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。     

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...     

FRP筋钢纤维高强混凝土梁抗弯性能及在T型梁桥施工中的应用研究

通过在混凝土梁中加入不同含量的FRP筋钢纤维,研究其对混凝土梁的抗弯性能的影响。通过与试验对比分析,探索了FRP筋钢纤维高强混凝土梁的抗弯性能,并分析了其在T型桥施工的应用。试验结果表明:FRP筋钢纤维混凝土在受压的过程中会出现几种破坏形式,不仅有混凝土梁的受弯承载力不足,同时混凝土在受压的过程中也会出现混凝土压碎的情况;混凝土中加入FRP筋能够有效的限制混凝土的裂缝的发展,对于其抗弯承载力有很大程度的提升。FRP筋钢纤维混凝土相比普通混凝土的开裂荷载、极限荷载都有所增加,FRP筋钢纤维体积含量分别为0.2%、0.4%、0.6%、0.8%的混凝土的开裂荷载分别提高了19.1%、28.1%、57.4%、35.2%。     

混合配筋混凝土梁裂缝宽度试验及计算方法探讨

为了研究FRP筋与普通钢筋（HRB筋）混合配筋混凝土梁在受弯过程中的裂缝开展机理及其计算方法，设计制作8根混合配筋混凝土梁和3根普通钢筋混凝土梁。通过改变FRP筋种类、FRP筋直径、钢筋强度、FRP筋和钢筋配筋面积比以及截面配筋率等参数，对比分析试验梁抗弯承载力、裂缝分布、平均裂缝间距和裂缝宽度的变化规律。给出FRP筋与钢筋混合配筋混凝土梁抗弯承载力建议计算公式，并结合相关试验数据对其预测值和试验值进行分析，证明建议计算公式的精确性和合理性。根据传统的钢筋混凝土梁裂缝宽度计算理论，结合现有试验结果，对21根混合配筋混凝土梁的受弯开裂特性进行综合分析，提出正常使用阶段平均裂缝间距l_m和受拉纵筋应变不均匀系数ψ的计算公式，修正裂缝宽度短期扩大系数τ_s，并在此基础上提出短期最大裂缝宽度的建议计算公式。结果表明：混合配筋混凝土梁正截面仍符合平截面假定；随截面配筋率的增大，混合配筋混凝土梁的平均裂缝间距和最大裂缝宽度均逐渐减小；单层配筋混合配筋混凝土梁的最大裂缝宽度比双层配筋大；平均裂缝间距建议计算公式精度较好；短期最大裂缝宽度建议公式的计算值与实测值吻合较好。相关研究成果可为混合配筋混凝土梁的设计提供一定的参考。     

GFRP筋纤维增韧高强轻骨料混凝土受弯构件挠度分析

为研究GFRP筋纤维增韧高强轻骨料混凝土梁变形规律,完成10根高强轻骨料混凝土梁受弯性能试验,重点分析了纤维掺量、纵筋种类、GFRP筋配筋率和GFRP筋直径对试件不同受力阶段变形的影响;明确了GFRP筋混凝土受弯构件正常使用阶段应变及应力分布;基于刚度解析法,结合文献中GFRP筋普通混凝土受弯构件挠度实测数据,给出GFRP筋应变不均匀系数计算公式,综合考虑轻骨料、钢纤维及GFRP筋配筋率的影响对其进行修正;基于该公式对各试件使用荷载下的挠度进行计算,并与美国规范（ACI 440.1R-15）、中国规范（GB 50608-2010）和加拿大规范（CSA S806-12,ISIS-M03-07）的计算结果进行对比分析。结果表明：随配筋率的增大,试件破坏模式依次表现为GFRP筋拉断破坏、平衡破坏和混凝土压碎破坏;混凝土压碎破坏试件弯矩-挠度曲线分为开裂前阶段、裂缝开展阶段和受压破坏阶段,而平衡破坏和GFRP筋拉断破坏试件仅具有前2个阶段。轻骨料混凝土掺入钢纤维能够抑制构件开裂后刚度退化,降低混凝土压碎破坏脆性;提高GFRP筋配筋率可减小试件变形,GFRP筋直径对其无显著影响。采用中国规范（GB 50608-2010）计算试件正常使用极限状态下的挠度,结果稍显不安全;美国规范（ACI 440.1R-15）计算结果略偏保守;加拿大规范（ISIS-M03-07）与（CSA S806-12）计算值均具有一定的安全储备;建议公式计算结果较为准确且离散性较低,能够用于该类构件挠度的计算。     

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。     

高强钢筋活性粉末混凝土梁抗弯性能试验研究

为研究高强钢筋活性粉末混凝土(RPC)梁在弯矩作用下的受力特性和其抗弯性能的影响因素,设计制作20根高强钢筋RPC矩形梁进行抗弯承载力试验,分析梁的破坏形态、荷载~挠度曲线、裂缝的发展和分布,研究配筋率和钢筋强度对抗弯性能的影响规律。结果表明:RPC适筋梁的正截面破坏过程与普通混凝土梁相似,表现出良好的延性,少筋梁和无筋梁具有一定的延性;相同钢筋强度RPC梁的开裂弯矩和极限承载力随配筋率增加而增大;相同配筋率时,RPC梁的极限承载力随钢筋强度增加而增大,但钢筋强度对开裂弯矩影响不大;试验过程中,梁的截面应变符合平截面假定;根据简化理论计算的RPC梁极限弯矩值和试验值吻合良好。     

聚丙烯纤维混凝土梁受弯抗裂试验研究

为了研究聚丙烯纤维混凝土梁的受弯开裂性能,确定混凝土梁抗裂的最佳聚丙烯纤维掺量,制作15根钢筋混凝土梁,并设计5种纤维掺量水平,对其进行受弯抗裂试验,分析不同掺量水平对梁试件裂缝扩展、应变和跨中荷载位移曲线等方面的影响。研究结果表明：聚丙烯纤维的桥接作用能够牵制混凝土的局部裂缝,增加试件的延性,延缓初裂缝出现的时间,并且提高试件的开裂应力和开裂能;但与纤维掺量水平并非正相关,体积掺量为0.2%时的提升效果最好,为试件受弯抗裂最佳掺量。     

纤维编织网-ECC加固RC梁受弯性能试验

为研究纤维编织网-ECC联合加固RC梁的受弯性能,对1根普通RC梁和9根加固梁进行了四点弯曲加载,分析了ECC高度和纤维编织网层数对加固梁破坏形态、裂缝分布和承载力等受弯性能的影响。试验结果表明：加固梁受弯破坏时裂缝细而密,且呈现ECC中多、混凝土中少的分布特点;和普通RC梁相比,加固梁纯弯段混凝土裂缝数量增加33.3%~66.7%;增加纤维编织网层数或ECC高度对提高加固梁裂缝数量影响较小;加固梁承载性能随纤维编织网层数和ECC高度增加而提高,当ECC高度与加固梁截面高度之比为0.5且布置3层纤维编织网时,加固梁开裂荷载、屈服荷载、极限荷载和普通钢筋混凝土梁相比分别提高111.11%、37.86%、36.13%;ECC高度和纤维编织网层数对加固梁抗弯刚度影响较小,但影响作用不同;加固梁抗弯刚度随纤维编织网层数增加略有增加,随ECC高度增加略有减小;增加纤维编织网层数或ECC高度可降低加固梁钢筋应变。受弯加载过程中加固梁截面仍保持平面,满足平截面假设。基于正截面受弯承载力计算理论,并考虑纤维编织网利用率,建立了加固梁受弯承载力计算公式。由该公式得到的计算结果与试验结果吻合较好。最后,基于该公式分析了加固梁极限弯矩对ECC高度和纤维编织网层数的敏感性,发现加固梁极限弯矩对纤维编织网层数变化敏感性较低。     

BFRP筋混凝土桥面板受弯性能研究

为探究将BFRP筋引入到桥面板结构配筋中是否合理,分别设计相同配筋率下的普通钢筋配筋、BFRP筋配筋,以及普通钢筋和BFRP筋混合配筋的3组不同配筋形式的混凝土桥面板对比试件,对试件进行受弯性能试验研究。分析各组试件的开裂和极限荷载、裂缝开展、破坏模式、混凝土应变等。试验结果表明,同等条件下,BFRP筋混凝土桥面板较钢筋混凝土桥面板具有更大的挠度和裂缝宽度,应将挠度和缝宽作为BFRP筋混凝土结构正常使用状态下设计的重要控制指标,且含BFRP筋的混凝土桥面板结构更容易发生斜截面破坏,故该类结构应用时应加强抗剪设计。     

冷轧带肋钢筋混凝土受弯构件疲劳性能研究

为推广冷轧带肋钢筋在水泥混凝土路面中的应用,对配有不同配筋率的冷轧带肋钢筋混凝土简支标准梁进行了等幅疲劳荷载试验研究,针对不同的疲劳破坏形式,分析其产生的原因,提出了界限配筋率的概念,并推导了折断破坏与弯拉破坏之间和弯拉破坏与剪压破坏之间的界限配筋率。提出了考虑不同配筋率影响的、可供配筋混凝土路面设计参考的疲劳方程。通过研究发现:受弯构件适当配置冷轧带肋钢筋不仅具有良好的抗裂性能和延性,而且其疲劳寿命也有显著提高。     

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...     

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。     

钢纤维特性对无配筋UHPC矩形梁抗扭性能的影响

钢纤维能明显提升超高性能混凝土(Ultra-high Performance Concrete, UHPC)的抗拉强度与韧性，对UHPC构件的扭转行为有显著影响。为深入研究钢纤维特性对UHPC矩形梁抗扭性能的影响规律，以钢纤维体积掺量、类型、尺寸以及混杂效应等为变化参数，完成了8根UHPC矩形梁(含1根未掺钢纤维的对比梁)的纯扭试验；获得了各试件的纯扭破坏形态、扭矩-扭率曲线、扭矩-应变曲线、裂缝形态等关键数据。结果表明：对比梁为脆性破坏，纤维增强UHPC梁的破坏则是有征兆的；纤维增强UHPC梁的开裂和极限扭矩均明显大于对比梁，最大提升幅度分别达79%和159%；增加钢纤维体积掺量能提高开裂和极限扭矩，且斜裂缝数量更多、宽度更小；掺端钩纤维试件的抗扭承载能力和延性均优于掺圆直纤维试件；钢纤维长径比越大，试件的裂缝分布越密集，极限扭率越大，延性越好；2根混掺纤维试件的开裂和极限扭矩均大于单掺试件，正混杂效应明显；钢纤维类型和尺寸均会影响试件的裂后承载能力，掺长径比65的圆直钢纤维在开裂后迅速达到极限状态，极限与开裂扭矩之比为1.07～1.18，长径比为100时对应的比值为1.46，而掺端钩纤维则为1.34，介于两者之间。最后，提出了UHPC矩形梁开裂和极限扭矩计算公式；并对30根UHPC矩形梁进行了验证，结果表明计算公式精度良好。     

预制桥面板大头钢筋湿接缝受力性能的试验研究

针对钢—混组合梁桥预制桥面板纵向湿接缝的受力特点，提出采用大头钢筋搭接的湿接缝构造，进一步采用模型试验方法研究了大头钢筋搭接湿接缝与直线钢筋焊接/搭接湿接缝的弯剪复合受力性能，获得了试件的裂缝分布、破坏模式、开裂荷载、极限承载力等。研究结果表明，大头钢筋搭接试件的变形特征与直线钢筋焊接试件类似，开裂荷载及开裂荷载对应的竖向挠度接近直线钢筋焊接试件，大头钢筋搭接试件的极限承载力较直线钢筋焊接试件提高7.6%;大头钢筋湿接缝的受力机理可以用拉压杆模型进行解释，试件破坏时作为拉杆的大头钢筋并未屈服，而作为压杆的混凝土已经被压溃。在实际工程中使用强度较高且与预制板界面粘结性能较好的超高性能混凝土或高延性水泥基复合材料浇筑湿接缝，能够更好地发挥大头钢筋的抗拉强度，提高湿接缝的强度与延性。大头钢筋端部的锚固构造提高了纵筋的抗拔能力，使得大头钢筋搭接具备了类似钢筋焊接的性能。钢筋搭接还能大幅提高施工速度，节约建设成本。     

聚丙烯纤维增强的高强钢筋混凝土梁受弯性能研究

为研究聚丙烯纤维增强的高强钢筋混凝土梁的受弯性能,对6根矩形截面梁进行了集中荷载作用下试验研究。对比分析了聚丙烯纤维增强的高强钢筋混凝土梁的受弯承载力、正常使用阶段的裂缝宽度。研究表明:聚丙烯纤维增强的高强钢筋混凝土梁的受力性能与普通钢筋混凝土梁相同,其裂缝宽度、受弯承载力均可以按照现行《混凝土结构设计规范》(GB 50010-2010)中相关公式计算。掺入聚丙烯纤维可以减小裂缝间距和裂缝宽度,以满足裂缝宽度限值的要求;同时还可以提高试件的抗裂能力。     

重复荷载作用下无粘结部分预应力高强混凝土梁变形及延性试验研究

通过15根单调荷载和11根低周复荷载作用下的无粘结预应力高强混凝土梁的试验，研究了影响无粘结梁变形及延性的主要因素；预应力艋配筋率，非预应力筋配筋率，跨高比、荷载作用方.工资地预应力筋和非预应力筋对无粘结梁跨中最大挠度的影响，用无粘结配筋指标和综合配筋指标之比η和换算配筋率αpρ这两个参数来反映，并且采用与国内有关规范相一致的直接双直线法，在单调荷载作用下无粘结部分预应力高强混凝土梁变形计算基础上，建立了任意荷载作用下的无粘结部分预应力高强度混凝土梁变形计算公式。试验结果表明，随着受拉区非预应力筋配筋率和预应力筋配筋率的增大，梁的延性逐渐减小；随着受压区非预应力筋配筋率的增大，梁的延性逐渐增大；荷载作用方式对梁的延性有一定影响；跨高比对延性的影响有待进一步研究。依据试验结果建立了位移延性比与综合配筋指标的关系式，计算结果与试验结果吻合较好。     

有黏结预应力CFRP筋混凝土梁试验及非线性分析

通过6根梁试件的单调加载静力试验,对有黏结预应力CFRP筋混凝土梁的受力过程、破坏形态、抗弯承载力、位移延性以及变形特性等进行了较系统的研究,并利用ANSYS软件对试验梁进行了非线性有限元分析。研究结果表明:有黏结预应力CFRP筋混凝土梁受力性能良好,具有较大的位移延性和变形能力;按配筋率的不同,梁试件的破坏模式分为受拉破坏和受压破坏2种;随着配筋率的增大和张拉控制应力的提高,有黏结预应力CFRP筋混凝土梁的位移延性有所降低;和非预应力配筋为钢筋的梁试件相比,非预应力配筋为玻璃纤维塑料(GFRP)筋的梁试件的位移延性和变形能力稍低;典型试件的有限元计算值和试验值吻合良好。     

预制混凝土桥面板采用回转式钢筋接缝的受弯性能研究

通过试验研究和数值分析方法,对预制混凝土桥面板回转式钢筋接缝在弯矩荷载下受弯性能进行了研究。首先对回转式钢筋接缝试验梁进行4点弯曲试验,从荷载位移关系、承载能力、破坏形式等方面分析了回转式钢筋间距、横筋数量、横筋间距等因素对结构受弯力学性能的影响。在试验研究的基础上建立有限元模型,利用数值分析与试验结果对比研究回转式钢筋接缝在弯矩荷载作用下的受弯机理。基于试验和数值分析结果,通过引入钢筋拉力不均匀系数,提出了回转式钢筋接缝承受弯矩荷载作用的抗弯承载力计算模型。     

波形钢腹板组合T梁静力性能试验

为探索新型结构波形钢腹板组合T梁的受力性能,制作了下翼板布置直线型体内纵向预应力筋的缩尺试验梁,采用两点对称加载的方式开展了静载破坏性试验,对试验梁的截面正应变分布、荷载-位移曲线、开裂弯矩、剪应力分布、破坏形态、裂缝发展规律等进行测试。使用ABAQUS软件建立了试验梁的有限元模型,采用混凝土的损伤塑性模型和钢材的理想弹塑性本构对加载全过程进行非线性分析。基于钢-混组合梁的收缩、徐变理论和钢筋混凝土梁的抗弯承载力计算方法,对试验梁的开裂荷载和抗弯承载力进行理论计算。结果表明：只布置下翼板纵向预应力筋的波形钢腹板组合T梁的荷载-位移全过程曲线表现出较明显的弹性、弹塑性和塑性变形阶段,具有较大的抗弯刚度和良好的抗裂性和延性;抗弯承载力与开裂荷载的比值为1.79,具有较合理的承载受力特点;整个加载过程中,钢腹板与混凝土翼板变形协调,表现为典型的受弯破坏形态;剪应力在波形钢腹板组合T梁的腹板中分布均匀,可不设置弯起筋提供抗剪承载力;忽略波形钢腹板的轴向变形刚度和抗弯承载力,能准确计算开裂荷载和抗弯承载力;波形钢腹板组合T梁的力学机理明确,静力性能良好,具有工程应用前景。