预应力RPC-NC叠合梁抗弯性能研究

摘要

随着高速铁路的迅猛发展，对桥梁结构性能的要求也越来越高，高性能材料的合理应用成为提高结构性能的有效途径。为推动高性能混凝土材料在现代桥梁结构中的应用，本文提出将活性粉末混凝土材料应用于预应力混凝土梁的下部，形成预应力活性粉末混凝土和普通混凝土叠合梁结构形式，在充分发挥活性粉末混凝土材料超高力学性能和优异耐久性的同时，合理利用了普通混凝土材料的抗压强度和廉价性的优点。本文针对预应力活性粉末混凝土和普通混凝土叠合梁的抗弯性能进行了试验和理论研究。
　　基于相似原理，以铁路标准2101号梁为原型，开展了预应力活性粉末混凝土和普通混凝土叠合模型梁静载抗弯试验。试验结果表明:相同预应力度情况下，随着活性粉末混凝土高度的增加，叠合梁延性增大;相同活性粉末混凝土高度的情况下，随着预应力度增加，叠合梁开裂荷载增大;预应力活性粉末混凝土叠合梁表现出典型的抗弯破坏类型，在梁底钢筋屈服的同时，梁顶混凝土被压碎;预应力活性粉末混凝土和普通混凝土叠合梁跨中荷载-挠度曲线发展可分为4个阶段:开裂前弹性阶段，带裂缝工作阶段，普通钢筋屈服后强化阶段，极限破坏后下降阶段;叠合梁跨中截面应变发展基本符合平截面假定，在试验过程中叠合梁的活性粉末混凝土与普通混凝土叠合面处无错动产生，始终保持良好整体工作状态。
　　以材料本构关系和截面分析方法为基础，对预应力活性粉末混凝土和普通混凝土叠合梁的抗弯全过程进行了非线性计算分析，计算结果与试验结果吻合良好。以此为基础对预应力叠合梁抗弯影响因素进行了全面分析。以开裂荷载为依据，给出了预应力叠合梁中活性粉末混凝土高度合理区间为梁截面高度的22％～53％。
　　以试验结果和预应力叠合梁全过程分析结果为基础，提出了考虑活性粉末混凝土高度和抗拉强度的预应力活性粉末混凝土和普通混凝土叠合梁开裂荷载、屈服荷载、极限荷载的计算方法和公式。基于试验结果对规范中预应力叠合梁的裂缝宽度和短期刚度的计算公式进行了修正，以考虑活性粉末混凝土优异的材料性能。在对叠合梁延性影响因素分析的基础上，基于试验结果拟合出了预应力叠合梁延性计算公式。
　　对预应力活性粉末混凝土和普通混凝土叠合梁抗弯开裂损伤进行了分析。采用声发射技术对叠合梁抗弯过程中开裂损伤进行研究。活性粉末混凝土材料具有弥散裂缝的功能，在荷载作用下产生大量细小裂缝。试验得出相同钢绞线情况下的预应力叠合梁在相同荷载作用下的撞击累计数要远大于预应力普通混凝土梁;在荷载作用前，活性粉末混凝土材料内平均波速为4342.8mm/s，普通混凝土材料内平均波速为2337.7mm/s;计算得出了声发射Ib值，在与预应力叠合梁试验过程对比的基础上，发现Ib值与预应力叠合梁损伤开裂过程有明显相关性，并对结构最终破坏有一定预示作用。给出了与叠合梁不同开裂发展阶段对应的Ib值区间，为声发射在实际工程中的应用及损伤识别提供试验依据。

目录

声明

致谢

摘要

1绪论

1．1 引言

1．2 研究背景

1．2．1活性粉末混凝土研究现状

1．2．2活性粉末混凝土应用现状

1．2．3在役预应力混凝土桥病害分析

1．2．4活性粉末混凝土推广制约因素

1．3 活性粉末混凝土叠合梁研究现状

1．3．1作为叠合梁加固材料研究

1．3．2作为叠合梁主体材料研究

1．3．3钢-混组合梁

1．4预应力RPC-NC叠合梁优点

1．5 本文主要研究内容

2预应力RPC-NC叠合梁抗弯试验研究

2．1 叠合梁制备及试验方案

2．1．1叠合梁设计

2．1．2预应力叠合梁参数

2．1．3 RPC及NC配合比

2．1．4试验梁制备

2．1．5材料力学性能试验

2．1．6钢绞线张拉

2．1．7试验装置

2．1．8加载制度

2．1．9试验量测内容及仪器

2．2 试验现象描述

2．2．1典型预应力RPC-NC叠合梁试验过程描述

2．2．2预应力NC梁试验过程描述

2．2．3预应力叠合梁破坏特征

2．3 叠合梁收缩性能

2．3．1收缩测量方法及条件

2．3．2模型梁收缩发展规律及对比

2．3．3 RPC与钢筋相互作用下的收缩发展

2．3．4 RPC与NC共同作用下的收缩发展

2．3．5梁底纵向钢筋应力及RPC应变发展

2．4 叠合梁荷载挠度曲线及抗弯强度分析

2．4．2不同预应力度下荷载-挠度曲线对比

2．4．4对照组荷载-挠度曲线对比

2．4．5叠合梁开裂、屈服、极限荷载分析

2．5 叠合梁裂缝性能及延性分析

2．5．1裂缝形态及发展过程

2．5．2预应力度对裂缝最大宽度的影响

2．5．3 RPC高度对最大裂缝宽度的影响

2．5．4对照组对最大裂缝宽度的影响

2．5．5延性相关参数及计算方法

2．5．6叠合梁延性结果

2．5．7叠合梁延性分析

2．6 叠合梁应变、叠合面相对位移、钢绞线合力

2．6．1梁底纵向钢筋应变

2．6．2跨中混凝土应变

2．6．3叠合面相对位移、钢绞线合力

2．7 本章小结

3预应力叠合梁抗弯全过程计算分析

3．1 假定条件

3．2 抗弯全过程计算方程建立

3．2．1材料本构关系

3．2．2平衡方程建立

3．2．3预应力的考虑方法

3．2．4 RPC收缩考虑方法

3．2．5方程计算方法

3．3 抗弯全过程模型求解计算

3．3．1求解方法

3．3．2计算步骤

3．3．3应变-挠度关系

3．4 抗弯全过程结果分析

3．4．1计算结果与试验结果对比

3．4．2荷载-挠度曲线对比

3．4．3钢筋应变对比

3．5 全过程影响因素分析

3．5．1不同RPC高度

3．5．2不同预应力度

3．5．3不同NC强度

3．5．4不同RPC抗拉强度

3．5．5不同纵向钢筋配筋率

3．6 本章小结

4预应力叠合梁抗弯性能理论分析

4．1 叠合梁开裂荷载计算

4．1．1叠合梁RPC高度上限值

4．1．2叠合梁RPC高度下限值

4．1．3叠合梁开裂荷载计算

4．2 叠合梁屈服荷载和极限荷载计算

4．2．1叠合梁屈服荷载计算

4．2．2叠合梁极限荷载计算

4．3 叠合梁裂缝宽度计算

4．3．1裂缝宽度计算条件

4．3．2铁路规范裂缝宽度计算修正

4．4 叠合梁短期刚度及挠度计算

4．4．1叠合梁跨中挠度计算方法与条件

4．4．2叠合梁短期刚度及跨中挠度计算

4．4．3修正规范中公式后跨中挠度计

4．5 叠合梁延性计算

4．5．1位移延性影响因素

4．5．2位移延性系数计算

4．6 本章小结

5预应力RPC-NC叠合梁抗弯开裂损伤分析

5．1 叠合梁损伤检测方法

5．1．1声发射检测技术发展

5．1．2声发射检测基本原理

5．1．3声发射检测设备

5．2 声发射监测内容及测试方案

5．2．1声发射信号表征参数

5．2．2声发射测试方案

5．3 RPC材料开裂损伤分析

5．3．1 RPC材料开裂损伤计算条件

5．3．2特征参数分析

5．3．3波形频谱分析

5．3．4声发射波速分析

5．4 预应力RPC-NC叠合梁受弯开裂损伤分析

5．4．1声发射特征参数分析

5．4．2累计撞击和撞击分析

5．4．3能量和计数分析

5．4．4裂缝定位分析

5．4．5抗弯损伤开裂过程分析

5．5 本章小结

6结论

6．1 本文的主要工作及结论

6．2主要创新点

6．3 展望

参考文献

作者简历及攻读博士学位期间取得的研究成果

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