螺旋箍筋约束混杂纤维轻骨料混凝土轴压性能研究

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轻骨料混凝土具有轻质高强、保温隔热性好等优点,但与普通混凝土相比脆性显著,掺入纤维和配置箍筋是改善其脆性特征的有效途径。目前,在轻骨料混凝土中使用较多的单掺纤维和混杂纤维分别为钢纤维和钢-聚丙烯纤维,轻骨料混凝土最显著的优势是“轻”,但钢纤维会增加自重,采用轻质高弹模的碳纤维与聚丙烯纤维混掺至轻骨料混凝土中,是一种保持其优点、改善其性能的方法,且其在箍筋约束下的应力-应变关系模型有待研究。因此,本文开展了非约束与螺旋箍筋约束的混杂纤维轻骨料混凝土轴压性能研究,主要内容有:1.完成了9组不同体积掺量(0、0.2%和0.4%)的碳纤维和聚丙烯纤维单掺及混掺的纤维轻骨料混凝土单轴受压试验,研究了纤维种类及掺量对应力-应变曲线特征点的影响,重点分析了韧性和混杂效应,建议了纤维轻骨料混凝土的立方体和棱柱体抗压强度间的关系。研究表明:掺入纤维降低了轻骨料混凝土的初始弹模约1.3%~18.1%,但提高了峰值应变约1.9%~54.8%和极限应变约29.2%~122.8%;纤维对韧性的改善效果为混杂纤维>单掺碳纤维>单掺聚丙烯纤维,当混杂纤维中两类纤维的体积掺量均为0.4%时,对轻骨料混凝土韧性的改善效果较好。2.完成了18根螺旋箍筋约束混杂纤维轻骨料混凝土轴心受压试验,研究了箍筋间距(30mm和45mm)、纤维种类(碳纤维和聚丙烯纤维)及纤维体积掺量(0、0.2%和0.4%)对试件破坏形态、峰值荷载、应力-应变曲线特征点等轴压性能的影响,重点分析了钢筋应变与约束混凝土轴向应变间关系,基于本文试验对各规范预测的轴压承载力进行评估。试验结果表明:减少箍筋间距有利于箍筋发挥约束作用提高试件承载力,增幅区间为0.21%~6.1%;纤维对约束混凝土的峰值应力、峰值应变和峰后延性等影响显著,相比未掺纤维试件,单掺纤维试件的延性指数提高范围为6%~67.3%,混杂纤维试件的延性指数提高范围为52.7%~488%,当混杂纤维中两种纤维掺量相同时,对试件的延性改善效果较优;箍筋屈服点对应的约束混凝土轴向应变随碳纤维掺量增加而提前,但受聚丙烯纤维掺量的影响较小;GB 50010-2010相比JGJ 12-2006和ACI 318-14规范的承载力预测值更为准确,建议在轴压试件设计过程中合理考虑螺旋箍筋的贡献。3.基于螺旋箍筋约束机理和纤维增韧机理,推导了箍筋有效侧向约束力和纤维有效约束力计算公式;选取合理的约束效率指标,基于文献中已完成的105组轴心受压性能试验和18组本文试验的数据,采用回归分析方法建立了约束纤维轻骨料混凝土的峰值点计算模型;基于Mander模型、Lim模型等4个典型本构模型对本文约束试件的应力-应变曲线的拟合结果,重点选取了3种上升段形式和4种下降段形式,修正关键参数和特征点,建立了适用于箍筋约束纤维轻骨料混凝土的轴心受压应力-应变关系模型。通过本文研究,对深入了解螺旋箍筋约束混杂纤维轻骨料混凝土的轴压性能及本构关系模型具有重要意义,为纤维轻骨料混凝土的工程设计和推广应用提供了理论参考。
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