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钢纤维增强混凝土疲劳性能圆板试验研究

刘月  
【摘要】:混凝土开裂是土木工程领域亟待解决的问题。钢纤维混凝土作为一种以混凝土为基材,以乱向分布钢纤维为增强材料的新型且性能优良的复合材料具有阻碍混凝土微裂缝和宏观裂缝发展的作用。因此钢纤维混凝土逐渐应用于对混凝土开裂要求较高的机场路面和桥面板等结构中。同时较多对混凝土开裂问题要求较高的结构需要承受循环荷载的作用。疲劳荷载下的结构容易发生低于极限荷载的脆性破坏,严重危及结构的使用和使用者的安全。因此本文针对钢纤维混凝土疲劳性能进行了研究。根据ASTM C 1550的圆板试验方法,本文采用75个试件进行等幅循环荷载试验。通过不同钢纤维质量掺量(20%、30%、35%)、不同钢纤维型号(3D、4D、5D)、不同长径比(65、55)和不同应力水平(0.6、0.75、0.9)的钢纤维增强混凝土与普通混凝土的疲劳试验进行对比,研究钢纤维质量掺量、钢纤维型号、长径比和应力水平对钢纤维混凝土圆板变形特征和疲劳寿命的影响。同时采用ANSYS workbench进行有限元数值分析,模拟混凝土圆板试件跨中位移、应力分布和疲劳寿命,并进一步预测不同应力水平下圆板的疲劳寿命。主要研究内容和成果如下:(1)观察和分析混凝土圆板破坏形态。试验表明混凝土圆板破坏形态大多为由圆板底部圆心向四周扩展的介于两支座间的三条主裂缝,同时圆板上侧对应位置有三条压碎的迹线,与混凝土构件受弯破坏的特点相似。(2)分析初次静载作用下和疲劳荷载作用后荷载-跨中挠度曲线特征,并得到静载和疲劳荷载作用后钢纤维型号、钢纤维质量掺量和应力水平对荷载-跨中挠度曲线的影响规律。(3)分析钢纤维掺量、钢纤维型号、长径比和应力水平对疲劳寿命的影响规律:钢纤维的掺入能有效的提高了混凝土的疲劳寿命,但钢纤维掺量对混凝土疲劳寿命的影响并不是线性的,具有最优的纤维掺量;5D钢纤维对疲劳寿命的提高作用较3D和4D钢纤维更显著;钢纤维长径比越大对混凝土疲劳寿命的提高作用越明显,相同长径比的情况下,长度越短且直径越小的钢纤维对混凝土疲劳寿命的提高作用越显著;应力水平对疲劳寿命的影响最显著,随着应力水平的提高,混凝土圆板的疲劳寿命明显减少。(4)分析普通混凝土和钢纤维混凝土圆板疲劳寿命的分布规律:普通混凝土圆板和5D钢纤维混凝土圆板更符合两参数威布尔分布;3D钢纤维混凝土圆板在钢纤维掺量为20kg/m~3时更符合对数正态分布,在钢纤维掺量为35kg/m~3时更符合两参数威布尔分布;长径比为55的4D钢纤维在钢纤维掺量为30kg/m~3时更符合对数正态分布,在钢纤维掺量为20kg/m~3时更符合两参数威布尔分布;长径比为65的4D钢纤维更符合对数正态分布。(5)拟合出了普通混凝土与3D钢纤维混凝土圆板的平均疲劳寿命的S-N曲线和考虑失效概率的P-S-N曲线。(6)采用有限元模拟普通混凝土和3D钢纤维混凝土圆板跨中挠度和疲劳寿命,并与试验对比,有限元模拟的最大应力、应变位置与试验所得一致。(7)在试验和有限元模拟结果的基础上建立了普通混凝土和3D钢纤维混凝土疲劳寿命的GM(1,1)灰色预测模型。


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