钢纤维混凝土增韧性能研究及韧性特征在地下结构计算中的应用

论文摘要

钢纤维混凝土显著提高混凝土材料原有的抗拉、抗弯强度和断裂延伸率,特别是提高了混凝土的韧性和抗冲击性,从而极大改变了混凝土原来一直作为脆性材料的概念。因此,将它运用于隧道支护体系,可以减少衬砌厚度,代替钢筋网的使用,减少施工费用,并提高衬砌的抗渗性、抗裂性等,减少维修费用,增长使用寿命,具有明显的经济效益。过去对钢纤维混凝土力学性能的研究主要集中在增强理论方面,对钢纤维混凝土增韧性能和抗裂性能研究得较少。本文采用四点弯曲试验,对钢纤维混凝土开裂后的抗拉韧性进行研究。试验中采用数字摄像技术测量裂缝张开位移w与裂缝高度h’之间的关系,并通过测得的荷载与裂缝张开位移数据,反算出钢纤维混凝土开裂后拉应力随裂缝宽度增加而降低的曲线,即拉伸软化曲线。得到拉伸软化曲线,就能利用文中推导的公式计算指定裂缝宽度下钢纤维混凝土梁的抗弯承载力。试验分析表明,典型的钢纤维混凝土拉伸软化曲线,可以用具有四个关键点的直线段描述,本文结合试验数据给出各段直线参数的确定方法。钢纤维混凝土开裂后,钢纤维能在开裂面上提供一定的拉应力,这类似钢筋混凝土中受拉钢筋的作用。与钢筋混凝土不同,钢纤维混凝土开裂面上的拉应力随裂缝宽度的增加而逐渐降低。本文以四点弯曲试验得到的拉应力软化曲线为基础,对轴力、弯矩组合作用下的钢纤维混凝土梁承载能力进行分析,得出钢纤维混凝土梁开裂后在轴力作用下的抗弯承载力计算公式。并通过计算公式做出钢纤维混凝土梁在指定轴力下的M-w曲线和在极限承载状态下的N-M相关曲线。计算分析表明,钢纤维混凝土梁开裂后,在一定裂缝宽度下开裂面上的应力重分布会使截面的抗弯力臂增大,提高截面的抗弯承载力,并且开裂截面的抗弯能力也随轴力的增大而有明显提高。这就从理论上解释了受压钢纤维梁开裂后的抗弯承载力不但没有降低,反而有所提高的现象。压剪破坏是钢纤维混凝土材料常见的一种破坏形式,本文通过改变压应力和钢纤维掺量对钢纤维混凝土的压剪破坏进行了研究。通过试验可以观察到钢纤维混凝土压剪破坏后具有明显的材料软化特征,可以用双线性软化曲线表示。试验分析表明,钢纤维混凝土压剪强度与压应力和钢纤维掺量有关,但压应力与钢纤维掺量对压剪强度的增强效果相互独立。本文最后根据压剪试验现象和量测数据推导出钢纤维混凝土在三向应力作用下发生压剪破坏的应力松弛函数和开裂后的剪切滞后因子,并用有限元方法进行了校核。最后本文采用ADINA有限元软件,用二维有限元和三维有限元模型模拟钢纤维混凝土衬砌的压弯破坏和压剪破坏。通过引入钢纤维混凝土材料的拉伸软化曲线和剪切软化曲线,使有限元程序不仅可以模拟钢纤维混凝土衬砌的开裂,还能模拟衬砌开裂后钢纤维混凝土继续承载的受力特性。这就改变过去隧道衬砌材料线弹性计算的假设,使钢纤维混凝土材料的韧性能够在数值计算中得到体现。计算结果表明,钢纤维喷射混凝土具有优越的韧性,在开裂后可以继续承受围岩传递的荷载,而不发生脆性破坏。因此,钢纤维喷射混凝土作为初期支护更适合用在地下工程设计、施工中。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 普通混凝土材料的局限性
• 1.2 钢纤维混凝土本构关系的研究现状
• 1.3 钢纤维混凝土在地下工程中的应用
• 1.3.1 地下工程衬砌设计现状
• 1.3.2 钢纤维喷射混凝土与钢筋网喷射混凝土的比较
• 1.3.3 钢纤维混凝土在地下工程中的应用状况
• 1.3.4 钢纤维喷射混凝土衬砌的设计研究现状
• 1.4 本文研究的主要内容、目标与方法
• 1.4.1 研究内容
• 1.4.2 研究的目标
• 1.4.3 研究方法
• 第2章 钢纤维混凝土拉伸软化曲线试验研究
• 2.1 概述
• 2.2 钢纤维与混凝土基体界面应力传递理论
• 2.2.1 界面应力传递理论概述
• 2.2.2 剪切滞后模型
• 2.2.3 剪切滑移法
• 2.2.4 界面应力传递的启示
• 2.3 钢纤维混凝土增强机理
• 2.3.1 复合力学理论
• 2.3.2 纤维间距理论
• 2.3.3 强度统一计算公式
• 2.4 钢纤维混凝土的增韧性能
• 2.4.1 概述
• 2.4.2 四点弯曲试验
• 2.4.3 试件制备
• 2.4.4 试验方法
• 2.4.5 试验结果
• 2.5 钢纤维混凝土梁开裂后截面应力分析
• 2.5.1 截面应力分布
• 2.5.2 基本假设
• 2.5.3 钢纤维混凝土拉应力计算公式
• 2.5.4 裂缝高度的确定
• 2.5.5 钢纤维混凝土拉应力的计算结果
• 2.5.6 钢纤维混凝土拉伸软化曲线
• 2.5.7 抗弯承载力计算
• 2.5.8 验证
• 2.6 本章小结
• 第3章 钢纤维混凝土梁开裂性能有限元模拟
• 3.1 概述
• 3.1.1 分离裂缝模型
• 3.1.2 弥散裂纹模型
• 3.2 线性应力软化模型的应力、应变关系
• 3.3 尺寸效应
• 3.4 软化曲线的形状
• 3.5 钢纤维混凝土四点弯曲试验有限元模拟
• 3.5.1 分离裂纹模型模拟四点弯曲试验
• 3.5.2 分离裂纹模型的优缺点
• 3.5.3 弥散裂纹模型模拟四点弯曲试验
• 3.5.5 弥散裂纹模型的优缺点
• 3.6 本章小结
• 第4章 钢纤维混凝土压弯性能研究
• 4.1 概述
• 4.2 轴力、弯矩组合作用下截面应力分布
• 4.3 截面未开裂承载能力计算
• 4.3.1 全截面受压，受压区未屈服
• 4.3.2 全截面受压，受压区屈服
• 4.3.3 拉应力达到开裂应力，受压区未屈服
• 4.3.4 拉应力达到开裂应力，受压区屈服
• 4.4 截面开裂后承载能力计算
• 4.5 钢纤维混凝土压、弯组合作用试验
• 4.5.1 试验装置
• 4.5.2 试验结果
• 4.6 不同轴压力作用下弯矩与裂缝宽度的关系
• 4.7 钢纤维混凝土梁压、弯组合作用下的承载力曲线
• 4.8 本章小结
• 第5章 钢纤维混凝土压剪性能研究
• 5.1 概述
• 5.2 压剪试验概况
• 5.2.1 试验装置
• 5.2.2 试件制备
• 5.2.3 试验方法
• 5.3 试验结果
• 5.3.1 最大压剪强度
• 5.3.2 压剪破坏后的残余强度
• 5.3.3 破坏形态
• 5.4 强度分析
• 5.4.1 单元体上的应力
• 5.4.2 混凝土双剪强度理论
• 5.4.3 双剪强度理论对钢纤维混凝土压剪强度的分析
• 5.5 钢纤维混凝土压剪破坏后的残余强度分析
• 5.5.1 概述
• 5.5.2 应变空间描述
• 5.5.3 塑性断裂公式
• 5.6 本章小结
• 第6章 压剪松弛函数和剪切滞后因子的确定
• 6.1 钢纤维混凝土剪切软化曲线
• 6.2 压剪松弛函数的确定
• 6.3 剪切滞后因子的确定
• 6.4 双向压剪试验有限元模拟
• 6.5 本章小结
• 第7章 钢纤维混凝土隧道初期支护计算
• 7.1 概述
• 7.2 平面有限元计算
• 7.2.1 弯矩—曲率梁概述
• 7.2.2 弯矩—曲率梁计算
• 7.2.3 隧道开挖及支护过程模拟
• 7.2.4 钢纤维混凝土衬砌内力计算
• 7.2.5 鸿恩寺隧道稳定性判断
• 7.3 三维有限元计算
• 7.4 本章小结
• 结论
• 致谢
• 参考文献
• 攻读博士学位期间发表的论文及科研成果