掺钢纤维无配筋UHPC矩形梁抗扭性能试验研究

为研究掺钢纤维无配筋超高性能混凝土(UHPC)矩形梁的抗扭性能,分析钢纤维类型对梁体纯扭受力行为的影响,设计制作4根UHPC矩形梁[包括未掺钢纤维试件1根;掺短圆直、长圆直、端钩钢纤维试件各1根(钢纤维长分别为13,20,13 mm,直径均为0.2 mm,体积掺量均为2%)],并设计1套纯扭加载装置进行试件纯扭试验。基于试验结果,分析各试件在纯扭作用下的扭矩～扭率曲线、开裂和极限扭矩、扭矩～应变曲线、裂缝分布等,并推导UHPC矩形梁的抗扭承载力计算公式,将计算值与试验值进行对比验证。结果表明：掺入钢纤维使UHPC试件由脆性破坏变为延性破坏,且开裂和极限扭矩均有明显提升,最大提升幅度分别为45.6%和100.6%;当体积掺量不变时,钢纤维类型对无配筋UHPC梁开裂扭矩和扭率影响较小,但对极限扭矩和扭率以及裂缝分布有较大影响;掺端钩纤维试件和掺长圆直纤维试件的抗扭承载力和延性均优于掺短圆直纤维试件;掺钢纤维UHPC梁在纯扭作用下的主拉和主压应变显著高于未掺试件,表明钢纤维可以有效“桥联”UHPC基体;试件的抗扭承载力试验值和计算值比值的平均值为0.93,标准差为0.09,说明提出的抗扭承载...     

配筋UHPC矩形梁抗扭承载性能试验与计算方法

针对配筋超高性能混凝土（UHPC）构件的抗扭性能研究严重不足的状况，进行10个不同配筋率UHPC矩形梁的纯扭试验。研究参数主要包括钢纤维掺量、纵筋配筋率和箍筋配筋率。观察或测试试件的扭转破坏过程及形态，获得裂缝开展及分布情况、失效模式、扭矩-扭率曲线、扭矩-UHPC应变曲线、扭矩-钢筋应变曲线、开裂扭矩及极限扭矩等数据，分析不同参数对其扭转性能的影响规律及其主要机理。研究结果表明：扭矩不大于无筋UHPC试件极限扭矩时，配筋构件抗扭刚度小于无筋构件；配筋及无筋试件的纯扭破坏均表现为多条主裂缝贯通，且裂缝呈空间螺旋状分布；无配筋试件形成少量斜裂缝，极限扭率较小，破坏过程迅速；配筋试件形成细且密的斜裂缝、极限扭率较大、延性更好；根据实测的极限扭矩扭率增幅情况，以及纵、箍筋屈服情况，受扭的UHPC配筋试件可分为少筋Ⅰ类构件（含无筋构件）、少筋Ⅱ类构件、适筋构件、部分超筋构件、超筋构件；钢纤维改善了UHPC抗拉特征，使得主裂缝开裂角度（裂缝与试件轴线的夹角）增加；钢纤维掺量由2.5%增加到3.5%，试件开裂扭矩和极限扭矩分别提高了23.2%和20.9%。在试验的基础上，根据扭转试件即将开裂时实测的拉压应力状态以及二维应力状态下的强度准则，得到UHPC构件开裂扭矩系数值；最后，根据试验结果得到了UHPC极限扭矩计算公式的截面抗扭系数。     

弯剪扭荷载下配筋UHPC矩形梁的扭转性能与承载力计算

配筋超高性能混凝土(Ultra-high Performance Concrete, UHPC)梁在弯剪扭组合荷载作用(复合受扭)下的抗扭性能研究较为匮乏。为此，开展了8根配筋UHPC矩形梁的复合受扭试验，获得了各试件损伤破坏模式、扭矩-扭率曲线、扭矩-应变曲线及扭矩-裂缝宽度曲线，分析了配筋UHPC矩形梁复合受扭破坏机理，探讨了扭剪比、纵向配筋率对抗扭承载性能和延性的影响。试验结果表明：试件破坏形态为纯扭破坏和非纯扭(扭转、剪扭、弯扭)破坏；相比于纯扭试件，非纯扭试件表面未形成空间螺旋形裂缝，同时其正立面裂缝比背立面数量更多且更宽，非纯扭试件开裂扭矩降低46%～73%,抗扭承载力降低1%～38%,扭转延性系数提高38%～169%。随扭剪比从1增加到3,非纯扭试件抗扭承载力提高1%～21%,扭转延性系数提高24%～88%;随着纵向配筋率从0.78%增加到4.90%,试件抗扭承载力提高12%～27%,非纯扭试件扭转延性系数提高35%～88%,但纯扭试件扭转延性系数下降了31%。配筋UHPC复合受扭梁弯扭相关性符合“三折线”模型，基于弯扭“三折线”模型提出的复合受扭梁抗扭承载力公式计算值与...     

钢筋超高性能混凝土梁受弯试验和有限元分析研究

该文以钢纤维体积掺量、配筋率为基本参数,进行了12根钢筋超高性能混凝土(Ultra-High Performance Concrete,UHPC)试验梁和2根普通钢筋混凝土(RC)试验梁的受弯性能试验研究。试验结果表明:UHPC试验梁的开裂、屈服和破坏荷载以及结构刚度均比RC试验梁大,UHPC试验梁的屈服和破坏荷载、延性和抗裂性均随着钢纤维掺量和配筋率的增加而提高。有限元模型参数分析结果表明:配筋率对UHPC试验梁屈服荷载与破坏荷载影响较大,而钢纤维掺量对开裂荷载影响较大;钢筋屈服强度可有效提高UHPC试验梁的延性;UHPC受拉强度的增加对开裂荷载的提高比屈服荷载和破坏荷载明显。最后,提出正截面抗弯开裂弯矩与极限承载力的计算公式,为UHPC桥梁设计规范的制定提供参考。     

基于直接拉伸试验的钢纤维混凝土损伤特性研究

结合DIC技术对预埋螺栓式钢纤维混凝土试件展开直接拉伸试验，研究了钢纤维体积掺量、钢纤维长度和钢纤维类型对钢纤维混凝土开裂模式、抗拉强度、峰值应变以及裂后延性的耦合影响规律。研究结果表明：钢纤维混凝土在直接拉伸过程中的开裂声响、裂缝形态及裂缝数目等特性受钢纤维掺量影响显著；掺入钢纤维后混凝土的抗拉强度、峰值应变及裂后延性均有不同程度增加；相较于铣削型钢纤维浇筑时易出现重叠和成团现象，端钩型钢纤维更易浇筑均匀及密实，与混凝土基体间形成更加紧密的黏结，拉伸后期端部弯钩的变形抵抗力提升了桥联作用，端钩型钢纤维对抗拉强度和裂后延性的提升表现较优越。结合DIC结果进一步揭示了钢纤维混凝土直接拉伸作用下的细观破坏机理，钢纤维混凝土拉伸破坏可以分解为4个阶段：Ⅰ弹性阶段、Ⅱ细观裂缝稳定扩展阶段、Ⅲ裂缝失稳扩展阶段、Ⅳ纤维拔出阶段。根据试验结果建立了综合考虑混凝土基体特性、钢纤维体积掺量、钢纤维长度及钢纤维类型影响的钢纤维混凝土应力-应变模型，在此基础上，引入拉伸损伤因子综合考虑抗拉强度、峰值应变以及裂后延性对钢纤维混凝土损伤发展特性的影响。     

钢纤维磷酸镁水泥混凝土梁受弯性能研究

磷酸镁水泥混凝土可应用于桥梁抢建工程中的受弯构件，为研究钢纤维磷酸镁水泥混凝土梁的受弯性能，对5片不同钢纤维掺量(0%、0.5%、1.0%、1.5%和2.0%)的磷酸镁水泥混凝土梁进行了四点弯曲加载试验，分析了钢纤维掺量对磷酸镁水泥混凝土梁破坏形态、裂缝分布、受弯承载力以及延性等受弯性能的影响。试验结果表明：试验梁的破坏模式均为典型的弯曲破坏；在同等荷载作用下，掺有钢纤维的试验梁裂缝数量更多，但裂缝宽度更小且分布更加密集，改善了梁体开裂状况；随着钢纤维掺量的增加，试验梁的开裂荷载、屈服荷载和峰值荷载以及延性系数均得到提高，其中延性系数的提高尤为显著。基于ABAQUS有限元分析，与试验结果进行对比，并以钢纤维掺量和纵筋配筋率为参数进行了有限元参数化分析，结果表明：纵筋配筋率增加可以显著提高磷酸镁水泥混凝土梁受弯承载力，但会降低梁的延性，而提高钢纤维掺量则能显著改善梁的延性。最后，通过探究钢纤维在混凝土中的作用机理，提出了钢纤维在载荷方向上贡献的抗拉强度，建立了钢纤维磷酸镁水泥混凝土梁的受弯承载力计算公式，且计算结果与试验结果吻合良好。     

UHPC单轴受压力学性能及本构关系研究

为了解纤维掺量不同的超高性能混凝土(UHPC)试件单轴受压力学性能,考虑PVA纤维、钢纤维及其混杂纤维的掺量及水胶比,制作4组普通混凝土试件和11组UHPC试件进行单轴受压试验,分析各组试件单轴受压破坏形态、韧性等受力特性,并根据试验结果研究UHPC受压本构关系。结果表明:随着纤维掺量的增加,试件的破坏形态由脆性向塑性转变,UHPC试件开裂后韧性增加,相较未掺纤维的韧性指数I_(1.5)、I_(2.0)、I_(3.0)均提高为原来的1.6倍以上;相同纤维掺量下,钢纤维对UHPC的阻裂效果优于PVA纤维。经无量纲化处理的UHPC受压应力～应变曲线具有明显的非弹性段,纤维掺量较高时部分试件的曲线会出现应力台阶;所提出的UHPC开裂变形计算方法可避免常规作图法人为因素的影响,UHPC受压本构模型考虑了纤维种类及掺量,能较好地模拟各纤维掺量下的结构受力。     

配筋钢纤维高强混凝土薄壁箱梁纯扭试验研究

研究了配筋钢纤维高强混凝土薄壁箱梁纯扭的受力性能;介绍了试件设计及其材料力学性能、施扭装置和各种测量方法;分析了各级扭矩荷载作用下,构件线扭转角、跨中截面畸变、钢筋(纵筋和箍筋)的应变、构件混凝土开裂后截面不同位置处裂缝沿纵向夹角的规律;探讨了配筋钢纤维高强混凝土薄壁箱形梁受扭破坏机理并提出了相应的开裂扭矩和极限扭矩计算公式,计算结果与试验结果吻合较好。     

UHPC直剪性能试验与直剪承载力计算方法

针对超高性能混凝土（UHPC）直剪性能研究较为缺乏的现状,开展24个“Z”形UHPC整体浇筑试件和24个“Z”形UHPC平接缝试件（用高压水凿毛先浇界面）的直剪试验,以得到钢纤维特性以及浇筑方式对UHPC （直剪）初裂强度、峰值强度、破坏模式以及直剪承载力的影响;并基于试验结果及UHPC细观本构模型开展了UHPC直剪承载力的理论分析研究。结果表明：无纤维UHPC整体试件和钢纤维掺量未超过3.0%的平接缝试件直剪破坏模式均为脆性破坏,纤维掺量达到2.5%的整体试件具备剪切延性破坏的特征;纤维掺量达到2.5%的平接缝试件界面处新老UHPC结合紧密;整体界面和平接缝界面直剪的初裂强度与峰值强度均随纤维掺量增加而显著增加,且峰值强度随纤维掺量几乎呈线性变化;纤维形状与长径比对整体界面初裂强度和峰值强度的影响不大,对平接缝界面则长纤维优于短纤维,异形纤维优于平直形纤维;整体界面和平接缝界面直剪的峰裂比（峰值强度与初裂强度之比）为103.5%~166.7%,整体界面峰裂比均显著大于纤维掺量相同的平接缝界面,2种界面的峰裂比均随钢纤维掺量增加而增加。建立了平接缝界面与整体界面直剪峰值强度之比η（简称直剪强度比）与纤维特征参数λ_f之间的高精度拟合公式。此外,还分别提出了高精度的UHPC整体界面和平接缝界面的直剪承载力计算公式。     

UHPC-T形梁斜截面抗裂性能试验

为研究UHPC梁的斜截面抗裂性能并提出合理的评价指标和设计建议，以期能充分利用UHPC超高的抗拉性能及优秀的裂缝控制能力，设计了5片预应力UHPC-T形梁，并完成其静力加载模型试验，试验参数为剪跨比、箍筋和钢纤维含量，获得了开裂荷载、裂缝分布和应变等关键试验结果。试验结果表明：当剪跨比增加时，开裂荷载会减小，斜裂缝宽度的发展速度却加快；箍筋对开裂荷载影响较小，但能抑制斜裂缝的发展；钢纤维含量的增加会提高开裂荷载和减缓斜裂缝的发展速度。根据材料力学公式推导出斜截面开裂剪力计算公式，进一步采用极限平衡法建立正常使用阶段斜裂缝宽度的计算方法，计算值与试验值吻合良好且偏于安全。通过计算实测开裂剪力作用下斜截面的主拉应力可知：开裂时斜截面的主拉应力会超过UHPC的抗拉强度，不仅体现了UHPC的应变硬化特性，还反映了UHPC梁良好的斜截面抗裂性能。对比各国规范的斜截面抗裂设计规定，中国规范建议稿的容许应力值较为保守。基于开裂时的主拉应力水平和各国规范规定，建议放宽整体预应力UHPC梁的主拉应力限值，取为60%的弹性极限抗拉强度并考虑纤维分布的不均匀性。对于允许开裂的UHPC梁，应验算正常使用阶段的...     

钢纤维对超高性能混凝土施工及力学性能的影响研究

为探讨不同钢纤维掺量、长径比及形状对超高性能混凝土的施工及力学性能的影响,首先通过室内试验设计并制备了10组不同钢纤维的超高性能混凝土试件,然后分别对各试件依次进行扩展度、抗压强度及抗折强度测试,得出以下结论:①随着钢纤维掺量的增大,超高性能混凝土的扩展度逐渐减小,抗压强度则逐渐增大,而抗折强度呈先增后减变化;②随着长径比的增大,超高性能混凝土的扩张度逐渐减小,抗压强度和抗折强度则逐渐增大;③钢纤维形状对超高性能混凝土的扩展度、抗折强度和抗折强度均有一定的影响。因此,在工程应用中需根据实际施工需求选择合适的钢纤维掺量、长径比及钢纤维形状。     

钢纤维特性对UHPC轴拉性能与弯拉性能的影响及对比研究

为定量地研究钢纤维特征参数对超高性能混凝土（Ultra-high Performance Concrete,UHPC）受拉性能的影响规律,现对同一纤维体积掺量（2%）下不同纤维长径比（59~100）、不同纤维类型（端钩型与平直型）及无钢纤维的UHPC试件分别开展了轴拉试验与四点弯拉试验。通过选取拉伸全曲线上的初裂点、峰值点及其他几个特征点,定量地分析了UHPC拉伸过程中的轴拉性能与弯拉性能,并对2种拉伸试验下的初裂强度与峰值强度进行了对比与分析,最后利用ABAQUS软件对2种拉伸全曲线进行了有限元倒推分析。研究结果表明：①随着一定范围内的纤维长径比的增加,与轴拉试验相比,UHPC试件的拉伸强度和拉伸韧性在弯拉试验中提升得更明显;②无论是端钩型还是平直型纤维试件,轴拉应变达到3 000×10^-6时的应力均高于7 MPa,且大弯拉变形状态下的强度均仍为弯拉初裂强度的1.17~2.43倍;③有无钢纤维对UHPC轴拉性能与弯拉性能均具有不同程度的裂后增强效果,其中后者优于前者;④在UHPC结构设计中可用考虑尺寸效应修正后的弯拉初裂强度来估算轴拉初裂强度,且扣除纤维取向的影响后,基于ABAQUS有限元软件倒推输入的三折线轴拉本构与实测的轴拉本构基本相符。     

钢纤维砼薄壁箱梁扭转裂缝控制试验研究

通过配筋钢纤维高强砼薄壁箱梁的纯扭试验，探讨了钢纤维对纯扭薄壁箱形构件在正常使用极限状态下强度、裂缝的影响；分析了试件抗扭强度和扭转裂缝倾角、裂缝宽度、主裂缝间距的形态及特点。结合钢纤维对混凝土的增强与破坏机理分析，对适合于钢纤维混凝土构件的抗扭强度、裂缝验算方法进行理论计算与试验比较分析，为钢纤维砼薄壁箱梁正常使用极限状态抗扭分析积累试验研究资料。     

钢-UHPC华夫板组合梁抗剪性能试验研究

为研究钢-UHPC华夫板组合梁在静载作用下的竖向抗剪性能，对4个组合梁试件进行了静力试验，主要变化参数包括华夫板平板厚度、肋的高度、翼板宽度。通过分析试件破坏过程、荷载-跨中挠度曲线、应变分布规律，对不同参数下试件的破坏模式和承载能力进行研究。研究结果表明：试件共有剪切破坏和剪切、弯曲复合破坏2种破坏模式；与普通组合梁不同的是，由于钢纤维的“桥接作用”，UHPC翼板剪切开裂后呈现多条剪切裂缝同时开展现象，主裂缝周围出现大量细而密的微小剪切斜裂缝，钢纤维显著提高了组合梁的抗剪承载力和变形能力；华夫板纵、横肋的设计削弱了组合梁的整体工作性能，在几何突变处出现应力集中现象，使得此处率先发生纵向开裂；对比试件SUW1和SUW2，保持华夫板整体高度不变，将肋高占华夫板高度比例从50%提高到67%时，承载力下降了3.2%，但变形能力提高了85.8%；对比试件SUW2和SUW3，保持平板厚度保持不变，将肋的高度从60 mm增加到90 mm时，承载力提高了22.5%，但变形能力下降了48.6%；对比试件SUW1和SUW4，将翼板宽度提高47.3%时，承载力和变形能力分别提高了19.0%和48.5%；提出综合考虑纵肋与钢纤维影响的钢-UHPC华夫板组合梁抗剪承载力计算公式，理论计算值与试验值吻合良好。     

混杂纤维高性能混凝土抗裂试验研究

对16根混凝土梁进行抗裂试验研究和数值模拟,分析其开裂弯矩与纤维体积掺量的关系,并将试验结果与有限元分析结果进行对比.结果表明,适量加入钢-聚丙烯混杂纤维,可提高混凝土梁正截面开裂弯矩,并且随着钢纤维体积率的增加呈增长趋势,当聚丙烯纤维体积率固定为0.055%、0.11%、0.165%,钢纤维体积率达到最高1%时,其抗裂弯矩分别比普通高性能混凝土梁提高了26%、42.9%、26%,同时,影响其抗裂度大小的主要因素为钢纤维的体积掺量.     

低配筋UHPC中空短柱轴心受压力学性能

为研究低配筋UHPC中空短柱在轴心受压下的极限承载能力及其影响因素，以UHPC材料特性研究为基础，设计并制作18根不同壁厚、不同箍筋间距的低配筋UHPC中空短柱，开展轴心受压破坏试验研究及理论研究。采用控制变量法对比分析宽厚比、箍筋间距对低配筋UHPC中空短柱的极限荷载、破坏形态、轴向和横向变形的影响。研究结果表明：所有UHPC中空短柱在达到极限承载能力的70%之前，力学性能接近线弹性变化，侧向变形较小，在0.5 mm之内；随着变形的增大，试件出现微小裂缝并伴有钢纤维拔出声，细而密的裂缝显著增多，达到极限荷载时，试件均发出爆裂声；当设计宽厚比分别为5.67和3时，无箍筋UHPC空心短柱的极限承载力为理论计算值的70.88%和87.65%；随着箍筋间距加密，极限承载力有所提高，但加密至一定程度后，承载力不再增长，接近材料强度极限值；采用UHPC塑性损伤本构模型对构件进行数值模拟，分析结果与理论计算和试验结果符合较好，按照直接强度计算法得到的中空短柱极限荷载接近试验值，可供UHPC柱设计提供参考。     

UHPC中钢纤维的应用研究进展

钢纤维是超高性能混凝土（UHPC）的主要增强纤维，其在提升UHPC力学性能方面较其他纤维更好。为进一步促进钢纤维对UHPC性能的优化，加速UHPC在工程领域的推广和应用，从钢纤维的取向与分布、形状特征、掺量、改性及与其他纤维的混杂等方面出发，对UHPC中钢纤维研究的一些重要成果进行介绍和评述。结果表明：①关于钢纤维顺向及乱向分布下的力学模型、纤维取向的无损检测技术及其流变控制技术有待进一步研究；②关于钢纤维形状-加载速率对基体力学性能的耦合作用、UHPC中不同掺量骨料及其粒径与钢纤维长径比之间的匹配关系及一定纤维掺量和性能前提下，纤维长径比对该性能提升的临界点等方面还有待进一步研究；③关于纤维改性过程中的成本、改性程度控制阈值及其可能带来的副作用还有待于进一步探索；④发展有效、合理的数值方法来预测钢纤维UHPC的断裂行为等仍处于探索阶段，具有较高的研究价值；⑤钢纤维的研究主要注重于单一因素对不同性能的影响，建议按UHPC工程实际情况、性能需求、现场环境及成本划分权重，开展基于权重的纤维特性及掺量的研究；⑥关于钢-合成纤维混杂后其协同作用的定量描述、高强基体与柔性纤维的匹配问题以及基于多种不同尺度和不同性能耦合的混杂纤维组合的研究具有良好的研究价值。     

钢-UHPC华夫板组合梁负弯矩区抗弯性能试验

为研究钢-UHPC华夫板组合梁负弯矩区抗弯性能,考虑华夫板板肋高度比、纵筋配筋率以及采用抗拔不抗剪栓钉连接件对钢-UHPC华夫板组合梁的破坏模式、裂缝发展规律及承载能力的影响,采用跨中单点加载方式完成了4根钢-UHPC华夫板组合梁试件在负弯矩作用下的静力加载试验。基于简化塑性理论,并考虑将UHPC受拉区的拉应力分布等效为均匀应力分布,提出了负弯矩区钢-UHPC华夫板组合梁的极限抗弯承载力计算方法。研究结果表明：负弯矩作用下,4根钢-UHPC华夫板组合梁试件的破坏形态均为典型的弯曲破坏;极限状态下,华夫板内纵向受拉钢筋屈服,钢梁上翼缘受拉屈服,钢梁下翼缘受压发生局部屈曲,华夫板跨中主裂缝贯通,其余裂缝呈现密集分布且纤细的特点。保证华夫板总高度90 mm不变,板肋高度比由1∶1减小为1∶2会加剧华夫板的裂缝开展,使试件的开裂荷载和初始刚度略有降低,但承载能力基本不变。华夫板配筋率增大1.05%,试件的承载力与刚度分别提高18.4%与7.7%,并且有助于约束华夫板的裂缝宽度。采用抗拔不抗剪栓钉连接件可在一定程度上抑制试件在正常使用阶段时的裂缝开展,但会导致试件承载力、刚度和延性下降,下降幅度分别为6.9%、9.6%和19.7%。根据所提出的钢-UHPC华夫板组合梁负弯矩区极限抗弯承载力的理论计算公式所得的计算值略低于试验值,且相对误差在10%以内。