无腹筋钢筋增强ECC梁的抗剪性能试验和理论研究

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钢筋混凝土构件的抗剪性能研究是混凝土结构基本理论中的经典问题之一。由于受剪破坏的影响因素众多,破坏形态复杂,目前对混凝土受剪机理的认识还不足,至今未能建立一套较完整的理论体系。在计算梁的抗剪承载力时,纵向钢筋的销栓作用通常被忽略或计入混凝土的抗剪贡献中,至今没有销栓作用的抗剪定量分析。钢筋混凝土梁的抗剪破坏通常属于脆性破坏,失效前缺乏明显预兆,容易导致灾难性后果。高延性纤维增强水泥基复合材料(ECC)是一种具有超高延性和优越裂缝控制能力的水泥基复合材料,在2%的纤维体积掺量下其极限拉伸应变达到2%~6%,具有假应变硬化特性和多裂缝开裂机制。ECC在抗剪方面也具有良好的性能,将其运用到结构构件的关键部位,能够有效改善混凝土结构剪切破坏脆性严重的问题。因此研究无腹筋钢筋增强ECC梁的抗剪性能具有重要的理论意义和实际价值。本文从试验研究、数值模拟、理论推导三个方面对无腹筋钢筋增强ECC梁的抗剪性能进行了深入的研究,具体内容如下:(1)进行了ECC基本力学试验和钢筋材性试验。通过分析ECC的制备并浇筑圆柱体试块进行压缩试验和狗骨试块进行拉伸试验,得到试件的压缩和拉伸应力应变曲线。同时对本次试验采用的钢筋进行了材料性能试验,得到钢筋的应力应变曲线,为进一步的理论分析和数值模拟提供依据。(2)进行了无腹筋钢筋增强ECC梁的抗剪试验。以基体材料、配筋率、剪跨比为控制参数,对9根ECC梁、1根混凝土梁、1根砂浆梁进行了四点弯静载抗剪性能试验。试验结果表明,ECC构件的抗剪性能远远优于混凝土试件和砂浆试件。在相同的条件下,ECC梁的抗剪承载能力是混凝土梁的1.67倍,是砂浆梁的2倍。相比普通混凝土梁,ECC梁具有良好的抗剪切能力和裂缝控制能力。剪跨比从2.0增加到3.0时,无腹筋纤维增强ECC梁由斜压破坏逐渐转变为剪拉破坏,承载能力依次减弱。纵筋配筋率的提高可以在一定程度上抑制斜裂缝的发展,梁的抗剪承载力随纵筋配筋率的增加而增大。(3)定量研究了纵向钢筋的销栓作用在无腹筋梁总抗剪承载力中的贡献。首先基于ABAQUS软件对无腹筋纤维增强ECC梁和混凝土梁进行了有限元分析,结果证实数值分析能较准确地研究梁的抗剪问题。其次,针对嵌入混凝土的单根钢筋建立模型,主要讨论了基体材料、不同裂缝张开值、基体材料强度、ECC抗拉强度等因素对销栓承载力的影响。最后,建立了无腹筋梁多根钢筋的销栓作用模型,并结合试验测量数据,得到销栓力在整个加载过程中随挠度的变化曲线,定量研究其对无腹筋梁的抗剪贡献。结果表明,销栓作用在无腹筋混凝土梁的抗剪贡献不显著,峰值荷载只有2%左右;销栓作用在无腹筋增强ECC梁中的抗剪贡献较大,峰值荷载达到35%左右。(4)建立了无腹筋钢筋增强ECC梁的抗剪承载力计算公式。基于混凝土的桁架-拱抗剪模型,考虑纵筋销栓作用的抗剪贡献,提出了无腹筋钢筋增强ECC梁抗剪承载力计算公式,并与试验结果进行了对比。对比结果表明,所提出的公式能够较好地预测无腹筋钢筋增强ECC梁的抗剪承载力。
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