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钢筋局部钢纤维高强混凝土板冲切性能研究

作　者: 谢晓鹏
导　师: 高丹盈
学　校: 郑州大学
专　业: 结构工程
关键词: 局部钢纤维钢纤维混凝土高强混凝土板冲切极限承载力钢纤维掺加范围变形性能 ANSYS 非线性有限元分析
分类号: TU375.2
类　型: 博士论文
年　份: 2007年
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内容摘要

钢纤维混凝土是近年来迅速发展起来且应用广泛的新型建筑复合材料，具有优良的物理力学特性。随着混凝土强度的提高，钢纤维与高强混凝土间优良的界面粘结性能将使钢纤维混凝土的优势得以更为有效的发挥，较好地弥补了高强混凝土易裂、脆性大及延性差等的不足，进而改善高强混凝土的力学性能和使用性能。为了进一步推广钢纤维混凝土的应用，本文通过试验研究和理论分析，对钢筋局部钢纤维高强混凝土板的冲切受力性能进行了研究，主要内容如下：1．结合钢纤维高强混凝土的受力特点，探讨了钢纤维高强混凝土的原材料选择要求和配合比设计，进行了相关的试验，结果表明，采用常规制备工艺可以制备出满足强度和工作性能要求的钢纤维高强混凝土。2．通过高强混凝土和钢纤维高强混凝土试件的抗压试验、抗拉试验、抗折试验，探讨了钢纤维体积率和混凝土基体强度等级对钢纤维高强混凝土破坏形态和基本力学性能的影响，分别提出了钢纤维高强混凝土抗压强度、抗拉强度、抗折强度和抗压弹性模量的计算公式，为钢筋局部钢纤维高强混凝土板冲切性能的研究提供数据和理论依据。3．通过13块无腹筋简支整浇双向板的试验研究，研究了钢纤维体积率、钢纤维掺加范围和混凝土基体强度等级对钢筋局部钢纤维高强混凝土板冲切受力性能、破坏形态、裂缝的发生和发展、开裂承载力和冲切极限承载力、钢筋和混凝土应变及冲切破坏机理等的影响，探讨了达到钢筋全截面钢纤维高强混凝土板冲切受力性能的钢筋局部钢纤维高强混凝土板的钢纤维掺加范围和使钢纤维达到最佳增强效果的钢纤维体积率。结果表明，钢纤维的掺入有效的改善了钢筋局部钢纤维高强混凝土板的冲切受力性能。随着钢纤维体积率或钢纤维掺加范围的增加，钢筋局部钢纤维高强混凝土板冲切极限承载力和韧性线性提高，但掺加范围增大到2倍板厚以上后，冲切极限承载力和韧性基本不再提高。钢纤维体积率为2.0％时，对钢筋局部钢纤维高强混凝土板增强增韧效果较好。4．根据本文试验对冲切破坏过程和破坏形态的认识，建立了相应的冲切破坏机构，运用塑性极限分析方法和三参数统一强度理论，推导了钢筋钢纤维高强混凝土板冲切极限承载力计算公式的塑性解。在试验板冲切极限承载力塑性极限分析的基础上，综合考虑影响试验板冲切承载力的主要参数，结合本文及收集到的有关试验数据的统计分析，提出了适用于钢筋高强混凝土板、钢筋局部钢纤维高强混凝土板和钢筋钢纤维高强混凝土板冲切极限承载力的统一计算公式。5．根据试验板冲切变形的试验结果，探讨了钢纤维体积率、钢纤维掺加范围和混凝土基体强度等级对试验板冲切变形发展和分布的影响。采用薄板小挠度理论，建立了钢筋局部钢纤维高强混凝土板荷载—中心挠度曲线上升段挠度计算方法，并结合试验结果拟合了适用于钢筋高强混凝土板、钢筋局部钢纤维高强混凝土板和钢筋钢纤维高强混凝土板荷载—中心挠度曲线的上升段的计算公式。6．分析了影响试验板冲切韧性的主要因素，提出了适用于钢筋高强混凝土板、钢筋局部钢纤维高强混凝土板和钢筋钢纤维高强混凝土板冲切韧度的统一计算公式，且计算值与试验结果符合较好，为定量分析与计算板冲切韧性奠定了基础。7．利用ANSYS通用有限元软件，对本文钢筋局部钢纤维高强混凝土板进行了冲切性能的非线性有限元计算分析，分别得到了裂缝形式、裂缝出现位置以及开展情况、冲切承载力、混凝土应变等计算结果，与试验结果比较吻合。

全文目录

摘要  5-7
Abstract  7-13
第一章绪论  13-33
  1.1 引言  13-14
  1.2 板冲切性能试验研究现状综述  14-20
    1.2.1 国外试验研究现状  14-17
    1.2.2 国内试验研究现状  17-20
  1.3 板冲切极限承载力理论研究分析方法综述  20-22
    1.3.1 塑性极限分析法  20
    1.3.2 极限平衡法  20-21
    1.3.3 桁架比拟法  21
    1.3.4 非线性有限元分析法  21-22
    1.3.5 经验公式法  22
  1.4 板冲切极限承载力计算方法规范应用综述  22-25
    1.4.1 无冲切筋板冲切极限承载力计算方法  22-24
    1.4.2 有冲切筋板冲切极限承载力计算方法  24-25
  1.5 本课题选题依据及本文的主要研究内容  25-28
    1.5.1 选题依据  25-27
    1.5.2 本文的主要研究内容  27-28
  参考文献  28-33
第二章钢纤维高强混凝土基本力学性能试验研究  33-66
  2.1 钢纤维混凝土及钢纤维高强混凝土  33-36
    2.1.1 钢纤维混凝土  33-34
    2.1.2 钢纤维高强混凝土  34-35
    2.1.3 钢纤维增强混凝土基本理论  35-36
  2.2 钢纤维高强混凝土原材料选择和配合比设计  36-42
    2.2.1 原材料的选择  37-39
    2.2.2 配合比设计  39-42
  2.3 钢纤维高强混凝土基本力学性能试验研究  42-63
    2.3.1 试验概况  42-43
    2.3.2 试验结果与分析  43-63
  2.4 小结  63-64
  参考文献  64-66
第三章钢筋局部钢纤维高强混凝土板冲切性能试验研究  66-103
  3.1 引言  66-67
  3.2 试验概况  67-76
    3.2.1 试验板设计和制作  67-70
    3.2.2 试验装置及加载方法  70-73
    3.2.3 测试内容及测试方法  73-76
  3.3 试验结果及分析  76-100
    3.3.1 试验板的冲切受力性能  76-77
    3.3.2 试验板的裂缝  77-79
    3.3.3 试验板的破坏特征  79-82
    3.3.4 试验板的荷载—中心挠度  82-85
    3.3.5 试验板初裂承载力  85-86
    3.3.6 钢纤维对试验板冲切极限承载力的影响范围  86-87
    3.3.7 试验板冲切极限承载力  87-88
    3.3.8 试验板钢筋应变  88-94
    3.3.9 板底面混凝土应变  94-97
    3.3.10 试验板薄膜效应  97-98
    3.3.11 试验板拉膜作用力  98
    3.3.12 试验板冲切角  98-99
    3.3.13 试验板冲切破坏机理探讨  99-100
  3.4 小结  100-101
  参考文献  101-103
第四章钢筋局部钢纤维高强混凝土板冲切极限承载力计算方法研究  103-134
  4.1 概述  103-104
  4.2 试验板冲切极限承载力的影响因素  104-109
    4.2.1 钢纤维高强混凝土抗拉强度  105-106
    4.2.2 钢纤维特征值  106-107
    4.2.3 钢纤维掺加范围  107-108
    4.2.4 纵筋配筋率  108
    4.2.5 冲跨比  108-109
  4.3 试验板冲切极限承载力的计算方法  109-131
    4.3.1 钢筋混凝土板在集中荷载作用下的破坏形态  109-111
    4.3.2 试验板的冲切破坏机构  111-113
    4.3.3 三参数统一强度理论  113-119
    4.3.4 塑性极限分析的基本假定和材料的本构关系  119-120
    4.3.5 基于塑性极限分析的试验板冲切极限承载力计算方法  120-126
    4.3.6 试验板冲切极限承载力塑性解析式的实用化  126-131
  4.4 小结  131
  参考文献  131-134
第五章钢筋局部钢纤维高强混凝土板冲切变形研究  134-161
  5.1 引言  134
  5.2 试验板冲切变形分析  134-140
    5.2.1 试验板冲切变形发展  134-135
    5.2.2 试验板冲切变形分布  135-140
  5.3 试验板冲切挠度计算方法  140-152
    5.3.1 第I阶段(弹性阶段)  140-146
    5.3.2 第II阶段(开裂至裂缝出齐并继续开展阶段)  146
    5.3.3 第III阶段(80%极限荷载至破坏荷载阶段)  146-148
    5.3.4 试验板冲切挠度拟合公式  148-152
  5.4 试验板冲切韧性分析及计算  152-159
    5.4.1 韧性的评价方法及指标  153-154
    5.4.2 试验板冲切韧性的影响因素  154-158
    5.4.3 试验板冲切韧度指数计算公式  158-159
  5.5 小结  159-160
  参考文献  160-161
第六章钢筋局部钢纤维高强混凝土板冲切性能 ANSYS分析  161-181
  6.1 引言  161-162
  6.2 基于ANSYS分析的模型选择  162-169
    6.2.1 钢纤维钢筋混凝土有限元分析模型的选择  162
    6.2.2 钢纤维钢筋混凝土建模时的单元选择  162-167
    6.2.3 混凝土破坏准则的选择  167
    6.2.4 材料本构模型的选择  167-168
    6.2.5 使用SOLID65单元注意的问题  168-169
  6.3 ANSYS分析构件受力的步骤  169-171
  6.4 试验板冲切受力ANSYS模拟  171-179
    6.4.1 材料性能  171-172
    6.4.2 试验板分析模型  172-173
    6.4.3 试验板裂缝模拟  173-175
    6.4.4 试验板变形模拟  175-178
    6.4.5 试验板板底混凝土应变模拟  178-179
  6.5 小结  179-180
  参考文献  180-181
第七章结论和展望  181-184
  7.1 主要结论  181-183
  7.2 建议与展望  183-184
创新点摘要  184-185
攻读博士学位期间发表的学术论文和参与的科研项目  185-187
致谢  187

钢筋局部钢纤维高强混凝土板冲切性能研究

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