配筋超高韧性水泥基复合材料受弯构件计算理论与试验研究

【摘要】： 南水北调工程重要输水建筑物如长距离输水隧洞、大型输水渡槽的安全性对整个输水工程的安全运行至关重要。从结构设计选材方面应做到确保满足南水北调重大工程结构抗裂防震要求,最大限度降低甚至免去维护和加固费用,从根本上保证重大基础设施的安全运行。结合国家自然科学基金重点项目(50438010)和南水北调工程重大关键技术研究及应用项目(JGZXJJ2006-13),本论文以超高韧性水泥基复合材料(UHTCC)这一新型绿色结构材料为基础,开展了向新材料结构方向迈进的探索性工作,旨在建立配筋超高韧性水泥基复合材料受弯构件计算新理论,提出一种具有防裂抗震和优异耐久性能的新材料复合结构。为实现此目的,主要开展了如下研究工作: 1.针对水工混凝土大跨薄壳结构的开裂问题、腐蚀环境下的钢筋混凝土结构维修和加固问题,结合纤维编织网与UHTCC二者的优势,开展了非金属筋(碳纤维编织网)增强超高韧性水泥基复合材料的力学性能试验研究。通过11组碳纤维编织网增强UHTCC(CTRUHTCC)薄板四点弯曲试验(试件尺寸400 mm×100 mm×10 mm)和拔出试验(试件尺寸140mm×60mm×10mm)研究,分析了基体水胶比、纤维编织网表面处理方法、基体PVA纤维掺量对CTRUHTCC裂缝开展形态、承载能力和粘结性能的影响,发现采用环氧树脂浸渍碳纤维编织网之后进行表面粘砂是改善碳纤维编织网与基体之间粘结性能的实用方法。 2.利用UHTCC材料显著的非线性变形能力、出色的力学特性和与钢筋的变形协调性以及优异的裂缝控制能力,针对UHTCC在抗震限裂要求严格的大跨度结构或结构变形关键部位使用时遇到的构件设计问题,开展了钢筋增强超高韧性水泥基复合材料受弯构件即RUHTCC长梁的弯曲性能研究。基于材料的力学本构模型和平截面假定,建立了配筋UHTCC受弯构件的计算模型,对加载至最终破坏各阶段内力变化进行了详细的分析,给出了加载至破坏整个过程的弯矩-曲率关系的确定方法,以及延性指标和跨中挠度的计算公式。提出了相关配筋计算公式以供工程使用参考。 3.进行了3组共12根不同配筋率的无腹筋大跨度RUHTCC梁(试件尺寸2450 mm×120 mm×80 mm)四点弯曲试验研究,验证了本文所提出的配筋UHTCC受弯构件计算模型的合理性。通过与3根普通钢筋混凝土梁的对比发现,RUHTCC梁破坏模式更具韧性特征,UHTCC材料能够明显的延缓钢筋的屈服,提高结构或构件的承载力,降低构件对截面尺寸和配筋率的要求,从而减轻结构自重,降低工程造价。使用电阻应变片法和裂缝观测仪观察了梁的起裂和裂缝扩展,发现RUHTCC梁具有卓越的裂缝控制能力,在正常使用状态下,裂缝宽度可以保持在0.05mm以内。 4.提出了RUHTCC的简化计算方法以便于实际工程设计使用;确定了RUHTCC的界限配筋率和最小配筋率的取值以及变形和截面曲率延性系数的计算方法,发现当UHTCC拉伸应变能力较高时无需最小配筋率的限定;分析了截面几何尺寸、材料性能参数和纵筋配筋率对RUHTCC受弯梁的承载力、变形和延性的影响。 5.根据功能梯度这一概念,利用UHTCC优秀的裂缝控制能力,使用UHTCC材料代替部分混凝土作为钢筋保护层制备了控裂功能梯度复合梁(UHTCC-FGC),以提高钢筋混凝土结构的耐久性。对整个加载过程中复合梁的内力变化和裂缝开展进行了探讨,给出了加载至破坏整个过程的弯矩-曲率关系的确定方法,以及跨中挠度、截面延性指标的计算公式。 6.通过4组共16根不同厚度UHTCC保护层的UHTCC-FGC梁(试件尺寸2450mm×120 mm×80 mm)四点弯曲试验结果验证了理论计算公式的正确性。对UHTCC-FGC梁的承载力-变形关系曲线和裂缝开展形态进行了分析讨论,并与3根钢筋混凝土对比梁进行了比较。应用应力叠加的方法以及耐久性方面考虑,得到了UHTCC-FGC梁中UHTCC保护层的最佳厚度确定方法。