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原文传递混凝土箱梁抗剪性能试验研究

论文题名：	混凝土箱梁抗剪性能试验研究
关键词：	混凝土箱梁;抗剪承载能力;竖向预应力筋;活性粉末混凝土;修正压力场理论;非线性分析
摘要：	钢筋混凝土构件抗剪强度问题一直是研究人员与工程师十分关心的问题，但对钢筋混凝土构件的剪切破坏机理的认识还在不断深入，各国规范中有关抗剪承载力计算大多采用半经验半理论公式，不同的理论模型、试验数据及工程习惯导致各国规范公式之间存在较大差异。大跨混凝土桥梁结构一般采用预应力箱梁，而目前国内外配筋混凝土梁的抗剪承载力计算公式主要建立在矩形、I形以及T形截面梁试验结果的基础上。针对箱形截面梁抗剪承载力试验及理论研究较少，通常只将箱形截面简化成等效工字形截面进行计算。另外，大跨箱梁一般均采用三向预应力体系，除纵向预应力筋和顶板的横向预应力筋外，还配置有竖向预应力筋，而目前鲜见针对配置竖向预应力筋混凝土箱梁抗剪承载力的研究。　　轻质、高强、耐久是混凝土桥梁发展重点关注课题之一，高性能混凝土以其良好的材料性能有望为该课题提供有效的解决途径，但目前国内外学者对高性能混凝土梁受剪性能的试验及理论研究较少。　　本文结合国家自然科学基金资助项目“基于高性能材料的特大跨径混凝土斜拉桥的结构性能”(51078134)及教育部高校博士点基金项目“超高性能混凝土箱梁的受力性能及设计方法”(20120161110021)对混凝土箱梁，特别是配置竖向预应力筋箱梁及高性能混凝土箱梁受剪性能进行研究，主要研究内容如下: 　　(1)以某钢筋混凝土箱梁为原型，按截面主要尺寸基本相似的原则，制作了1∶10与1∶5两种比例4片钢筋混凝土试验梁，研究了箱形截面梁与等效工字形截面梁抗剪性能的差异，并比较不同比例下模型试验梁的尺寸效应。结果表明:箱梁抗剪承载力比等效工字形截面梁约低8.5％，利用等效工字形梁的公式进行箱梁抗剪承载力计算可能偏于不安全;试件尺寸增加一倍，箱梁抗剪承载力试验值与理论值之比降低3.9％，工字梁降低3.0％。采用基于修正压力场理论的双截面法、单截面法、简化分析法、有限单元法对试验梁抗剪承载能力进行了分析，各方法计算值与试验值之比的均值分别为0.92、0.88、0.81、0.97，说明以修正压力场理论为基础的分析方法可较好地计算箱形截面梁的抗剪承载力。　　(2)对2片配置HRB400级的竖向预应力筋箱梁及4片配置高强竖向预应力筋（1860级钢绞线）工字梁进行了受剪试验，研究了竖向预应力筋张拉与不张拉，预应力孔道灌浆与不灌浆，纵向预应力的施加等因素对配置竖向预应力筋混凝土梁抗剪性能的影响，对比分析了不同参数下试验梁的破坏形态、裂缝行为、荷载-挠度关系、开裂荷载、抗剪承载能力、腹板平均应变、混凝土平均应变角及竖向预应力筋应变等发展规律。结果表明:施加竖向预压应力可提高腹板开裂荷载，并对抗剪承载力有积极贡献，但如果竖向预应力孔道灌浆不饱满则会对抗剪承载力产生很大折减。剪切破坏时，无论是配置HRB400级竖向预应力筋的箱梁还是配置高强竖向预应力筋的试验梁，竖向抗剪钢筋是否张拉对加载过程中抗剪钢筋应变增量的影响较小，施加竖向预应力主要通过使高强抗剪钢筋强度得到充分发挥来提高其抗剪承载能力。考虑初始竖向预压应力影响，修正了压力场理论的基本方程，提出了配置竖向预应力筋混凝土梁抗剪承载力的计算方法，编制了相应的非线性分析程序，所提方法计算结果与试验结果吻合较好。　　(3)通过对10片预应力高性能活性粉末混凝土(Reactive Powder Concrete，RPC)箱梁进行荷载试验，研究了配箍率、剪跨比等参数对RPC箱梁抗剪性能的影响，对比分析了不同参数下试验梁的破坏形态、荷载-挠度关系、开裂荷载及抗剪承载能力、腹板主压应变角、箍筋应变等的发展规律。结果表明:在室内自然条件下养护，掺入体积掺量为2％钢纤维的RPC立方体抗压强度可达110MPa，立方体劈裂强度约9MPa，弹性模量可达42000MPa;与普通混凝土梁类似，RPC箱梁抗剪承载力随着配箍率增加而提高，抗剪承载力随着剪跨比的增大而减小，临界斜裂缝倾角均随剪跨比增大而减小，由腹板平均应变计测试得到的主压应变倾角可以较好地反映斜裂缝倾角的变化规律。随着剪跨比的变化，RPC箱梁受剪同样表现为斜拉、斜压及剪压的破坏形态。由于钢纤维的掺入导致RPC试验梁裂缝呈现“细而密”的特征。箱梁受剪时总是一侧腹板首先开裂，但极限状态时，箱梁两侧腹板的斜裂缝间距、倾角、宽度及破坏形态基本一致，说明在进行箱梁腹板斜裂缝开裂荷载计算时需考虑两侧腹板受力不均匀的影响，而受剪承载能力计算时可忽略该影响。采用基于修正压力场理论的非线性有限元程序对高性能混凝土箱梁进行分析，结合试验结果及其他文献RPC试验梁，提出了RPC抗剪承载能力建议公式，计算值与试验值比值均值为0.901，标准差为0.103，建议公式可较好地预测预应力RPC梁抗剪承载能力。
作者：	郑辉
专业：	混凝土结构设计基本理论
导师：	方志
授予学位：	博士
授予学位单位：	湖南大学
学位年度：	2014
正文语种：	中文