高強(qiáng)細(xì)晶粒鋼筋與纖維增強(qiáng)水泥基復(fù)合材料在新型大跨度防護(hù)結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用研究.pdf

1、防護(hù)工程要承受巨大的沖擊荷載，導(dǎo)致防護(hù)構(gòu)件的截面較大，影響平時(shí)使用。為保證凈高，結(jié)構(gòu)通常采用井字梁樓蓋、普通鋼筋混凝土扁梁加平板樓蓋、普通鋼筋混凝土無(wú)梁樓蓋或無(wú)粘結(jié)預(yù)應(yīng)力混凝土無(wú)梁樓蓋這幾種型式，但這會(huì)帶來(lái)施工上的不便和造價(jià)的提高。高強(qiáng)細(xì)晶粒鋼筋HRBF500(抗拉強(qiáng)度≥500MPa)以及纖維增強(qiáng)水泥基復(fù)合材料FRCC(抗壓強(qiáng)度≥100MPa)是土木工程領(lǐng)域極具應(yīng)用前景的新型建筑材料，具有強(qiáng)度高、延性好等特點(diǎn)。用高強(qiáng)細(xì)晶粒鋼筋增強(qiáng)FRC

2、C，可形成一種新型的配筋水泥基結(jié)構(gòu)，在提高強(qiáng)度的同時(shí)增大結(jié)構(gòu)延性，從而減輕結(jié)構(gòu)自重，提高結(jié)構(gòu)承載力，實(shí)現(xiàn)防護(hù)工程的大跨度和大空間。
　　 本文對(duì)高強(qiáng)細(xì)晶粒鋼筋HRBF500和纖維增強(qiáng)水泥基復(fù)合材料FRCC在大跨度防護(hù)工程中的應(yīng)用展開(kāi)研究，包括材料性能研究、構(gòu)件力學(xué)性能研究和結(jié)構(gòu)體系受力性能研究三個(gè)方面，具體內(nèi)容如下:
　　 (1)研究纖維增強(qiáng)水泥基復(fù)合材料FRCC(包含聚乙烯醇纖維PVA增強(qiáng)的PFRCC和鋼纖維增強(qiáng)的SF

3、RCC兩種)的制備工藝及材料性能，包括抗拉強(qiáng)度、抗壓強(qiáng)度、彈性模量、極限拉應(yīng)變、壓應(yīng)變和不同養(yǎng)護(hù)制度制備工藝對(duì)其強(qiáng)度的影響，并建立受壓（拉）應(yīng)力—應(yīng)變?nèi)€方程。通過(guò)養(yǎng)護(hù)制度對(duì)FRCC強(qiáng)度的影響研究發(fā)現(xiàn)，蒸汽養(yǎng)護(hù)并非FRCC實(shí)現(xiàn)高強(qiáng)度的必要條件，采用標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)制度，90天齡期時(shí)，F(xiàn)RCC能夠達(dá)到設(shè)計(jì)要求的抗壓強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度，這一點(diǎn)與普通混凝土相比是不同的。
　　 (2)研究高強(qiáng)細(xì)晶粒鋼筋HRBF500的材料性能，主要參數(shù)包括抗拉強(qiáng)

4、度、彈性模量和極限拉應(yīng)變，并給出其應(yīng)力—應(yīng)變關(guān)系曲線。試驗(yàn)結(jié)果表明HRBF500不但具有較高的抗拉強(qiáng)度，而且保持了普通低碳鋼的屈服臺(tái)階，具有大流變，大延伸率的特點(diǎn)，有別于高強(qiáng)高碳鋼。
　　 (3)設(shè)計(jì)制作2個(gè)HRBF500/FRCC軸心受壓空心柱和8個(gè)HRBF500/FRCC偏心受壓空心柱，研究了纖維、配筋率、空心率和偏心距對(duì)構(gòu)件荷載—位移曲線、荷載—鋼筋應(yīng)變及荷載—水泥基材應(yīng)變曲線的影響。試驗(yàn)結(jié)果表明HRBF500/FRCC受

5、壓空心構(gòu)件具有較高的承載能力和極限變形能力，HRBF500和FRCC兩種新材料變形協(xié)調(diào)良好，滿足平截面假定。以條帶法為基礎(chǔ)，給出偏心空心柱在不同條件下受壓荷載—位移計(jì)算曲線并與試驗(yàn)曲線對(duì)比;推導(dǎo)HRBF500/FRCC受壓構(gòu)件相關(guān)公式并對(duì)本試驗(yàn)的Mu-Nu的相關(guān)曲線數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，并同理想Mu-Nu相關(guān)曲線進(jìn)行對(duì)比，二者吻合度較高。
　　 (4)模擬單建式防護(hù)結(jié)構(gòu)和附建式防護(hù)結(jié)構(gòu)，共制作了5榀HRBF500/FRCC防護(hù)框架與4榀

6、HRB335/C30對(duì)比框架進(jìn)全過(guò)程等效靜力試驗(yàn)，研究不同材料和不同工況下防護(hù)框架的荷載—位移曲線、荷載—鋼筋應(yīng)變及荷載—水泥基材應(yīng)變曲線。試驗(yàn)結(jié)果表明，在相同受彎承載力條件下，HRBF500/FRCC防護(hù)框架與HRB335/C30防護(hù)框架相比，梁高減小27％，柱截面減小55％。HRBF500/FRCC防護(hù)框架破壞時(shí)撓度較大，延性比較高，接近6?？缰袠O限變形達(dá)到了跨徑的1/25～1/27，其支座彈塑性極限轉(zhuǎn)角試驗(yàn)值要大于普通防護(hù)框架梁，

7、這種新材料框架結(jié)構(gòu)在滿足承載力極限狀態(tài)的前提下具有良好的延性和極限變形能力。而普通防護(hù)框架結(jié)構(gòu)雖然滿足承載力極限狀態(tài)要求，但是延性和極限變形能力較小。在相同受剪承載力條件下，HRBF500/FRCC防護(hù)框架梁截面小，破壞形式體現(xiàn)出彎剪的特征，依舊出現(xiàn)較大變形，具有一定的延性，而普通防護(hù)框架梁截面較大，破壞形式體現(xiàn)出明顯的剪切特征，變形較小，屬于脆性破壞。
　　 (5)建立新型及普通防護(hù)框架有限元模型，研究?jī)深惙雷o(hù)框架在不同工況下

8、應(yīng)力分布、荷載—位移曲線、裂縫分布情況，通過(guò)與試驗(yàn)值及計(jì)算值對(duì)比發(fā)現(xiàn)，該模型能夠較為準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)防護(hù)框架的受荷行為與破壞狀態(tài);應(yīng)用條帶法研究防護(hù)框架彎矩—曲率(M-(o)）關(guān)系、荷載—撓度（P-f)曲線和等效塑性區(qū)長(zhǎng)度，并與試驗(yàn)值及有限元對(duì)比，三者較為吻合，以該數(shù)值方法為基礎(chǔ)，延伸分析截面、配筋率、混凝土強(qiáng)度及極限壓應(yīng)變對(duì)上述關(guān)系的影響?；谏鲜鲅芯拷Y(jié)果，給出防護(hù)框架延性比計(jì)算值，研究不同條件下延性比相關(guān)性。以軟化桁架理論為基礎(chǔ)，進(jìn)行防護(hù)

9、框架梁斜截面抗剪承載能力全過(guò)程分析，并與規(guī)范值和試驗(yàn)值對(duì)比，軟化桁架理論計(jì)算值更接近試驗(yàn)值。
　　 (6)進(jìn)行HRBF500/FRCC人防框架結(jié)構(gòu)試點(diǎn)工程試驗(yàn)，采用SATWE結(jié)構(gòu)空間有限元分析設(shè)計(jì)軟件和ETABS通用結(jié)構(gòu)分析與設(shè)計(jì)軟件對(duì)HRBF500/FRCC試點(diǎn)工程結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算，并對(duì)兩類軟件的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行比較。對(duì)試點(diǎn)區(qū)現(xiàn)有和原有結(jié)構(gòu)施工圖比較發(fā)現(xiàn):防護(hù)框架梁在梁高減小27％的情況下，縱向鋼筋用量基本持平，配箍率增加較大;防

10、護(hù)框架柱在截面面積不變的情況下，縱向鋼筋用量減少55％，現(xiàn)有施工圖在材料用量上的減少明顯。完成現(xiàn)場(chǎng)的材料配制和施工組織并進(jìn)行技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析，將新材料應(yīng)用于實(shí)際工程。
　　 通過(guò)上述試驗(yàn)研究、理論研究及試點(diǎn)工程應(yīng)用可以看出，在防護(hù)結(jié)構(gòu)體系中應(yīng)用HRBF500/FRCC可以有效提高防護(hù)框架結(jié)構(gòu)的受彎和受剪性能，提高防護(hù)結(jié)構(gòu)延性，預(yù)計(jì)可以滿足戰(zhàn)時(shí)的安全性和低損傷性要求，HRBF500高強(qiáng)細(xì)晶粒鋼筋和FRCC這兩種高新材料的結(jié)合，在防護(hù)工