配筋超高韌性水泥基復合材料受彎構件計算理論與試驗研究.pdf

1、南水北調工程重要輸水建筑物如長距離輸水隧洞、大型輸水渡槽的安全性對整個輸水工程的安全運行至關重要。從結構設計選材方面應做到確保滿足南水北調重大工程結構抗裂防震要求，最大限度降低甚至免去維護和加固費用，從根本上保證重大基礎設施的安全運行。結合國家自然科學基金重點項目(50438010)和南水北調工程重大關鍵技術研究及應用項目( JGZXJJ2006-13)，本論文以超高韌性水泥基復合材料(UHTCC)這一新型綠色結構材料為基礎，開展了向新

2、材料結構方向邁進的探索性工作，旨在建立配筋超高韌性水泥基復合材料受彎構件計算新理論，提出一種具有防裂抗震和優(yōu)異耐久性能的新材料復合結構。為實現(xiàn)此目的，主要開展了如下研究工作：
　　 1.針對水工混凝土大跨薄殼結構的開裂問題、腐蝕環(huán)境下的鋼筋混凝土結構維修和加固問題，結合纖維編織網(wǎng)與UHTCC二者的優(yōu)勢，開展了非金屬筋(碳纖維編織網(wǎng))增強超高韌性水泥基復合材料的力學性能試驗研究。通過11組碳纖維編織網(wǎng)增強UHTCC(CTRUHTC

3、C)薄板四點彎曲試驗(試件尺寸400 mm×100 mm×10 mm)和拔出試驗(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CTRUHTCC裂縫開展形態(tài)、承載能力和粘結性能的影響，發(fā)現(xiàn)采用環(huán)氧樹脂浸漬碳纖維編織網(wǎng)之后進行表面粘砂是改善碳纖維編織網(wǎng)與基體之間粘結性能的實用方法。
　　 2.利用UHTCC材料顯著的非線性變形能力、出色的力學特性和與鋼筋的變形協(xié)調性以及

4、優(yōu)異的裂縫控制能力，針對UHTCC在抗震限裂要求嚴格的大跨度結構或結構變形關鍵部位使用時遇到的構件設計問題，開展了鋼筋增強超高韌性水泥基復合材料受彎構件即RUHTCC長梁的彎曲性能研究?；诓牧系牧W本構模型和平截面假定，建立了配筋UHTCC受彎構件的計算模型，對加載至最終破壞各階段內力變化進行了詳細的分析，給出了加載至破壞整個過程的彎矩.曲率關系的確定方法，以及延性指標和跨中撓度的計算公式。提出了相關配筋計算公式以供工程使用參考。

5、r>　　 3.進行了3組共12根不同配筋率的無腹筋大跨度RUHTCC梁(試件尺寸2450 mm×120 mm×80 mm)四點彎曲試驗研究，驗證了本文所提出的配筋UHTCC受彎構件計算模型的合理性。通過與3根普通鋼筋混凝土梁的對比發(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，提高結構或構件的承載力，降低構件對截面尺寸和配筋率的要求，從而減輕結構自重，降低工程造價。使用電阻應變片法和裂縫觀測儀觀察了梁

6、的起裂和裂縫擴展，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。
　　 4.提出了RUHTCC的簡化計算方法以便于實際工程設計使用；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)的計算方法，發(fā)現(xiàn)當UHTCC拉伸應變能力較高時無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層制備了控裂功能梯度復合梁( UHTCC-FGC)，以提高鋼筋混凝土結構的耐久性。對整個加載過程中復合梁的內力變化和裂縫開展進行了探討，給出了加載至破壞整個過程的彎矩.曲率關系的確定方法，以及跨中撓度、截面延性指標的計算公式。
　　 6.通過4組共16根不同厚度UHTCC保護層的UHTCC-FGC梁(試件尺寸2450 mm×1