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粉末混凝材质的探究与分解

文章出处:责任编辑:发表时间:2020-08-27【

  引言活性粉末混凝土(ReactivePowderConcrete简称RPC)是一种新型水泥基复合材料。与普通混凝土、高强混凝土和钢材相比,具有超高强度、高韧性、高耐久性及良好的抗震和抗冲击性能等优点,在高烈度地震区,它是一种理想的建筑材料。然而,目前人们对活性粉末混凝土在桥梁应用方面的理论和试验研究都较少,还没有成熟的理论和统一的规范。


粉末混凝材质的探究与分解


  通过5个大比例尺活性粉末混凝土空心桥墩试件在反复荷载作用下的延性性能试验,研究其破坏形态及纵向配筋率、配箍率对桥墩试件延性性能的影响。
  利用ANSYS建立了空心桥墩的有限元模型,分析了试验中未考虑的轴压比、剪跨比、配筋率及混凝土强度对桥墩延性性能的影响,为活性粉末混凝土桥墩的延性研究和设计提供参考。
  1试验概况试件采用RPC200(抗压强度140MPa,抗拉强度20MPa,弹性模量4.8104MPa)制作,试件基本参数。纵向钢筋采用HRB335,居中布置,箍筋采用HPB235.试件截面尺寸及钢筋布置。
  本试验在北京交通大学结构实验室进行,试验加载设备为MTS拟动力试验系统,具体安装。试验加载采用变幅位移加载方式,每一级位移幅值下循环5次,加载波形为三角形,位移加载顺序为2,4,6,8,10,13,16,19,22,25,30,35,40,45,50,60(mm)以后的位移增量为10mm,直至试件破坏。
  2试验结果及分析2.1破坏形态首先,在水平荷载作用下,随着位移幅值的增加,所有试件均在根部正面出现水平横向微裂缝;随着荷载的增加,正面水平裂缝向侧面延伸,同时随着荷载的往复在试件的根部出现斜裂缝,水平裂缝在试件的根部逐渐贯通。由于钢纤维的阻裂作用,试件根部的裂缝数量逐渐增多且高度范围逐渐增大。随着加载位移幅值继续增加,试件根部混凝土出现大面积压溃,试件中的部分钢纤维逐渐拔出,纵筋屈服外鼓,部分纵筋甚至发生断裂,试件的承载力迅速下降而破坏,整个加载过程中,裂缝处混凝土基本保持裂而不散。总体来说,破坏过程比较缓慢,试件的延性较好。4号墩和5号墩由于配置了箍筋,在试件的根部出现多道横向和纵向裂缝,破坏时纵向钢筋屈曲,箍筋明显外鼓,混凝土完整程度较好,塑性铰发育较充分,这说明箍筋对纵向钢筋和核心区混凝土的约束作用提高了试件的延性。部分桥墩试件的最终破坏形态照片。
  2.2滞回曲线部分试件的P-(荷载位移)滞回曲线如所示,所有试件的滞回环均呈梭形,破坏形态均是弯曲型破坏。P-滞回曲线的主要特点:(1)试件的变形能力很大程度上取决于箍筋对核心区混凝土的约束程度,配箍率越大,箍筋的约束作用越强,则试件的滞回环越丰满,耗能能力就越强,延性越好。
  (2)总体上,试件的卸载刚度和再加载刚度随着位移幅值的增加而退化加快。而在同一位移幅值下,随着配箍率的增加,试件的卸载刚度和再加载刚度的退化速度逐渐变缓。
  2.3延性性能从中可以看出,在其他条件都相同的情况下,延性系数由不配箍筋(3号墩)时的3.19增加到配置箍筋(5号墩,箍筋间距50mm)时的5.55,即随着配箍率的增加,延性系数增大,桥墩的延性增加。就本次试验而言,延性系数由配筋率2(1号墩)时的2.75增加至配筋率6(2号墩)时的3.89,在一定的范围内随着纵筋配筋率的增加桥墩的延性是增加的。
  3延性数值分析3.1计算与试验结果比较利用ANSYS建立了空心桥墩有限元模型,采用SOLID65单元模拟混凝土,剪力传递系数t=05、c=0.95,LINK8单元模拟钢筋,COMBIN39单元模拟钢筋与混凝土之间的黏结滑移,加载端及约束处采用SOLID45弹性单元模拟,弹性材料设为钢材,避免加载过程中出现应力集中。无约束活性粉末混凝土的应力应变关系。由于目前约束活性粉末混凝土的本构关系还未见发表,故本文未对配箍率对试件延性的影响进行数值分析。通过及比较可以看出,在试件发生严重破坏前,计算结果与试验结果吻合较好。
  3.2延性影响因素数值分析由于试验没有考虑轴压比、剪跨比及混凝土强度对活性粉末混凝土空心桥墩延性的影响。因此,本文采用非线性有限元分析研究轴压比、剪跨比、纵筋配筋率以及混凝土强度对桥墩延性的影响。
  3.2.1轴压比轴压比是影响桥墩延性的重要因素之一。可以看出,当轴压比较小时延性系数变化较小,对于纵筋配筋率为2、4、6的试件,当轴压比分别小于0.2、0.15、0.1时,试件延性系数变化较小。当轴压比分别大于0.2、0.15、0.1时,试件延性系数下降较快。其中,随着轴压比的增加,配筋率较大的试件的延性下降最快,反之则相对缓慢一些。总体上随着轴压比的增加,试件延性系数随之减小,延性变差。
  3.2.2剪跨比剪跨比是影响桥墩延性的另一个重要因素。可以看出,随着剪跨比的增加,桥墩延性系数随剪跨比增大而增加。当试件的剪跨比大于4.0时,对于配筋率为2、4、6三种试件的延性系数都迅速增加;而当试件的剪跨比小于4.0时,三种试件的延性系数增加趋势较为缓慢。显然当剪跨比较小时,桥墩主要发生剪切型破坏,脆性性质明显,延性较小。剪跨比较大时,桥墩的破坏形态由剪切型向弯曲型转变,破坏过程较为缓慢,延性增加。
  3.2.3纵筋配筋率从中可以看出,配筋率小于6时,延性系数随着配筋率的增加而增大;配筋率大于6时,延性系数则随着配筋率的增加而减小。这是由于纵筋较少时,混凝土开裂后,受拉钢筋的应力急剧增加,纵筋迅速屈服破坏,试件承载力迅速下降,其延性系数较小。
  纵筋较多时,混凝土开裂后,由于纵筋较多,钢筋的变形较小,受压区混凝土被压碎破坏,试件变形较小,延性系数也较小。从中可以看出,配筋率为6时,试件的延性最好。
  3.2.4混凝土强度活性粉末混凝土的强度目前有RPC200和RPC800两个等级,故本文只研究这两个强度对桥墩延性系数的影响。通过分析,在其他条件相同的情况下,混凝土的强度越高,试件的延性系数越小,延性系数由3.68(RPC200)降至3.23(RPC800),亦即墩的延性随着混凝土强度的提高而变差。
  4结论通过以上的试验及理论分析,主要结论如下:(1)试件破坏后基本保持裂而不散,混凝土完整程度较好,塑性阶段的承载能力和变形能力较好,这说明活性粉末混凝土试件的延性较好,具有较好的抗震性能。
  (2)试验结果表明随着配箍率的增加,试件的变形能力增强,延性明显增加,说明增加箍筋是提高桥墩延性的有效措施。
  (3)随着轴压比的增加,试件延性系数越来越小,延性降低;而随着剪跨比的增加,试件延性系数越来越大,延性增加。
  (4)纵筋配筋率小于6时,延性系数随着配筋率的增加而增大,纵筋配筋率大于6时,则随着配筋率的增加延性系数减小,纵筋配筋率为6时,试件的延性最好。
  (5)混凝土的强度越高,试件的变形能力越差,延性系数越小,亦即活性粉末混凝土桥墩的延性随着混凝土强度的提高而降低。

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