复合配筋增强ECC-混凝土组合梁受弯性能研究

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ECC(Engineered cementitious composites)是一种高延性纤维水泥基复合材料,它具备超高延性和韧性以及多裂缝稳态开裂发展等特性。FRP(Fiber Reinforced Polymer)是一种纤维增强复合材料,纤维种类多,性能各异,可设计性强,是解决重大工程结构腐蚀以及实现寿命和高性能的最佳选择。由于钢筋的延性好以及FRP筋具有轻质高强和耐腐蚀等优点,因而复合配筋混凝土梁较FRP筋混凝土梁有更好的延性,有更细的裂缝以及有更小挠度等特点;较RC梁具有更高的承载力与耐腐蚀性强等特点。然而,钢筋/FRP筋与混凝土难以协调共同受力变形,混凝土开裂时裂缝过大,钢筋同样会产生严重锈蚀以及FRP筋会因应力集中而加速其拉伸断裂。采用ECC替代混凝土构成复合筋增强ECC及ECC-混凝土组合梁将显著提升组合梁的裂缝控制能力。本文提出一种新型FRP筋-钢筋复合配筋增强ECC-混凝土组合梁构件以及U形ECC-FRP筋预制模板组合梁构件,将FRP筋放置在梁构件底部,ECC部分替代混凝土,在控制成本的基础上最大效果的发挥出FRP筋以及ECC的作用。本文首先对6根不同配筋率、基体材料和ECC替换位置的复合筋增强ECC及ECC-混凝土组合梁构件进行静载受弯试验研究。在试验的基础上,运用MATLAB软件对梁构件弯矩-曲率全过程进行数值计算,通过与试验对比验证了模型的准确性;随后,进行参数分析,考察截面尺寸、ECC替换高度、混凝土抗压强度、ECC材料参数以及配筋率等参数对受弯性能的影响,并提出了受弯承载力的简化计算方法,为工程应用提供依据。最后,提出了U形ECC-FRP筋预制模板组合梁的概念及承载力的简化计算方法。具体的研究内容如下:(1)对6根梁构件进行静载受弯试验,试验结果为:配筋率的增大,提高了复合筋ECC梁的受弯承载力与截面刚度;组合梁较混凝土梁的受弯承载力以及截面刚度均高;ECC的加入可以有效避免梁发生过大的变形和控制裂缝过大且能够显著提高梁的抗弯承载能力。综上所述,复合筋增强ECC-混凝土组合梁构件具有优越的受弯性能,不仅获得更高的承载力和有效降低梁发生过大的变形还能够抑制裂缝加剧发展。(2)基于混凝土与ECC的材料本构模型,通过数值分析法计算出梁构件的弯矩-曲率曲线,该曲线与试验的弯矩-曲率曲线进行对比,两者吻合良好,再进行参数分析,分析结果表明:梁截面高度对受弯性能的影响大于梁截面宽度对受弯性能的影响;ECC材料的加入能够显著提高梁构件的承载力,但ECC替换高度达到一定高度时就对受弯性能影响不大,故ECC高度达到截面的三分之一就能够提高梁构件的承载能力以及达到耐腐蚀的效果,这样既可以控制受拉区筋材区域的裂缝宽度以及提高构件的受弯性能,又可以控制成本,降低ECC的使用;混凝土抗压强度越大,则梁构件的承载力越大,曲率反而减小;极限拉应变对梁构件的承载力几乎没有影响;配筋率越大,梁构件的承载力越大,曲率反而减小。在参数分析的基础上,提出了复合配筋增强ECC梁/组合梁受弯承载力的简化计算方法,该简化计算结果与试验结果和理论结果吻合良好,验证了计算方法的准确性。(3)提出了一种新型U形ECC-FRP筋预制模板组合梁,是用U形ECC-FRP筋预制模板作为RC梁的一种模板。然后运用MATLAB软件对该梁构件的弯矩-曲率全过程进行数值计算,通过与试验对比验证了模型的准确性。随后,进行了参数分析,结果为截面尺寸和配筋率对梁的受弯性能影响较大;四种FRP筋中,CFRP筋对试件梁的受弯性能影响最大,延性最好;不同的ECC预制模板的侧板宽度对受弯性能几乎没有影响。最后提出该U形ECC-FRP筋预制模板组合梁的受弯承载力的简化计算方法,计算结果与试验结果和理论结果吻合良好,验证了计算方法的准确性。
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