

3.3.1 水胶比对UHPC受拉性能的影响

3.3.2 钢纤维掺量对UHPC受拉性能的影响

3.4 本章小结

4 超高性能混凝土与高强钢筋粘结滑移试验研究

4.1 粘结滑移试验方案

4.1.1 试件形状及参数的设计

4.1.2 钢筋开槽及应变测点的分布

4.1.3 夹持装置及测量方案

4.1.4 材性试验

4.2 粘结滑移试验结果

4.2.1 粘结应力及破坏模式

4.2.2 平均粘结应力滑移曲线

4.2.3 局部粘结应力的计算方法

4.3 临界锚固长度及极限锚固长度

4.4 本章小结

5 粘结滑移特征值及粘结滑移模型

5.1 粘结滑移特征值的统计回归

5.1.1 滑移加速强度特征值

5.1.2 极限强度特征值

5.1.3 残余强度特征值

5.1.4 滑移特征值

5.1.5 参数灵敏度分析

5.2 粘结滑移模型

5.2.1 粘结滑移模型的建立

5.2.2 粘结滑移模型与试验数据的对比

5.2.3 粘结滑移模型与其他研究对比

5.3.1 位置函数概述

5.3.2 位置函数的提出

5.4 本章小结

6 结论与展望

6.1 本文主要结论

6.2 对未来工作展望

参考文献

附 录

A. 作者在攻读硕士学位期间发表论文

B. 学位论文数据集

致谢