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钢纤维微膨胀钢管混凝土拉弯力学行为研究

作　者: 周孝军
导　师: 丁庆军; 牟廷敏
学　校: 武汉理工大学
专　业: 材料学
关键词: 钢管混凝土桁架梁钢纤维微膨胀钢管混凝土界面粘结强度轴拉承载力抗弯承载力
分类号: TU398.9
类　型: 博士论文
年　份: 2013年
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内容摘要

钢管混凝土桁架梁式结构是一种新型组合结构,其具有承载力高、刚度大、自重轻、跨越能力强,施工方便,节省水泥与混凝土用量等系列优点,技术经济优势明显,应用前景广阔。在该结构体系中,弦杆主要处于压弯与拉弯等复杂应力状态,对核心混凝土力学性能要求较高。钢纤维能显著提高混凝土抗弯拉强度,以钢纤维增强自密实微膨胀混凝土填充其弦杆,能充分发挥结构整体力学性能优势。本文在交通部科研项目“中等跨度钢管混凝土桁架连续梁桥成套技术研究”(2009318000105)资助下,以世界首座全管桁结构连续梁桥——干海子大桥工程为依托,研究了钢纤维微膨胀钢管混凝土组成、结构与性能及其拉弯力学行为,研究成果在依托工程进行了应用。具体研究工作与主要结论如下：提出了钢纤维微膨胀钢管混凝土的设计与制备方法,研究了膨胀剂与钢纤维复合对混凝土工作性能与力学性能的影响,探明了钢管密闭条件下钢纤维微膨胀混凝土的体积变形规律；研究钢纤维微膨胀钢管混凝土的抗冻技术措施,探明了钢管约束对钢纤维微膨胀混凝土抗冻性增强机理。制备出满足干海子大桥主梁弦杆力学性能与施工要求的C60钢纤维微膨胀自密实钢管混凝土,检测结果表明管内混凝土密实填充,结构服役状态良好。基于推出试验,对钢纤维微膨胀钢管混凝土荷载-滑移关系曲线进行了全过程分析,探讨了核心混凝土与管壁的界面粘结力退化模式,研究了含钢率、界面粘结长度与混凝土中钢纤维掺量对其界面粘结强度影响规律,提出了其界面粘结强度计算方法。研究表明：钢纤维限制混凝土膨胀变形,降低界面粘结强度,但较相同强度等级无自应力的普通钢管混凝土界面粘结强度约提高1-3倍；含钢率是界面粘结强度主要影响因素,含钢率越高,约束作用越强,界面粘结强度越高；界面长度对界面粘结强度影响不明显。研究了含钢率、核心混凝土中钢纤维掺量等对钢纤维微膨胀钢管混凝土轴拉承载力、变形形态与破坏特征影响规律,分析了钢管混凝土与空钢管轴拉力学性能差异。结果表明：混凝土的填充有效阻止了钢管径向收缩,截面径向刚度显著增强,轴拉承载力较空钢管约提高15%-37%,且含钢率越低,提高幅度越大；钢纤维阻止核心混凝土裂缝延伸与扩展,减少贯通缝的形成,混凝土对钢管的约束增强；钢纤维微膨胀钢管混凝土构件初裂荷载与屈服荷载均随钢纤维掺量增加而提高,初裂荷载提高幅度较大,而屈服荷载提高幅度较小。提出了钢纤维微膨胀钢管混凝土轴拉承载力计算方法,计算值与试验结果基本吻合。研究了含钢率与核心混凝土中钢纤维掺量等对钢纤维微膨胀钢管混凝土受弯承载力、变形形态、应变分布与破坏特征的影响规律。结果表明：混凝土的填充使构件破坏模式由钢管受压区塑性失效转变为鼓屈破坏,承载力较空钢管构件提高约80%～290%,且含钢率越低提高幅度越大；钢管混凝土构件受压区应力集中较空钢管构件明显改善,截面变形基本符合平截面假定。核心混凝土中掺加钢纤维后,整体工作性能增强,屈服荷载随钢纤维掺量增加而提高。推导了钢纤维微膨胀钢管混凝土抗弯承载力计算公式,计算值与试验结果较好吻合。本文提出的钢管混凝土轴拉与抗弯承载力计算公式可为钢管混凝土桁架梁式结构的设计提供参考依据。研究了钢管桁架梁弦管灌注钢纤维微膨胀混凝土对结构抗弯承载力、挠度变形、应变分布与破坏模式的影响规律。研究表明：钢管桁架梁弦管灌注混凝土后,弦杆截面应变分布均匀,结构整体抗弯工作性能增强,抗弯刚度与承载力显著提高。空钢管桁架主要因节点处弦管塑性失效而破坏,结构整体弯曲变形较小。弦管灌注混凝土后,弦管含钢率高、支主管壁厚比较小,结构主要因腹杆屈曲而失效,整体弯曲变形明显；弦管含钢率低、支主管壁厚比较大,结构主要因下弦节点处弦管发生冲剪破坏而失效,结构整体弯曲变形较小；桁架梁抗弯承载力仍由节点强度控制。

全文目录

摘要  5-7
Abstract  7-14
第1章绪论  14-30
  1.1 钢管混凝土特点与研究现状  14-24
    1.1.1 特点与应用概况  14-16
    1.1.2 国内外研究现状  16-24
  1.2 选题背景与依托工程  24-26
    1.2.1 选题背景  24-25
    1.2.2 依托工程  25-26
  1.3 研究目的与研究内容  26-30
    1.3.1 目的与意义  27
    1.3.2 总体思路  27-28
    1.3.3 研究内容  28-29
    1.3.4 研究成果  29-30
第2章钢纤维微膨胀自密实钢管混凝土性能研究  30-58
  2.1 钢管混凝土梁式结构核心混凝土理想结构模型  30-34
    2.1.1 混凝土体积收缩补偿方法与原理  30-31
    2.1.2 混凝土强韧化措施  31-32
    2.1.3 核心混凝土理想结构模型  32-33
    2.1.4 钢纤维微膨胀自密实混凝土设计方法  33-34
  2.2 钢纤维微膨胀自密实钢管混凝土制备与性能研究  34-46
    2.2.1 试验概况  34-37
    2.2.2 膨胀性能设计  37-39
    2.2.3 钢纤维掺加对自密实微膨胀钢管混凝土性能影响  39-45
    2.2.4 钢纤维微膨胀自密实钢管混凝土水平灌注试验  45-46
  2.3 钢纤维微膨胀钢管混凝土的抗冻性  46-56
    2.3.1 概述  46-47
    2.3.2 混凝土冻害机理  47
    2.3.3 核心混凝土的抗冻设计与低温性能  47-52
    2.3.4 现场试验  52-56
  2.4 本章小结  56-58
第3章钢纤维微膨胀钢管混凝土截面组合性能研究  58-75
  3.1 引言  58
  3.2 试验概况  58-63
    3.2.1 试件设计  58-60
    3.2.2 材料性能与试件制作  60-61
    3.2.3 试验装置与测试方法  61-63
  3.3 结果分析与讨论  63-74
    3.3.1 粘结破坏过程  63-64
    3.3.2 钢管外壁应变分布  64-65
    3.3.3 界面粘结力退化模式  65-67
    3.3.4 荷载-滑移全过程曲线  67-69
    3.3.5 界面粘结强度与其影响因素  69-72
    3.3.6 界面极限粘结强度计算方法  72-74
  3.4 本章小结  74-75
第4章钢纤维微膨胀钢管混凝土轴拉性能研究  75-97
  4.1 引言  75
  4.2 试验概况  75-78
    4.2.1 试件设计  75-76
    4.2.2 试验设计  76-77
    4.2.3 试件制作与成型  77
    4.2.4 仪器设备与测试方法  77-78
  4.3 结果分析与讨论  78-88
    4.3.1 试验过程与破坏形态  78-81
    4.3.2 荷载-拉伸变形关系  81-83
    4.3.3 荷载-应变关系  83-84
    4.3.4 轴拉承载力与其影响因素  84-88
  4.4 基于ABAQUS有限元模拟分析  88-93
    4.4.1 材料本构关系模型  88-90
    4.4.2 有限元模型的建立  90-91
    4.4.3 计算结果分析  91-93
  4.5 钢纤维微膨胀钢管混凝土轴拉承载力计算方法  93-95
  4.6 本章小结  95-97
第5章钢纤维微膨胀钢管混凝土抗弯性能研究  97-129
  5.1 引言  97
  5.2 试验概况  97-101
    5.2.1 试验模型与参数设计  97-99
    5.2.2 试件制作与成型  99-100
    5.2.3 试验装置与测试方案  100-101
  5.3 试验过程与测试结果  101-109
    5.3.1 破坏过程  101-106
    5.3.2 管内混凝土破坏形态  106-109
  5.4 结果分析与讨论  109-121
    5.4.1 破坏模式  109-110
    5.4.2 荷载-挠度曲线分析  110-111
    5.4.3 荷载-应变关系分析  111-114
    5.4.4 应变沿弦杆截面高度分布规律  114-115
    5.4.5 抗弯承载力与其影响因素  115-121
  5.5 基于ABAQUS有限元模拟分析  121-125
    5.5.1 有限元模型  121
    5.5.2 计算结果分析  121-125
  5.6 钢纤维微膨胀钢管混凝土抗弯承载力计算方法  125-127
    5.6.1 基本假定  125
    5.6.2 抗弯承载力计算方法  125-127
  5.7 本章小结  127-129
第6章钢纤维微膨胀钢管混凝土桁架梁抗弯性能研究  129-153
  6.1 引言  129
  6.2 试验概况  129-133
    6.2.1 试验设计  129-130
    6.2.2 试件制作与成型  130-131
    6.2.3 试验装置与测试方法  131-133
  6.3 试验过程与测试结果  133-138
    6.3.1 试验过程与试验现象  133-138
    6.3.2 试验结果  138
  6.4 结果分析与讨论  138-148
    6.4.1 试件破坏模式  138-141
    6.4.2 荷载-挠度变形关系分析  141-143
    6.4.3 荷载-应变关系分析  143-147
    6.4.4 抗弯承载力分析  147-148
  6.5 基于ABAQUS有限元模拟分析  148-152
    6.5.1 钢管混凝土桁架梁有限元模型  148-149
    6.5.2 计算结果分析  149-152
  6.6 本章小结  152-153
第7章工程应用  153-161
  7.1 工程概况  153-154
  7.2 混凝土制备与性能  154
  7.3 水平钢管混凝土灌注施工  154-157
    7.3.1 主要工艺流程与实施要点  154-155
    7.3.2 注意事项  155-156
    7.3.3 干海子大桥主梁弦管混凝土灌注施工  156-157
  7.4 钢管混凝土低温施工  157-159
    7.4.1 抗冻混凝土制备与低温养护措施  157-158
    7.4.2 低温浇筑对钢管混凝土构件承载力影响  158-159
  7.5 钢管混凝土密实度  159-161
    7.5.1 检测方法  159
    7.5.2 判别标准与检测结果  159-161
第8章结论与展望  161-165
  8.1 结论  161-164
  8.2 展望  164-165
参考文献  165-174
攻读博士期间发表论文及参研项目  174-175
致谢  175

钢纤维微膨胀钢管混凝土拉弯力学行为研究

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