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    粉末混凝材質(zhì)的探究與分解

    文章出處:責(zé)任編輯:發(fā)表時(shí)間:2020-08-27【

      引言活性粉末混凝土(ReactivePowderConcrete簡(jiǎn)稱RPC)是一種新型水泥基復(fù)合材料。與普通混凝土、高強(qiáng)混凝土和鋼材相比,具有超高強(qiáng)度、高韌性、高耐久性及良好的抗震和抗沖擊性能等優(yōu)點(diǎn),在高烈度地震區(qū),它是一種理想的建筑材料。然而,目前人們對(duì)活性粉末混凝土在橋梁應(yīng)用方面的理論和試驗(yàn)研究都較少,還沒(méi)有成熟的理論和統(tǒng)一的規(guī)范。


    粉末混凝材質(zhì)的探究與分解


      通過(guò)5個(gè)大比例尺活性粉末混凝土空心橋墩試件在反復(fù)荷載作用下的延性性能試驗(yàn),研究其破壞形態(tài)及縱向配筋率、配箍率對(duì)橋墩試件延性性能的影響。
      利用ANSYS建立了空心橋墩的有限元模型,分析了試驗(yàn)中未考慮的軸壓比、剪跨比、配筋率及混凝土強(qiáng)度對(duì)橋墩延性性能的影響,為活性粉末混凝土橋墩的延性研究和設(shè)計(jì)提供參考。
      1試驗(yàn)概況試件采用RPC200(抗壓強(qiáng)度140MPa,抗拉強(qiáng)度20MPa,彈性模量4.8104MPa)制作,試件基本參數(shù)。縱向鋼筋采用HRB335,居中布置,箍筋采用HPB235.試件截面尺寸及鋼筋布置。
      本試驗(yàn)在北京交通大學(xué)結(jié)構(gòu)實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行,試驗(yàn)加載設(shè)備為MTS擬動(dòng)力試驗(yàn)系統(tǒng),具體安裝。試驗(yàn)加載采用變幅位移加載方式,每一級(jí)位移幅值下循環(huán)5次,加載波形為三角形,位移加載順序?yàn)?,4,6,8,10,13,16,19,22,25,30,35,40,45,50,60(mm)以后的位移增量為10mm,直至試件破壞。
      2試驗(yàn)結(jié)果及分析2.1破壞形態(tài)首先,在水平荷載作用下,隨著位移幅值的增加,所有試件均在根部正面出現(xiàn)水平橫向微裂縫;隨著荷載的增加,正面水平裂縫向側(cè)面延伸,同時(shí)隨著荷載的往復(fù)在試件的根部出現(xiàn)斜裂縫,水平裂縫在試件的根部逐漸貫通。由于鋼纖維的阻裂作用,試件根部的裂縫數(shù)量逐漸增多且高度范圍逐漸增大。隨著加載位移幅值繼續(xù)增加,試件根部混凝土出現(xiàn)大面積壓潰,試件中的部分鋼纖維逐漸拔出,縱筋屈服外鼓,部分縱筋甚至發(fā)生斷裂,試件的承載力迅速下降而破壞,整個(gè)加載過(guò)程中,裂縫處混凝土基本保持裂而不散??傮w來(lái)說(shuō),破壞過(guò)程比較緩慢,試件的延性較好。4號(hào)墩和5號(hào)墩由于配置了箍筋,在試件的根部出現(xiàn)多道橫向和縱向裂縫,破壞時(shí)縱向鋼筋屈曲,箍筋明顯外鼓,混凝土完整程度較好,塑性鉸發(fā)育較充分,這說(shuō)明箍筋對(duì)縱向鋼筋和核心區(qū)混凝土的約束作用提高了試件的延性。部分橋墩試件的最終破壞形態(tài)照片。
      2.2滯回曲線部分試件的P-(荷載位移)滯回曲線如所示,所有試件的滯回環(huán)均呈梭形,破壞形態(tài)均是彎曲型破壞。P-滯回曲線的主要特點(diǎn):(1)試件的變形能力很大程度上取決于箍筋對(duì)核心區(qū)混凝土的約束程度,配箍率越大,箍筋的約束作用越強(qiáng),則試件的滯回環(huán)越豐滿,耗能能力就越強(qiáng),延性越好。
      (2)總體上,試件的卸載剛度和再加載剛度隨著位移幅值的增加而退化加快。而在同一位移幅值下,隨著配箍率的增加,試件的卸載剛度和再加載剛度的退化速度逐漸變緩。
      2.3延性性能從中可以看出,在其他條件都相同的情況下,延性系數(shù)由不配箍筋(3號(hào)墩)時(shí)的3.19增加到配置箍筋(5號(hào)墩,箍筋間距50mm)時(shí)的5.55,即隨著配箍率的增加,延性系數(shù)增大,橋墩的延性增加。就本次試驗(yàn)而言,延性系數(shù)由配筋率2(1號(hào)墩)時(shí)的2.75增加至配筋率6(2號(hào)墩)時(shí)的3.89,在一定的范圍內(nèi)隨著縱筋配筋率的增加橋墩的延性是增加的。
      3延性數(shù)值分析3.1計(jì)算與試驗(yàn)結(jié)果比較利用ANSYS建立了空心橋墩有限元模型,采用SOLID65單元模擬混凝土,剪力傳遞系數(shù)t=05、c=0.95,LINK8單元模擬鋼筋,COMBIN39單元模擬鋼筋與混凝土之間的黏結(jié)滑移,加載端及約束處采用SOLID45彈性單元模擬,彈性材料設(shè)為鋼材,避免加載過(guò)程中出現(xiàn)應(yīng)力集中。無(wú)約束活性粉末混凝土的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系。由于目前約束活性粉末混凝土的本構(gòu)關(guān)系還未見(jiàn)發(fā)表,故本文未對(duì)配箍率對(duì)試件延性的影響進(jìn)行數(shù)值分析。通過(guò)及比較可以看出,在試件發(fā)生嚴(yán)重破壞前,計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果吻合較好。
      3.2延性影響因素?cái)?shù)值分析由于試驗(yàn)沒(méi)有考慮軸壓比、剪跨比及混凝土強(qiáng)度對(duì)活性粉末混凝土空心橋墩延性的影響。因此,本文采用非線性有限元分析研究軸壓比、剪跨比、縱筋配筋率以及混凝土強(qiáng)度對(duì)橋墩延性的影響。
      3.2.1軸壓比軸壓比是影響橋墩延性的重要因素之一。可以看出,當(dāng)軸壓比較小時(shí)延性系數(shù)變化較小,對(duì)于縱筋配筋率為2、4、6的試件,當(dāng)軸壓比分別小于0.2、0.15、0.1時(shí),試件延性系數(shù)變化較小。當(dāng)軸壓比分別大于0.2、0.15、0.1時(shí),試件延性系數(shù)下降較快。其中,隨著軸壓比的增加,配筋率較大的試件的延性下降最快,反之則相對(duì)緩慢一些??傮w上隨著軸壓比的增加,試件延性系數(shù)隨之減小,延性變差。
      3.2.2剪跨比剪跨比是影響橋墩延性的另一個(gè)重要因素??梢钥闯?,隨著剪跨比的增加,橋墩延性系數(shù)隨剪跨比增大而增加。當(dāng)試件的剪跨比大于4.0時(shí),對(duì)于配筋率為2、4、6三種試件的延性系數(shù)都迅速增加;而當(dāng)試件的剪跨比小于4.0時(shí),三種試件的延性系數(shù)增加趨勢(shì)較為緩慢。顯然當(dāng)剪跨比較小時(shí),橋墩主要發(fā)生剪切型破壞,脆性性質(zhì)明顯,延性較小。剪跨比較大時(shí),橋墩的破壞形態(tài)由剪切型向彎曲型轉(zhuǎn)變,破壞過(guò)程較為緩慢,延性增加。
      3.2.3縱筋配筋率從中可以看出,配筋率小于6時(shí),延性系數(shù)隨著配筋率的增加而增大;配筋率大于6時(shí),延性系數(shù)則隨著配筋率的增加而減小。這是由于縱筋較少時(shí),混凝土開(kāi)裂后,受拉鋼筋的應(yīng)力急劇增加,縱筋迅速屈服破壞,試件承載力迅速下降,其延性系數(shù)較小。
      縱筋較多時(shí),混凝土開(kāi)裂后,由于縱筋較多,鋼筋的變形較小,受壓區(qū)混凝土被壓碎破壞,試件變形較小,延性系數(shù)也較小。從中可以看出,配筋率為6時(shí),試件的延性最好。
      3.2.4混凝土強(qiáng)度活性粉末混凝土的強(qiáng)度目前有RPC200和RPC800兩個(gè)等級(jí),故本文只研究這兩個(gè)強(qiáng)度對(duì)橋墩延性系數(shù)的影響。通過(guò)分析,在其他條件相同的情況下,混凝土的強(qiáng)度越高,試件的延性系數(shù)越小,延性系數(shù)由3.68(RPC200)降至3.23(RPC800),亦即墩的延性隨著混凝土強(qiáng)度的提高而變差。
      4結(jié)論通過(guò)以上的試驗(yàn)及理論分析,主要結(jié)論如下:(1)試件破壞后基本保持裂而不散,混凝土完整程度較好,塑性階段的承載能力和變形能力較好,這說(shuō)明活性粉末混凝土試件的延性較好,具有較好的抗震性能。
     ?。?)試驗(yàn)結(jié)果表明隨著配箍率的增加,試件的變形能力增強(qiáng),延性明顯增加,說(shuō)明增加箍筋是提高橋墩延性的有效措施。
     ?。?)隨著軸壓比的增加,試件延性系數(shù)越來(lái)越小,延性降低;而隨著剪跨比的增加,試件延性系數(shù)越來(lái)越大,延性增加。
     ?。?)縱筋配筋率小于6時(shí),延性系數(shù)隨著配筋率的增加而增大,縱筋配筋率大于6時(shí),則隨著配筋率的增加延性系數(shù)減小,縱筋配筋率為6時(shí),試件的延性最好。
     ?。?)混凝土的強(qiáng)度越高,試件的變形能力越差,延性系數(shù)越小,亦即活性粉末混凝土橋墩的延性隨著混凝土強(qiáng)度的提高而降低。

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