无粘结预应力型钢超高性能混凝土梁抗弯性能试验研究

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无粘结预应力型钢超高性能混凝土(简称:UHPC)梁是一种新型组合梁,其融合了UHPC材料性能,型钢特点,无粘结预应力技术三方面优势。为研究其抗弯性能,采用受弯对比试验,有限元及理论分析方法,对不同影响因素下的无粘结预应力型钢UHPC梁的破坏形态、裂缝开展、抗弯承载力、弯曲延性等方面进行研究。主要工作与成果有:(1)基于ABAQUS软件中混凝土材料塑性损伤(CDP)模型,针对UHPC不同的单轴受力本构模型,采用当前几种主流的塑性损伤因子计算方法,得到适用于UHPC材料的CDP参数。结合已有的型钢UHPC梁受弯试验,将UHPC的CDP参数输入ABAQUS中建立型钢UHPC梁有限元计算模型,进行数值分析。结果表明:根据实测UHPC材料特征值,结合合适的UHPC本构关系及塑性损伤因子计算方法,模拟较好地验证了试验结果;建议选取下降段较缓和的受压应力-应变曲线,受拉应力-应变曲线近似强化模型,采用能量损失法及Sidoroff能量等价原理计算UHPC塑性损伤参数。(2)以含型钢率和预应力筋配筋率为参数,完成了三根梁受弯试验,测试并对比分析测得的跨中荷载-挠度曲线,型钢和UHPC应变、无粘结预应力钢绞线应力增量,裂缝宽度及高度等数据。结果表明:所有试件在破坏时钢筋与型钢均发生屈服,表现为适筋梁延性破坏模式,典型特征为上部UHPC出现破坏,但完整性较好,无崩裂现象。由于钢纤维的桥接作用,受拉区UHPC开裂之后仍然工作,开裂拐点不明显。与无粘结预应力UHPC梁和型钢UHPC梁相比,无粘结预应力型钢UHPC梁承载力、抗弯刚度、弯曲延性性能等均显著提升,具有更好的变形性能。另外,单独施加预应力比仅埋置型钢更能提高UHPC梁开裂前的刚度。(3)采用磁通量传感器可以较好地测量无粘结预应力钢绞线应力增量,测量结果表明在试件破坏时,钢绞线未受拉屈服,尚有一定强度储备。三根试验梁的开裂荷载占各自极限荷载的比例为40%-50%,相比普通混凝土的20%-30%有较大提升。同一高度处型钢与UHPC的应变变化趋势大致相同,在型钢大部分受拉屈服之后二者应变出现偏离,但是总体上能够保证共同工作。三根试验梁受弯开裂时均出现多元开裂现象,裂纹细而密集,含有型钢的梁裂纹更加细密。(4)采用试验结果验证有限元模型,进行配筋率、含型钢率、有效预应力、预应力筋及型钢高度、型钢牌号及预应力筋有无粘结等影响无粘结预应力型钢UHPC梁抗弯承载力及延性的因素分析。基于平截面假定,根据开裂及极限状态截面应变及应力分布状态进行简化,推导无粘结预应力型钢UHPC梁承载力理论计算公式。开裂弯矩、极限弯矩计算值与试验和模拟值比值平均值分别为0.965、0.915,理论计算值偏于安全,可为后续该结构的设计计算提供参考。
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