配筋超高韌性水泥基復(fù)合材料受彎構(gòu)件計(jì)算理論與試驗(yàn)研究.pdf

1、南水北調(diào)工程重要輸水建筑物如長(zhǎng)距離輸水隧洞、大型輸水渡槽的安全性對(duì)整個(gè)輸水工程的安全運(yùn)行至關(guān)重要。從結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)選材方面應(yīng)做到確保滿足南水北調(diào)重大工程結(jié)構(gòu)抗裂防震要求，最大限度降低甚至免去維護(hù)和加固費(fèi)用，從根本上保證重大基礎(chǔ)設(shè)施的安全運(yùn)行。結(jié)合國(guó)家自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目(50438010)和南水北調(diào)工程重大關(guān)鍵技術(shù)研究及應(yīng)用項(xiàng)目( JGZXJJ2006-13)，本論文以超高韌性水泥基復(fù)合材料(UHTCC)這一新型綠色結(jié)構(gòu)材料為基礎(chǔ)，開(kāi)展了向新

2、材料結(jié)構(gòu)方向邁進(jìn)的探索性工作，旨在建立配筋超高韌性水泥基復(fù)合材料受彎構(gòu)件計(jì)算新理論，提出一種具有防裂抗震和優(yōu)異耐久性能的新材料復(fù)合結(jié)構(gòu)。為實(shí)現(xiàn)此目的，主要開(kāi)展了如下研究工作：
　　 1.針對(duì)水工混凝土大跨薄殼結(jié)構(gòu)的開(kāi)裂問(wèn)題、腐蝕環(huán)境下的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)維修和加固問(wèn)題，結(jié)合纖維編織網(wǎng)與UHTCC二者的優(yōu)勢(shì)，開(kāi)展了非金屬筋(碳纖維編織網(wǎng))增強(qiáng)超高韌性水泥基復(fù)合材料的力學(xué)性能試驗(yàn)研究。通過(guò)11組碳纖維編織網(wǎng)增強(qiáng)UHTCC(CTRUHTC

3、C)薄板四點(diǎn)彎曲試驗(yàn)(試件尺寸400 mm×100 mm×10 mm)和拔出試驗(yàn)(試件尺寸140mm×60mm×10mm)研究，分析了基體水膠比、纖維編織網(wǎng)表面處理方法、基體PVA纖維摻量對(duì)CTRUHTCC裂縫開(kāi)展形態(tài)、承載能力和粘結(jié)性能的影響，發(fā)現(xiàn)采用環(huán)氧樹(shù)脂浸漬碳纖維編織網(wǎng)之后進(jìn)行表面粘砂是改善碳纖維編織網(wǎng)與基體之間粘結(jié)性能的實(shí)用方法。
　　 2.利用UHTCC材料顯著的非線性變形能力、出色的力學(xué)特性和與鋼筋的變形協(xié)調(diào)性以及

4、優(yōu)異的裂縫控制能力，針對(duì)UHTCC在抗震限裂要求嚴(yán)格的大跨度結(jié)構(gòu)或結(jié)構(gòu)變形關(guān)鍵部位使用時(shí)遇到的構(gòu)件設(shè)計(jì)問(wèn)題，開(kāi)展了鋼筋增強(qiáng)超高韌性水泥基復(fù)合材料受彎構(gòu)件即RUHTCC長(zhǎng)梁的彎曲性能研究?；诓牧系牧W(xué)本構(gòu)模型和平截面假定，建立了配筋UHTCC受彎構(gòu)件的計(jì)算模型，對(duì)加載至最終破壞各階段內(nèi)力變化進(jìn)行了詳細(xì)的分析，給出了加載至破壞整個(gè)過(guò)程的彎矩.曲率關(guān)系的確定方法，以及延性指標(biāo)和跨中撓度的計(jì)算公式。提出了相關(guān)配筋計(jì)算公式以供工程使用參考。

5、r>　　 3.進(jìn)行了3組共12根不同配筋率的無(wú)腹筋大跨度RUHTCC梁(試件尺寸2450 mm×120 mm×80 mm)四點(diǎn)彎曲試驗(yàn)研究，驗(yàn)證了本文所提出的配筋UHTCC受彎構(gòu)件計(jì)算模型的合理性。通過(guò)與3根普通鋼筋混凝土梁的對(duì)比發(fā)現(xiàn)，RUHTCC梁破壞模式更具韌性特征，UHTCC材料能夠明顯的延緩鋼筋的屈服，提高結(jié)構(gòu)或構(gòu)件的承載力，降低構(gòu)件對(duì)截面尺寸和配筋率的要求，從而減輕結(jié)構(gòu)自重，降低工程造價(jià)。使用電阻應(yīng)變片法和裂縫觀測(cè)儀觀察了梁

6、的起裂和裂縫擴(kuò)展，發(fā)現(xiàn)RUHTCC梁具有卓越的裂縫控制能力，在正常使用狀態(tài)下，裂縫寬度可以保持在0.05mm以內(nèi)。
　　 4.提出了RUHTCC的簡(jiǎn)化計(jì)算方法以便于實(shí)際工程設(shè)計(jì)使用；確定了RUHTCC的界限配筋率和最小配筋率的取值以及變形和截面曲率延性系數(shù)的計(jì)算方法，發(fā)現(xiàn)當(dāng)UHTCC拉伸應(yīng)變能力較高時(shí)無(wú)需最小配筋率的限定；分析了截面幾何尺寸、材料性能參數(shù)和縱筋配筋率對(duì)RUHTCC受彎梁的承載力、變形和延性的影響。
　　

7、5.根據(jù)功能梯度這一概念，利用UHTCC優(yōu)秀的裂縫控制能力，使用UHTCC材料代替部分混凝土作為鋼筋保護(hù)層制備了控裂功能梯度復(fù)合梁( UHTCC-FGC)，以提高鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性。對(duì)整個(gè)加載過(guò)程中復(fù)合梁的內(nèi)力變化和裂縫開(kāi)展進(jìn)行了探討，給出了加載至破壞整個(gè)過(guò)程的彎矩.曲率關(guān)系的確定方法，以及跨中撓度、截面延性指標(biāo)的計(jì)算公式。
　　 6.通過(guò)4組共16根不同厚度UHTCC保護(hù)層的UHTCC-FGC梁(試件尺寸2450 mm×1