基于桁架—拱模型的UHPC梁的抗剪承载力研究

作     者：夏文敏 

作者单位：北京交通大学 

学位级别：硕士

导师姓名：余自若

授予年度：2022年

学科分类：08[工学] 081402[工学-结构工程] 081304[工学-建筑技术科学] 0813[工学-建筑学] 0814[工学-土木工程] 

主      题：UHPC梁 数值分析 桁架-拱模型 钢纤维 抗剪承载力 抗剪斜裂缝宽度 

摘      要：超高性能混凝土(ultra-high performance concrete,UHPC)是一种新型的水泥基复合材料,在桥梁工程中有着广泛的应用。混凝土梁的剪切破坏是脆性破坏,UHPC强度高,高强度可能带来高“脆硬性,使UHPC梁的剪切破坏脆性更加严重。UHPC中掺入了钢纤维,但钢纤维对UHPC梁抗剪承载力的贡献一直没有进行量化的研究,因此量化研究钢纤维对UHPC梁抗剪承载力的贡献,提出更经济、更合理的UHPC梁的抗剪承载力计算公式是有必要的。本文主要有以下工作和结论:(1)利用数值分析手段,研究了UHPC梁的剪切破坏形态,分析了纵筋配筋率、纵筋强度、钢纤维掺量和剪跨比等因素对UHPC梁荷载-位移曲线的影响,与普通混凝土梁的抗剪性能进行了对比。结果表明:随着纵筋配筋率的增加,UHPC梁的抗剪承载力增加、延性降低;随着纵筋强度的增加,UHPC梁的抗剪承载力增加、延性降低;随着钢纤维掺量增加,UHPC梁的抗剪承载力增加、延性增加;随着剪跨比的增加,UHPC梁的抗剪承载力降低、延性增加;UHPC梁较普通混凝土梁塑性损伤程度低、初始弹性模量大、抗剪承载力高。(2)对比分析了普通混凝土规范与UHPC规范中抗剪计算式的异同,搜集了147根UHPC矩形梁试验数据,建立了抗剪试验数据库,对普通混凝土规范和UHPC规范中的抗剪计算公式进行适用性验证;基于抗剪试验数据库,统计分析了剪跨比、纵筋配筋率、箍筋配筋率和钢纤维特征对UHPC梁抗剪承载力的影响。结果表明:普通混凝土规范的计算方法不能直接套用于UHPC受剪构件;现有的UHPC规范中,对抗剪承载力的计算都偏于保守;UHPC梁的抗剪承载力随着剪跨比的增大而减小,随着纵筋配筋率的增大而增大,随着箍筋配筋率的增大而减小,随着长径比的增大而增大,随着钢纤维掺量的增大而增大;纵筋配筋率的最优范围为4%%,长径比的最优范围为600,钢纤维掺量的最优范围为1%%。(3)基于桁架-拱模型,考虑钢纤维的增强作用对UHPC梁抗剪承载力的影响,对单根钢纤维进行受力分析,采用厚壁圆筒原理分析钢纤维与UHPC之间的黏结应力,并考虑纤维效应系数提出了UHPC梁中钢纤维的拉力,进而将钢纤维量化为桁架拉杆进行抗剪计算,提出了UHPC梁的抗剪承载力计算公式,给出了公式中斜压腹杆倾角和软化系数的取值、剪跨比的范围。基于本文搜集到的抗剪试验数据库,对比本文模型计算值与试验值,验证本文所推导的抗剪计算公式的准确性和适用性,并讨论了钢纤维在抗剪承载力中的贡献值。结果表明:本文所推导的抗剪计算公式具有一定的准确性,适用于不同梁高下的UHPC梁;钢纤维对UHPC梁抗剪承载力有明显贡献、不容忽略的。(4)分析讨论了UHPC梁的抗剪斜裂缝的形成、影响因素和计算方法,基于经典的粘结-滑移理论建议了适用于UHPC梁的抗剪斜裂缝宽度计算公式,给出了公式中斜向开裂荷载、综合差异系数等相关系数的取值和计算式。