箍筋约束超高性能混凝土的单轴特性及本构模型试验研究

作     者：徐荣耀 

作者单位：西南交通大学 

学位级别：硕士

导师姓名：赵灿晖

授予年度：2019年

学科分类：08[工学] 0805[工学-材料科学与工程（可授工学、理学学位）] 

主      题：超高性能混凝土 箍筋约束粗骨料UHPC短柱 峰值应力 峰值应变 内约束 外约束 NC+UHPC复合墩 

摘      要：超高性能混凝土(Ultra-High Performance Concrete,UHPC)指在常温或高温的养护条件下,形成的一种抗压强度高、弹性模量高,同时具有高韧性、高耐久性以及受拉应变硬化等优于普通混凝土力学特性的新型水泥基复合材料。目前国内外对于箍筋约束UHPC短柱的应力-应变曲线关系的研究较少,提出的众多约束混凝土本构模型都难以适用于UHPC构件,而构件的本构关系是结构能否进一步研究并探讨的基础。本文针对箍筋约束粗骨料UHPC短柱在轴压作用下的力学行为进行了相关的研究,主要工作及结论如下:完成了粗骨料UHPC材料配合比试验以及各项力学性能试验研究,为箍筋约束UHPC短柱轴压应力-应变曲线关系研究提供了数据支持。结果表明,水胶比控制在0.143时可以获得较好的新拌混凝土性能;由于粗骨料UHPC的套箍效应影响较小,其棱柱体抗压强度与立方体抗压强度比值明显大于普通混凝土,各项力学性能指标也远优于普通混凝土。通过UHPC单轴拉伸试验发现,钢纤维掺量的增加可以有效提升UHPC的初裂强度、裂后强度及耗能;引入粗骨料可以提高抗压强度及弹性模量,但会削弱钢纤维的分散能力,减小UHPC的抗折强度及抗拉强度。通过完成16个箍筋约束粗骨料UHPC短柱轴压加载全过程的试验现象发现,加载初期试件变形平稳且缓慢,达到临界峰值荷载时,钢纤维被拔出而内部环向约束应力释放,箍筋断裂,试件发生脆性破坏。弹性段长度超过了0.95 f,其应力应变曲线呈现出双折线的形式。不同于普通钢筋混凝土,箍筋约束UHPC短柱在低配箍率时应力-应变曲线无明显下降段,极限应变等于峰值应变;当配箍率大于等于4%时,试验短柱出现了明显的屈服平台段,延性系数达到了1.16。国内外应用较为广泛的钢筋混凝土本构模型上升段常采用二次抛物线形式,因此普遍低估了粗骨料UHPC的峰值应力,而高估了其峰值应变,使得这一类本构模型难以适用于箍筋约束UHPC轴压短柱。结合短柱加载的试验结果,探讨了箍筋约束UHPC短柱约束机理,分别由内部约束与外部约束共同作用。内约束主要是由钢纤维的桥接作用而引起的环向约束力;而外约束为箍筋提供的环向约束力。配箍率较低时,以内部约束为主,在临近破坏时,内部约束失效,箍筋难以承受内约束所释放的环向约束力而断裂,发生脆性破坏;而配箍率较高时,箍筋可以承受内约束失效所释放的能量,外部约束使试件表现出一定的塑性性能。本文推导了环向约束应力的计算方法,并给出了箍筋约束UHPC短柱的峰值应力及峰值应变计算公式,构建了单轴受压理论本构模型,对计算值与试验值结果进行对比,吻合度较高。引入内外约束应力比值η与内外约束应变能比值η对比两者的约束效应,结果表明η?2?、η?4?,在满足工程中常规配筋率的条件下,箍筋约束UHPC短柱以内部约束为主,外部约束作用可以忽略。同时,对于不同的工程需求,本文给出了三种条件下的最小建议配箍率。基于PQ-Fiber纤维模型并结合本文提出的箍筋约束粗骨料UHPC短柱轴压本构模型,建立了ABAQUS有限元三跨连续梁桥抗震模型,采用NC+UHPC复合墩柱可以有效提升墩柱的抗震性能,相较传统NC墩柱,在达到同等能力需求比时可大幅缩减截面尺寸,降低结构自重。