文摘

在这项研究中,模型计算的开裂荷载和峰值负载UHPC-NC结构建立。UHPC的高拉伸强度的影响,在数控钢筋钢筋,在UHPC加强钢筋,预应力筋在UHPC开裂荷载和峰值负载。开裂荷载模型,UHPC被认为是弹性应力分布是三角形,钢筋和预应力筋的应力也根据平面部分的假设和计算弹性理论。在峰值负载模块,UHPC被认为是部分弹性和部分塑料。塑料部分是由一个矩形压力框图和应力值换算系数和矩形压力框架高度换算系数计算得到审判。而UHPC-NC梁的实验数据与从引用收集不同类型的组合,计算结果具有较高的匹配程度,适合各种类型的UHPC-NC,开裂载荷和高峰负荷。

1。介绍

超高性能混凝土(UHPC)是一种新型建筑材料开发的理查德和Cheyrezy 1995年(1]。UHPC已广泛应用在保护结构与苗条和巨大的结构设计。UHPC具有良好的力学性能,包括高强度在压缩和紧张2- - - - - -4],应变硬化[5)低渗透(3)、高的吸收能量和耐久性(6]。由于其优异的性能,许多研究人员已经研究了结构响应UHPC结构。相比与传统的钢筋混凝土(RC)元素,UHPC结构的整体性能,包括极限强度、刚度、延性行为和应变硬化,已经大大改善了。它可以有效地控制裂缝宽度和延性7,8]。

UHPC还具有良好的抗冲击性和能量吸收能力。魏风扇出版社检查影响表演UHPC列通过落锤冲击试验系统,结果显示的防撞性axially-loaded UHPC列被证实是大大优于传统的钢筋混凝土柱(9]。Doo-Yeol Yoo等人调查的影响和爆炸抗性UHPC,发现UHPC更高的能量消散的影响比普通混凝土(10]。分析低速UHPC耐冲击,魏郭等人建立了修改CSCM模型,用来计算低速UHPC耐冲击,这是在良好的协议与实验结果11]。基于优良性能,UHPC用于加载结构需要抵制的影响。它是用来加强传统的混凝土柱。三个强化形式已经被魏完成风扇,加强与理列UHPC夹克是更好的加强方法(9]。加固方法用于提高桥墩的防撞性,和各种参数的影响,分析了桥墩的防撞性响应面模型(12,13]。UHPC及钢结构的组合也被证明具有良好的抗冲击性。不同类型的核心结构被学者通过实验调查,以及各种模型模拟的有限元方法,证明UHPC面板可以有效保护结构在高能源的影响(14]。

UHPC通常用于修复钢筋混凝土结构提高承载力和抗冲击性负荷。结构(9,14- - - - - -16];它还结合钢筋混凝土用于提高钢筋混凝土结构的性能和降低UHPC的价格结构17,18]。

根据穆罕默德和Isa,无论喷砂的表面周围的混凝土梁,然后把UHPC模具内或债券的钢筋混凝土梁预制UHPC条使用环氧胶粘剂,UHPC和普通混凝土(NC)可以一起工作,和变形符合平面部分的假设(18]。太阳和刘所做的实验加强钢筋混凝土梁与HSH UHPC层。挠度、应变分布,裂纹扩展和详细描述失效模式。中间部分的测试验证UHPC检测数控复合梁符合假设飞机的部分(19]。

鞑靼斯坦等人所做的实验比较环氧树脂和机械UHPC层的锚地e原始的RC梁(20.]。结果显示两种方法可以改善结构的峰值负载,UHPC预制层,钢筋混凝土的结合是好的。侯赛因和Amleh标本使用UHPC紧张和普通强度混凝土层压缩。结果表明,该复合系统成功地增强在弯曲和剪切机的能力(21]。

许多实验研究已经完成的组合形式UHPC-NC组合成员。详细调查的RC加强UHPC底部边缘,提出的上边缘,夹克是Lampropoulos et al。15]。底部边缘,两个纵向和三方加强实验和分析调查了Al-Osta et al。实验结果表明,该梁加强能力增强(最高的三面18]。

Safdar和穆罕默德尝试添加钢钢筋在添加UHPC层。通过添加UHPC层拉伸,可以大大提高刚度,裂缝的形成被推迟,高峰负荷略增加(22]。实验结果的文献[13)表明,弯曲阻力UHPC-NC可以大大提高安装适当的纵向钢筋在UHPC层(19]。

2。材料和方法

2.1。样品测试收集和分类

本文收集的一些实验样本UHPC-NC复合结构。七块标本被AI-Osta et al . UHPC强度测试钢筋混凝土梁从底部边缘,纵向方面,分别和夹克18]。Lampropoulos Paschalis也进行了实验和顶部,底部边缘,和夹克,分别15]。

阴霍尔等人已经测试了两种类型的标本。第一个测试UHPC作为修补材料修复混凝土结构恶化;第二个测试UHPC作为覆盖系列用于改造一些进入挑檐底面RC梁的23]。Paschalis和Lampropoulos测试全面RC梁加强UHPC层。额外UHPU层有无钢钢筋检测(24]。Safdar和松本增强RC梁在张力和压缩区,不同厚度的UHPC (22]。李汪汪等人已经测试了七UHPC组成的焊接和数控,同时考虑不同钢筋和预应力钢筋的影响(25]。

2.2。材料特性的标本

通常,UHPC的抗压强度远远大于普通混凝土。本文的所有抗压强度UHPC超过100 MPa,如图1;UHPC 11 MPa-18 MPa的抗拉强度,如图2;普通混凝土的抗压强度是30 MPa-60 MPa,如图3;和普通钢筋的强度500 MPa - 600 MPa。李汪汪的样本添加UHPC高强度预应力筋,和抗拉强度设计值是1860 MPa (15,18,22- - - - - -26]。


图1
UHPC压应力的分布。

图2
UHPC拉应力的分布。

图3
数控压应力的分布。

所有的样品考虑UHPC张力区内的损害;一些使用两级应力-应变曲线,和一些使用多级曲线,如图4。一般来说,力学计算模型使用一个两阶段的公式,而有限元模型使用一个两级或多级公式。


图4
UHPC拉伸行为:(a)两阶段(b)多级。

采用两级配方的样品Al-O Safdar,和第二阶段的斜率为负的拉伸损伤区考虑UHPC [13,20.]。这种类型的应力-应变曲线也用于有限元模型计算在文献[21]。根据文献的结论,有限元计算结果与实验结果完全一致(27]。在Kazutaka Shirai的示例中,只有底部边缘的UHPC加强,假设UHPC达到抗拉强度设计值。这个假设也被认为是一个两阶段类型和底部边缘UHPC是在第二阶段28]。

有限元计算的Spyridon Paschalis的样本,采用多级应力-应变曲线。升序和降序的应力应变部分表示为一个函数(24]。乔凡尼Martinola样本的多级模式应力-应变曲线也采用了,压力的上升部分应变和应力的函数下降部分的裂缝宽度的函数,如图4(b) (24]。两种模式本质上是一样的,除了第一个模式将裂缝宽度转换成截面应变。

由于UHPC的超高抗压性能,混凝土的压缩区很少到达极限抗压强度,所以UHPC可以认为是弹性压缩区。

UHPC的抗拉强度是通过劈裂强度测试(29日)或弯曲试验(30.UHPC],而抗压强度是通过气缸标本(31日[]或立方标本32]。

本文主要研究了开裂荷载和承载能力的快速计算方法,所以采用两级应力-应变曲线,第二阶段是假定为水平。UHPC在压缩区也被认为是在弹性阶段,符合胡克定律和应力-应变关系。

所有使用的强度钢钢筋计算模型采用双节的应力-应变曲线,和大多数样本的第二部分是水平直线,如图5。这也是本文采用应力-应变模型。


图5
钢钢筋紧张的行为。
2.3。结合部分的标本

UHPC主要用于提高钢筋混凝土结构的能力和耐久性,与不同的组合。所有标本可以分为5种。

钢筋混凝土梁的底部边缘加上UHPC,有或没有强化UHPC层,如图6(一个)。这种类型是最常用的组合UHPC和钢筋混凝土,可显著提高钢筋混凝土梁的承载力和耐久性,和合并后的效果是显而易见的。UHPC钢筋混凝土梁而言,普通混凝土梁的底部是用高压水枪洗净,然后用UHPC倒在大多数实验。除了这样,Tanarslan等的实验连接UHPC层压板的RC梁通过与环氧树脂粘合和机械锚固也很好。

(一)
(一)
(b)
(b)
(c)
(c)
(d)
(d)
(e)
(e)
图6
部分标本细节。

钢筋混凝土梁的顶部加上UHPC,通常用于加强原梁顶部边缘时梁的裂缝或防水性能,如图6(b),这种组合对承载力影响不大,它不会在本文中讨论。

钢筋混凝土梁在两个垂直的侧面,结合UHPC如图6(c)。这种形式有很好的对提高抗剪能力的影响但影响提高抗弯能力很差。组合形式可以抑制网络裂缝的发展,施工方便,可用于加强框的网结构。

在夹克组合,钢筋混凝土梁结合UHPC从底部边缘和两个垂直的侧面,如图6(d)。根据实验数据,这种加固方法是有效的(15,18]。

全封闭型强化,UHPC包装所有原始的混凝土结构,像一个呼啦圈,如图6(e),少使用这种组合形式。

2.4。现有的设计模型的弯曲成员

文献中的实验证明UHPC之间的连接和数控连接,可以被视为相同的横截面(18- - - - - -21]。因此,所有计算模型的假设飞机部分甚至UHPC交界处和数控。

2.4.1。钢筋混凝土的计算模式

根据设计规范ACI318(2008)为钢筋混凝土结构,简化矩形压力图是采用普通钢筋混凝土构件的压应力,混凝土的拉应力是忽略。这种计算模型也采用本文中推荐的压力和系数是ACI318 [32]。

2.4.2。UHPC在紧张地区的计算模式

在峰值负载的计算模型中,UHPC张力带的压力分布曲线以及梁的高度,所以计算是不方便。学者简化应力曲线。沿梁的高度简化的应力分布可以分为单级和两级,如图7。(1)单程类型该模型假定应力图张力带是矩形,和UHPC张力区域应力值 ,矩形的高度是αhut。在哪里β是减压的因素和拉伸区域的高度了吗α换算系数(33]。这种方法很容易计算,合力的作用是明确的。然而,UHPC张力灾区的情况仍在弹性阶段不能考虑。该方法适用于底部边缘强化或组合,和UHPC层很薄。(2)两级类型两级计算模式UHPC层分为弹性和弹塑性(裂缝),并考虑钢钢筋的约束UHPC开裂,不考虑减少压力图的高度和宽度。的压力图这种方法更准确,但计算过程有点复杂。不同损伤计算方法会有不同的应力分布。


图7
计算模式的UHPC张力区(a)单程类型(b)两级类型。
2.5。受弯承载能力的预测模型UHPC-Concrete组合成员

根据上面的分析和研究数据,快速预测UHPC-NC复合梁的开裂荷载和峰值负荷,以下建立计算模型。因为UHPC顶部表面通常用于防水,UHPC全封闭的情况下很少使用在实际项目。所以这两种类型将不考虑。

开裂荷载和峰值负载计算了平面部分的假设和平衡内力,如图8。开裂荷载计算时,张力区和压缩区UHPC是在弹性阶段,和普通混凝土压缩区也在弹性阶段。UHPC的边缘拉伸区达到抗拉强度。钢钢筋和预应力筋的应力是由胡克定律计算。计算峰值负载时,普通混凝土的压缩表示使用惠特尼压力ACI的代码块(33];压缩的UHCP也由矩形应力块(34]。UHPC张力区采用两阶段模型,但塑料UHPC认为减少两个因素。β是减轻压力的因素,拉伸区域的高度了吗α减少的因素,这两个参数的值计算得到审判。

(一)
(一)
(b)
(b)
图8
弯曲模型的描述。(一)开裂污点和应力分布。(b)染色和在失败时的应力分布。

在计算开裂荷载,通过力和力矩的平衡,我们可以得到以下方程:

与 在哪里 是上层钢筋的合力。 的面积是上边缘强化, 上边缘强化模量, 是上边的应变强化;

在压缩区UHPC合力。 是宽度UHPC一边在压缩区, 中性轴的距离上边缘, UHPC顶部压力; UHPC合力在压缩区。 在压缩区宽度数控, 是数控顶部压力; 的合力在底部数控钢筋;这是张力。 在底部数控钢筋的面积, 是强化模量数控底部, 在底部数控钢筋的应变; 和 是UHPC在底部和侧面的合力。 UHPC高度在底部边缘, UHPC开裂应力, 是部分的高度; UHPC合力的预应力筋, UHPC预应力钢筋的面积, UHPC预应力的模量, UHPC是预应力钢筋的应变; 在底部UHPC合力的铁栏杆,拉伸力。 在底部UHPC钢筋的面积, 是强化模量UHPC底部, 在底部UHPC是钢筋的应变;在计算峰值负载时,通过力和力矩的平衡,我们可以得到以下方程:

与 在哪里 是减压UHPC系数, 是一个因素的深度相关的等效矩形应力块UHPC中性轴的深度。通过试验数据的计算, 。 是减压数控系数在压缩区, 是等效矩形应力块深度相关的因素的深度中性轴的数控压缩区。根据ACI代码(32), 。 在弹性UHPC的高度。

是否开裂荷载峰值负载,UHPC处于弹性状态的影响在轴向力和弯矩。开裂荷载的计算,上部和下部边缘钢筋和预应力筋计算了胡克定律;在峰值负载的计算,认为所有钢钢筋拉伸区已失败的压力。然而,如果UHPC变形能力差,钢筋不会达到屈服应力。所以当方程(3),3 b,UHPC需要足够大的最终变形,建议超过0.005。

本计算模型适用于所有加固形式,无论普通混凝土的截面是矩形,工形截面或盒子。该模型也适用于钢筋混凝土结构和预应力钢筋混凝土结构。

3所示。结果

3.1。计算结果

文献中的数据(15,18,22- - - - - -26)代入公式和计算结果如表所示1。

表1
UHPC-NC的实验数据和计算数据在文献中报道。

类型3的开裂荷载组合是由普通混凝土和普通混凝土的抗拉性能很差所以本文不计算3型的开裂荷载,但只有峰值负载。

从表可以看出1无论哪一个组合形式,本文的计算方法是接近实验数据。

从图可以看出9区别实验开裂荷载和开裂荷载计算本文非常小。在参考文献[13,20.,21)的最大浸开裂荷载是11.49。所以本文开裂荷载的计算是准确的。然而,开裂荷载的计算方法本文不能区分之间的区别几个连接类型的UHPC和数控,如锚定、环氧树脂粘结,喷砂,浇注。根据原始实验数据,偶然因素排除后,不同连接类型之间的差异很小,可以由相同的计算公式计算(20.]。在文献[12),没有钢筋UHPC层。在文献[18),钢筋被添加到普通钢筋混凝土和UHPC。在文献[19),UHPC层预应力。计算表明,开裂荷载计算本文非常接近实验开裂荷载在引用(12,18,19),所以本文中的模型适用于UHPC有无强化(18,24,25]。


图9
比较实验值和计算值之间的开裂载荷。

从图可以看出10本文所有的高峰负荷计算接近实验值,峰值负载的最大浸是14.2。所有其他的浸的峰值负载小于10;大部分的x小于5。一些计算结果更接近实验数据比原来的计算模型。特别是在计算文献[19),有很大的差距原来的计算结果和实验值,但本文的计算结果非常接近实验值。因此,该模型可以更准确地计算峰值负载比其他计算模型。


图10
比较实验值和计算值之间的峰值负载。
3.2。分析模型和样本之间的相关性

图11情节分析结果比实验结果,包括开裂荷载和峰值负载,其中大多数是垂直集中在0.9和1.2之间。图12土地测量开裂荷载与相应的文献开裂荷载和当前开裂荷载计算。的平均值米C(计算)/米C摘要(实验)为0.98,标准差为0.122。图13土地测量高峰负荷与最初计算峰值负载和当前计算峰值负载。的平均值米p(计算)/米p摘要(实验)为1.04,标准差为0.08。


图11
比率的实验结果的分析结果。

图12
实验开裂载荷和相应的文化开裂荷载和当前开裂荷载计算。

图13
实验高峰负荷与相应的文献确定峰值负载和当前计算峰值负载。

通过实验数据和计算结果的比较,该模型的计算结果与开裂荷载和峰值负载所有测试样本的结果。最大的x和开裂荷载是11.64%,落后和最大负载14.2;钢筋都是在第一种样品在文献[22]。的最大浸开裂荷载是脾俞标本,其中UHPC层是20厘米;峰值负载的最大浸昆仑,UHPC层是60厘米。

没有这个模型的计算结果和实验结果的许多项目,和变异系数也较小。这表明本文采用的计算模型与实验数据有很好的适用性。从数据分析,除了一些数据,本文中采用的模型更接近于实验值比原来的计算模型,特别是文献[的峰值负载25]。

4所示。分析和讨论

在这项研究中,它可以从上述计算的开裂荷载和峰值负载UHPC-NC梁受到许多因素的影响。例如,UHPC拉伸和压缩特性,UHPC极限应变、钢筋强度、钢筋面积,预应力肌腱,等等。

4.1。UHPC拉伸和压缩性能

一般来说,UHPC抗拉强度和抗压强度的增加,以及抗拉强度约为抗压强度的1/10。它可以看到从方程。(1一)和1b的开裂载荷UHPC性能的影响。结合类型1和4,开裂荷载是由UHPC拉应力控制。因此,开裂荷载随UHPC的性能。结合3型,开裂荷载控制的数控拉应力、抗裂性是没有不同于普通钢筋混凝土。如果是结构加固,开裂的迹象,类型1和类型4增援部队将从普通钢筋混凝土开裂UHPC开裂,开裂荷载将大大增加。然而,3型钢筋仍以普通钢筋混凝土的开裂和开裂荷载不会增加太多。

它可以看到从方程(3),3 bUHPC张力区内能提供相当大的拉应力,抗拉和抗压强度的增加UHPC的强化形式可以增加结构的峰值负载。

基于实验样本参考12日UHPC调整的抗压强度,抗拉强度是假定为抗压强度的1/10,和。图14获得了。图14显示了峰值负载变化以及UHPC 1.3.4的形式的性能。夹克强化峰值负载的增加显然UHPC抗压强度,和底部边缘强化增加最慢,但底部边缘加固厚度的影响也应该被考虑。如果UHPC层加厚,可以推断出从方程(3),3 b1型图的斜率14将变得更大。


图14
峰值负载变化与UHPC的抗压强度。
4.2。钢筋强度和钢筋面积

在UHPC-NC复合梁的设计,如果UHPC底部层厚,钢钢筋可以添加;钢筋不能添加如果UHPC层很薄。钢的强度和面积钢筋弯曲性能有直接影响,无论是UHPC层或数控层。通常情况下,钢钢筋UHPC层远离中性轴和UHPC一起变形。强度和区域有一个很大的影响的弯曲性能结构。UHPC的强化层最好由高强度钢筋,UHPC匹配良好的变形能力。在参考18,可以看出,添加钢钢筋的组合形式是89.6%高于普通钢筋混凝土梁的初始峰值负载,和组合形式的UHPC层没有钢钢筋比普通钢筋混凝土梁的高出1.3%。因此,如果组合或强化的目的是为了提高峰值负载,UHPC层需要足够的厚度和高强度钢钢筋。有必要防止super-reinforced梁破碎混凝土顶部边缘当添加钢钢筋和预应力筋。

4.3。预应力筋

如果使用UHPC加强普通混凝土,预应力肌腱位于普通混凝土,需要遵守的规范普通预应力混凝土;如果是UHPC-NC复合梁,预应力筋在UHPC层一个更好的选择,确保UHPC之间的变形协调和高强度预应力肌腱和增加开裂荷载和峰值负载。所以本文只考虑预应力效应UHPC层。

结构裂缝的宽度和结构损伤可以减少应用预应力,和结构的承载力也可以改善。在文献[使用一个示例25),调整拉应力的计算由预应力控制图15。它显示了结构开裂荷载的变化当不同比例的控制拉伸应力。与控制预应力筋的拉应力的增加,结构的开裂荷载线性增加。


图15
开裂荷载变化与预应力比率。

5。结论

在这项研究中,一个机械计算模型预测性能的UHPC弯曲成员建立和验证。31个标本的实验数据证明了该模型适用于预测UHPC-NC复合梁的开裂荷载和峰值负载。结果表明,复合梁的抗弯性能可以提高通过增加UHPC的强度,钢筋的面积和强度,预应力筋的面积和强度。(1)在开裂荷载的计算,UHPC被认为是弹性,压力是分布在一个三角形。在计算峰值负载,UHPC分为塑性和弹性。计算弹性部分是根据实际的应力分布;塑料零件的计算高度换算系数β和减少塑性应力因素α介绍,他们的价值观是0.565和0.75,分别通过实验计算。计算结果有很好的一致性的数据引用。(2)在开裂荷载的计算,普通钢筋和预应力弹性,和飞机部分假设和胡克定律是用来计算压力。在峰值负载的计算,普通钢筋和预应力塑料,以及钢筋的破坏载荷被替换而不是屈服载荷。(3)这个模型是用来计算三种组合类型:底部边缘,两个垂直的侧面,夹克的组合。如果它是必要的,也可以扩展到顶级组合,内容更广泛的组合计算。本文在数控层普通钢筋,UHPC层中的普通钢筋和预应力筋在UHPC层也会考虑。详细的参数被认为是和有很强的适用性。因此,本文计算模型具有较强的适用性和可应用于各种UHPC-NC梁的组合。(4)影响开裂荷载和峰值负载的参数进行了研究。UHPC性能的影响在底部边缘的组合,两个垂直组合,夹克组合进行了分析。的影响强度和钢筋和预应力筋进行了分析和计算。基于样本的裁判。19),预应力筋在控制拉伸应力的影响进行了分析。预应力的增加控制的拉应力肌腱,开裂载荷将会增加。模型没有考虑UHPC之间不同的连接方式和普通混凝土。在未来的研究任务,这些因素的影响将被考虑。

数据可用性

数据可从相应的作者在合理的请求。

的利益冲突

作者宣称没有利益冲突。

作者的贡献

Yanru陈做数据收集和开发方法;魏毛泽东和Yanru陈写了初稿,还浏览了手稿和编辑;魏毛进行监督。所有作者已阅读及同意发布版本的手稿。