英语原文共 14 页，剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料
用钢筋加固ECC混凝土组合梁的弯曲性能
强调：
- 提出计算偏转，开裂，屈服和极限弯矩的公式
- 进行了钢筋ECC混凝土组合梁的试验测试
- 确定ECC混凝土组合梁的各种失效模式
- 根据实验结果验证所提出的方程
- 对组合梁的弯曲特性进行参数分析
文章信息：
文章历史：
2017年5月20日收到
以修订形式收到2017年9月7日接受2017年10月25日接受
2017年11月4日在线提供
摘要
本文提出了计算不同情况下的开裂，屈服和极限弯矩的分析技术和简化公式，以及用钢筋加固的ECC混凝土组合梁的挠度。该技术基于材料的简化本构模型，应变相容性，材料的粘结力以及内力和力矩的平衡。还介绍了用钢筋加固的11根ECC混凝土组合梁的试验测试。所有测试的梁都具有相同的几何尺寸但不同的钢筋强度和ECC厚度。所提出的公式与各种力矩值和挠度的实验结果非常吻合。参数分析表明，屈服和极限弯矩随着混凝土强度的增加在压缩破坏的情况下增加，但在拉伸破坏的情况下基本保持不变。随着抗拉强度的增加，例如增加ECC高度替代率，配筋率，钢筋强度和ECC，最终曲率和能量消耗在拉伸破坏时增加，在压缩破坏时减少。另一方面，延性和耗能率随着配筋率和强度的增加而降低，但基本上不随ECC的高度替代率和强度的增加而保持不变。
关键词：混凝土；复合梁；弯曲；延展性；偏转；能量耗散；
- 简介
在机械荷载和环境暴露的共同作用下，许多钢筋混凝土结构由于钢的腐蚀而劣化，不能满足极限状态和耐久性的要求。 因此，这种结构的修复和修复已成为建筑活动的重要组成部分。 在过去的十年中，混凝土技术一直在快速发展，从而产生了克服工程胶凝复合材料（ECC）的新概念
水泥基材料的脆性行为。 ECC表现出多个微裂纹，导致应变能力和延性行为显着增加。在侵蚀环境（硫酸盐 - 氯化物环境[2]，冻融和硫酸盐耦合环境[2]）下，其具有优异的韧性和能量吸收能力[1]，自愈能力[2,3]，耐火性能[4] [5]）。
很少有人调查改善ECC的性能，如与非圆形聚丙烯纤维和低模量聚乙烯醇纤维杂交[6]，掺入CaCO3晶须以提高抗压强度和拉伸应变硬化[7]，增加矿渣含量提高了ECC生产中使用回收混凝土细粉作为微硅粉替代物的延展性，硬化空气含量，吸水率，孔隙率和吸附性能[8]，掺入大量粉煤灰和微小PVA纤维以改善ECC的循环抗冻融和微观结构[3,9]，加入防水混合物以改善润湿性能和降低吸附性能，减缩剂与硫铝酸钙水泥一起控制干燥收缩[10] 。
实验研究表明，ECC在纵向钢筋周围的拉伸区中的使用稍微改善了弯曲能力[11-13]和变形能力[12,13]，但显着降低了屈服前的裂缝宽度钢筋[12]。因此，复合ECC /钢筋混凝土构件的耐久性由于防水性和耐腐蚀性的提高而可以大大提高[14-16]。对ECC-RC组合梁的抗弯性能进行了理论分析，并与实验结果进行了比较[17,18]。另一方面，当ECC厚度增加超过一定的临界值时，ECC混凝土组合梁的弯曲强度和延性均显着增强[19,20]。
由于其优异的拉伸性能，ECC可以用于加固未加固的砌体墙[16,21-23]，减少了刚构桥梁柱节点中大量的横向加固，提高了联合抗震能力并减少了加固拥挤和建设的复杂性[24-27]。 ECC还可用于水力结构中，因为它具有良好的耐久性[2,16,28]，公路工程能承受来自重载荷和温度变化的大变形[29]，在炎热的干旱沿海气候条件下[30]，在轻型建筑立面和人行道[31]，铺设路面以延长使用寿命[32]以及抗冲击和防爆保护板[16]。 ECC的广泛应用表明，结合ECC可显着提高结构的性能并降低相关的生命周期成本。
涵盖组合梁整个加载过程的理论分析仍然有限。基于材料的简化本构模型和内力和力矩的平衡，下面预测组合梁的力学行为。还进行了ECC钢筋混凝土组合梁的不同ECC高度置换比和钢筋强度的物理弯曲试验，以验证所开发的分析分析结果。实验研究表明，与普通混凝土梁，ECC混凝土组合梁相比，
略微提高了抗弯承载力和变形能力，显着降低了钢筋屈服前的裂缝宽度，符合文献[11-13]的结果。然后进行详细的参数研究，以确定主要影响参数的组合梁的力学行为（屈服力矩，最终弯矩，极限弯曲，延性，能量分散和能量耗散比）的变化（例如作为ECC高度替代率，增强比率，钢筋强度，混凝土和ECC）。参数研究表明，随着ECC高度替代率的增加，拉伸破坏时极限曲率增加，这与文献[19,20]中观察到的趋势相似，但在压缩破坏情况下减少。计算ECC混凝土组合梁的开裂公式，屈服弯矩极限弯矩和挠度，以及实验和参数研究的结果可以作为实际应用中的参考。
lsquo;
- 材料的本构模型
2.1钢筋
钢筋拉伸和压缩的本构关系被简化为如图1所示的双线性模型[33]，其中εs和sigma;s分别为钢筋的拉伸应变和应力，εsy和fnof;sy分别为屈服 应变和应力，Es分别是弹性模量和εsu是极限拉伸应变。（假定为0.01）
2.2混凝土
混凝土的压应力-应变曲线[33]如图2（a）所示，可表示为：
其中εc和sigma;c分别是混凝土中的压缩应变和应力，fnof;c是混凝土的抗压强度，εco（ge;0.002）是与fnof;c混凝土应力对应的压缩应变，εcu（0.0033）是混凝土的极限压应变，fnof;cu，k是混凝土立方体抗压强度，n（le;2.0）是与混凝土压应力-应变关系相关的系数。
图1.钢筋的本构关系
混凝土单轴拉伸应力-应变模型如图2（b）所示，可用下式表示。
其中εct和sigma;ct分别是混凝土中的拉应变和应力，εctu和fnof;ctu分别是最终的单轴拉应变和应力。
(a)压缩 (b)拉伸
图2.混凝土的本构关系
2.3ECC
ECC的压缩应力 - 应变曲线[34]如图3（a）所示，可由下式表示：
其中εec和sigma;ec分别是ECC中的压缩应变和应力，fnof;ecp和εecp分别是抗压强度（曲线的峰值点）和相应的应变，fnof;ecu和εecu分别是极限压应力（峰值点后）和相应的应变。在本文中，假设fnof;ecu = 0.5 fnof;ecp和εecu = 1.5 εecp [34]。
ECC的拉伸应力-应变曲线[14]如图3（b）所示，可用下式表示。
其中εet和sigma;et分别为ECC中的拉伸应变和应力，εetc和fnof;etc分别为初始裂纹和相应应力下的拉伸应变，εetu和fnof;etu分别为极限拉伸应变和相应应力。
(a)压缩 (b)拉伸
图3.ECC的本构关系
表1.不同阶段组合梁的横截面分析
- 组合梁截面分析
下面的分析是为矩形梁部分开发的; 但是，它可以很容易地修改为其他截面形状。 已经考虑了以下假设：
- 钢筋和混凝土/ ECC具有完美的粘结，ECC和混凝土之间没有分层被认为是在实验研究中观察到的[35]。
- 加载后，垂直于梁轴线的每个平面横截面保持平面。
- 整个装载过程可以分为三个阶段：
- 弹性阶段（未开裂部分）：从加载到开裂。（ECC或混凝土）
- 工作压力阶段：从钢筋开裂到屈服。
- 失效阶段：从钢筋屈服到组合梁破坏。（即任何材料达到极限应变：（a）混凝土中的压缩应变达到εcu（b）钢筋拉伸应变达到εsu（c）ECC中的拉伸应变达到εetu）
每个加载阶段的横截面应力 - 应变分布如图4所示，其中b和h分别是横截面的宽度和高度，hs是钢筋中心到横截面的距离拉伸边缘，他是ECC的厚度，ht是横截面部分在拉伸时的高度（中性轴深度）,x是任意点到横截面的拉伸边缘的垂直距离，εet是ECC中的最大拉伸应变，εct和εc分别是混凝土中的最大拉伸和压缩应变，εs是钢筋和 hp是混凝土的应变达到εco截面的拉伸边缘的垂直距离,。
横截面应变分布可以表示为：
当时钢筋的应变和应力分别为和但是当时。
根据横截面的力平衡，,可以得到下面的方程:
将应力和应变代入方程 （9），那么中性轴深度ht可以按照表1中的加载和失效的不同阶段获得。 因此，可以为每个εet值计算中性轴深度ht。 根据横截面的力矩平衡，，则横截面力矩可由下式得出：
不同阶段组合梁的横截面分析如图4和表1所示，包括应变，混凝土和ECC中的应力，各阶段的中性轴深度和弯矩。
图4.每个阶段的横截面应力-应变分布：(a)横截面;(b)应变分布;(c)至(i)表1中解释的各种装载阶段的应力分布
4.组合梁的破裂，屈服和极限弯矩
4.1开裂时
- 情况1：ECC在混凝土之前开裂
当ECC在混凝土之前发生裂纹时，中性轴深度ht可以从方程 （12），此时的开裂时刻可表示为：
- 案例2：ECC前混凝土开裂
当混凝土裂缝发生前，混凝土的最大拉应变εct = εctu和ECC的最大拉应变将εet代入方程 （12）中，可以计算中性轴深度ht和在这种情况下的开裂时刻：
4.2屈服时
（1）案例1：开裂后弹性阶段的压缩混凝土
在这种情况下，混凝土中的最大压缩应变εcle;εco，钢筋的拉伸应变εs = εsy和ECC中的最大拉伸应变，中性轴深度ht可以是
从等式 （21），此时的屈服时刻可表示为：
（2）案例2：开裂后塑性阶段的压缩混凝土
对于这种情况，混凝土的最大压应变εco lt;εcle;εcu，钢筋的拉伸应变εs = εsy和ECC中的最大拉伸应变 将εet代入方程 （23）可以计算出ht，在这种情况下屈服时刻可以表示如下：
4.3最终时
（1）案例1：强化失败
混凝土中的最大压应变εc = εcu，混凝土中的最大压应力sigma;c =fnof;c和ECC中的最大拉应变。 将eet代入方程 （28），可以计算出ht，并且在这种情况下的最终时刻可以表示如下：
（2）案例2：过度强化失败
如果组合梁过度加固，钢筋不会屈服，而混凝土中的压缩应变达到最终的破碎应变。在这种情况下，εc = εcu和εs lt;εsy，ECC中的最大拉伸应变，εet和钢筋应变可以根据几何关系，获得。 中性轴深度ht可以通过公式 （26）并且这种情况的最终时刻可以表示如下：
（3）案例3：钢筋断裂失效
当钢筋面积太小时，钢筋在压缩混凝土到达塑性阶段之前不能破裂。 在这种情况下，εc lt;εco和εs =εsu，即ECC中的最大拉伸应变εet和混凝土εc的最大压应变可以根据横截面的几何关系获得，，。中性轴深度ht可以通过公式 （23）并且这种情况的最终时刻可以表示如下：
值得注意的是，由于ECC在破坏时的高拉伸应变εetu，在屈服钢前ECC不太可能达到极限拉伸应变; 因此，不考虑这种失败模式。
4.4偏转
组合梁的曲率如图5所示，其中q是变形组合梁的曲率半径，dh是横截面的旋转角度增量。 ECC eet中的最大拉伸应变可以计算如下：
组合梁的横截面曲率也可以表示如下：
基于以上分析，可以获得不同时刻的εet和ht。 将公式（38）代入公式（38），可以计算出不同时刻的曲率。
根据结构力学理论，简支梁的中跨最大挠度可以计算如下：
其中f是中跨最大挠度，S是与加载和支撑条件有关的系数，M是作用在横截面上的力矩，l0是单元长度，E是截面材料的弹性模量， 我是横截面的惯性矩。 由于横截面的挠曲刚度EI = M / u，公式（39）可以表示为：
图5.组合梁单元的曲率分布
4.5延展性和能量耗散
组合梁的弯矩曲率模型如图6所示，其中Mcr和phi;cr分别为开裂力矩和相应的曲率，My和phi;y分别为屈服力矩和相应曲率，Mu和phi;u分别为极限弯矩和 相应的曲率。复合梁的延性可由计算得出，而M-phi;曲线下的面积用来表示耗能能力。 在弹性阶段，实际的M-phi;曲线是实线，它被简化为虚线，如图6中的模型所示。弹性阶段的耗能能力可以计算可表示为：
整个阶段的耗能能力（达到phi;u）可以计算如下：
为了比较整个阶段和弹性阶段的能量耗散能力，引入了能量耗散比率rE。
图6.组合梁的弯矩曲率
5.实验验证
在本节中，介绍了用钢筋加固复合材料ECC /混凝土梁的物理测试结果。 实验方案的主要目的是在用于全面的参数研究之前提供真实的数据，以验证上述提出的分析程序。
5.1测试样本设计lt;
全文共18118字，剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料
资料编号：[14526]，资料为PDF文档或Word文档，PDF文档可免费转换为Word
以上是毕业论文外文翻译，课题毕业论文、任务书、文献综述、开题报告、程序设计、图纸设计等资料可联系客服协助查找。
