摘 要

超高性能钢筋混凝土UHPC是一种全新的建筑工程混合材料。对比于普通钢筋混凝土来说，超高性能钢筋混泥土拥有优良耐久性、较高强度和极好韧性的优点，并且具有优异的抗疲劳性能、抗冲击和极好的耐久性。在土木建筑工程领域以及其他行业领域拥有广阔的运用前景和无限的发展前途，但是当下对超高性能混凝土UHPC结构受力性能和抗弯变形性能研究不是很普遍，这样就限制了其在土木建筑工程行业中的发展和应用。

当今21世纪建筑不但要具有足够的抗弯承载力，而且还需要有优良的抗疲劳性以及耐久性，土木建筑物的多样性、高层化和长久使用性使得对 超高性能混泥土的弯曲应变性能要求也日益严格。采用适当的钢纤维，采用适当的纵向加固比，可以大大提升钢筋混凝土的承载能力、应变性能和变形能力，减少混凝土裂缝的发展。超高性能混泥土 梁中适当控制钢纤维的使用量，采取合适的的截面纵向配筋比率，这样不仅能提升钢筋混泥土的承载力又可以保持其经济合理性，还能解决其脆性和应变不足的问题。

本次毕业设计借助CAD绘图工具分别作出有钢纤维UHPC和普通钢筋混凝土预应力截面的受力示意图并进行抗弯承载力的计算和分析，比较两者在配筋相同的情况下抗弯性能和应变性能的区别，以及进一步对钢筋UHPC梁的抗弯极限弯矩的计算和弯曲变形过程的阶段性观察和分析。以希望达到突出超高性能混泥土UHPC在实践土木工程运用中的超高韧性，超高强度和优良的抗疲劳和耐久性能的优势的目的。

关键词：超高性能混泥土,有钢纤维，预应力梁，抗弯承载力，弯曲变形。

Abstract

Ultra high performance reinforced concrete UHPC is a new construction engineering hybrid material. Compared with ordinary reinforced concrete, ultra-high performance reinforced concrete has the advantages of excellent durability, high strength and excellent toughness, and has excellent fatigue resistance, impact resistance and excellent durability. It has broad application prospects and unlimited development prospects in the field of civil engineering engineering and other industries, but the current research on the mechanical properties and bending deformation properties of UHPC structures is not very common, which limits its construction in civil engineering. Development and application in the engineering industry.

Today#39;s 21st century buildings not only have sufficient flexural capacity, but also need to have excellent fatigue resistance and durability. The diversity, high-rise and long-term use of civil buildings make the bending strain of ultra-high-performance concrete. Performance requirements are also increasingly strict. The use of appropriate steel fiber, using appropriate longitudinal reinforcement ratio, can greatly improve the bearing capacity, strain performance and deformation capacity of reinforced concrete, and reduce the development of concrete cracks. Appropriate control of the amount of steel fiber used in ultra-high-performance concrete beams, and the appropriate longitudinal reinforcement ratio of the section can not only improve the bearing capacity of reinforced concrete but also maintain its economic rationality, and also solve its brittleness and strain. Insufficient problems.

In this paper, a series of experimental studies and theoretical analysis of ultra-high-performance concrete reinforced beam structures are carried out. The anti-bending experiments of ordinary reinforced concrete beams and ultra-high performance concrete beams with steel fibers are resistant to ultra-high performance concrete components. The theoretical calculation of bending performance and bending capacity has been discussed. The mechanical drawing of steel fiber UHPC and ordinary reinforced concrete prestressed section is made by CAD drawing tool and the calculation and analysis of bending capacity are carried out. The difference between bending performance and strain performance of the two in the same reinforcement is compared. And further calculation of the bending ultimate bending moment of the UHPC beam and the phase observation and analysis of the bending deformation process. In order to achieve the goal of highlighting the ultra-high toughness, ultra-high strength and excellent fatigue and durability of the ultra-high-performance concrete UHPC in the practice of civil engineering.

Key Words:UHPC, Steel fiber, Prestressed beam, Bending capacity, Bending deformation.

目录

第一章 绪论 2

1.1研究背景及意义 2

1.2 UHPC国内外研究现状 3

1.3本文研究的主要内容 3

第二章 UHPC构件的预应力配筋计算原理 5

2.1 无钢纤维的配筋计算原理 5

2.2 有钢纤维的配筋计算原理 7

2.4 最小配筋率rho;min 13

第三章 钢筋超高性能混凝土梁的承载力计算 14

3.1 引言 14

3.2 钢筋 UHPC梁的受力变形过程 14

3.3 钢筋 UHPC 梁的承载力计算 16

第四章 总 结 23

4.1基本内容和结论 23

4.2展望 24

参考文献 25

致 谢 26

第一章 绪论

1.1研究背景及意义

超高性能混凝土，简称UHPC(Ultra-High Performance Concrete)，也称作活性粉末混凝土(RPC，Reactive Powder Concrete)，是过去三十年中最具创新性的水泥基工程材料，实现了工程材料性能的划时代跨越。

超高性能混凝土UHPC的设计理论是最大堆积密度理论(致密颗粒堆积)，在这其中不同大小的颗粒用最佳比例形式造就了最接近实际情况的堆积。也就是说毫米级颗粒(集料)的空隙被微米级颗粒(矿物粉末颗粒、粉煤灰颗粒、水泥颗粒)所填实，并且微米级颗粒(集料)的空隙也被亚微米颗粒(硅灰颗粒)所填实^[1]。上个世纪30年代，安德烈森就创立了最大体积密度理论的数学模型。然而，直到1970年代末，由于在高效减水器技术和产品的性能有了显著改善的前提下，使用该模型设计和研制的第一代UHPC诞生于丹麦奥尔堡的贝顿劳塔水泥和混凝土实验室，被称为crc（紧致增强复合材料，紧致增强复合材料）。CRC与当下的超高性能混泥土实现了基本一样的机械物理性能，其极限抗压强度超越了500MPa，并且采用了烧结铝矾土作为原材料，而且还采用了钢纤维来提升材料的综合性能，因此其被称为“复合材料”。由于当时高效能减水剂的制约，CRC和早期的超高分子量混凝土具有粘性，不易振捣密实，不利于现场应用^[2]。20世纪90年代，西欧在世界各地发起了合作研讨项目和广泛研究。于是这种新型材料得到了一个新名字“活性粉末混凝土”，俗称rpc，UHPC是本世纪逐渐形成的，由于和上个世纪的CRC或RPC相对比，随着不断改进设计原理、高效减水剂(聚羧酸体系)的出现和制备工艺的提升，这种材料已经拥有了普通混凝土的施工特性，也十分便于工程施工。还能在室温下保持，拥有广阔的运用条件。

UHPC是一种优异的耐久性混凝土工程材料。适当增强的超高性能混凝土UHPC力学性能可以逼近刚性结构，并且拥有良好的抗爆性和耐磨性。所以超高性能混凝土在防爆结构（军工、银行保险库等）、大跨度桥梁和薄壁结构，以及在高腐蚀、高磨损的条件下十分适用^[3]。如今超高性能混凝土UHPC已经在大量实际工程中得到运用，例如公路桥梁，铁路和隧道，大跨度天桥、薄壁筒仓等。这样能够看到UHPC在未来会有越来越多的运用和发展潜力。

1.2 UHPC国内外研究现状

上个世纪末，欧洲的Lafarge公司成功地研制了一种高延展性,高强度和较好

的耐久性的新型混凝土————活性粉末混泥土（简称RPC）^[4]。活性粉末混泥土由石英粉和砂，水泥，硅土，钢纤维以及高效减水剂组成。其制造工艺与普通混泥土类似，其抗压强度和普通钢筋不相上下。RPC的结构重量与钢结构的重量差不多，但是成本却是钢结构的三分之一左右。它的运用前景是非常广阔的。

对于 UHPC 的试验和研究，欧洲的Kassel 大学曾经发起了三次国际学术会议，会议的主要内容包括对 UHPC 原材料的化学和矿物组成、微观结构特征和性能、强度和韧性、耐久性能、制备条件、设计和施工等。会议还对全球的实际工程的应用案例进行了深刻的研讨和计算，而且也讨论出有关技术规范标准制订了的一些问题^[5]。UHPC 自问世以来，伴随其设计和制造理论的改进，这种材料基本上满足了普通混凝土施工的工艺要求，并且其运用越来越普遍。

中国在超高性能混凝土的研究和运用领域起步较晚，但是进展迅速。上个世纪五十年代我国曾用700号水泥（水灰比0.31 ~0.33）制成抗压强度150MPa的混泥土并且运用在预应力混凝土结构上，和同跨度的普通混泥土相比，节约混泥土47%，钢材53%，自重减轻45%^[6]。上个世纪 九十 年代湖南大学黄政宇等人的研究，通过使用 535#硅酸盐水泥并加入一些的活性掺合料，而且还加入钢纤维和高效减水剂等方法，成功制作出强度超过 250Mpa 的超高强度混凝土UHPC。在这之后，清华大学、北京理工大学、中南大学等国内著名大学都相继地加入到超高性能混凝土材料的研究工作。安徽蚌埠水泥制品厂曾为煤矿部门生产大量的强度为100MPa的巷井工程用钢筋混泥土支架和护板，但类似的UHPC研究 目前在国内应用的大型工程实例还并不多见^[7]。

随着中国建筑行业的快速崛起，建设规模不断壮大，建筑业俨然成为我国重要的支柱产业。随着我国城市人口的不断增加，城市土地在激烈的商业竞争中变得越来越紧张和不足。同时建筑规模越来越大，这样就促进了建筑设计和施工技术的提高。以及对高性能混凝土的迫切需求。本文将研究不同配筋的超高性能混凝土构件的承载力分析和理解超高性能水泥混凝土构件的配筋设计原理。

1.3本文研究的主要内容

本文对UHPC梁构件进行了一系列的实验研讨和实践分析，经过有钢纤维的超高性能混凝土梁和无钢纤维普通混泥土梁的抗弯和合理的截面配筋实验，对UHPC构件的抗弯性能和抗弯承载力的计算理论做了一些研究，主要内容和结论如下:

1. 本实验研究了超高分子材料的物理力学性能和耐久性能，得出了钢纤维结构对超高分子材料受力和形变影响的结论。实验显示，超高性能混泥土拥有

高强度，高弹性模量和较好的弯曲形变能力的优点^[8]，又拥有较好的耐久性能和韧性。从钢纤维结构的比照实验中可以得到，钢纤维的加入对混泥土结构有显著的增加韧性的作用，伴随着钢纤维含量的添加，其抗压强度的；变化可以忽略不考虑，但是弯曲开裂和弯曲强度大大增加。必要的时候，添加混合纤维可能比添加单纤维更好地提高材料的物理力学性能。

（2）对有钢纤维UHPC和无钢纤维的普通混泥土分别进行了正截面的抗弯承载力分析和应力-应变分析，当添加钢纤维时，对混泥土轴心抗压强度的影响可以忽略不计，但对混泥土立方体的抗拉强度有明显的影响。受弯裂缝产生后因为钢纤维的桥接作用，使得混凝土并不失去抗拉性能，而且混凝土结构的塑性性能也会得到大幅度的提升，此时普通混凝土的配筋方法将不再适用，混凝土的抗拉性必须计入承载力之中。

（3）本次实验研究了超高性能混凝土配筋梁的极限承载力以及梁面开裂力矩。推算出了普通配筋梁裂纹弯矩的等效公式和理论公式。由于钢纤维对拉伸带塑性性能有一定的影响，于是我们加入了裂纹修正系数来校正裂纹弯矩计算公式。在平面截面假设的基础上，建立了超厚板的应力型式与压力、张力型式相对应，而且还创立了超厚板最大承载力的计算公式。

(4)从本次实验结果的钢筋挠度曲线可以看出，超高性能混泥土梁的破坏被认定为延性破坏。在钢纤维提高超高性能混凝土UHPC梁的应力和变形性能进程研究中，由于钢纤维对超高性能混凝土梁形变和受力的影响。UHPC梁的破坏进程可分为4个阶段。

（5）一般来说对于普通钢筋混凝土，其抗拉强度对于总体受力来说是十分低的。普通钢筋混凝土结构在计算抗弯承载力时，不考虑正截面。由于混凝土的抗张强度十分低，因此在计算弯矩时，我们一般不考虑抗张承载力的影响。一旦受拉区出现裂缝的时候，我们便得知该处的混凝土退出了受力工作^[9]。但是我们知道普通混凝土的抗拉强度远远低于超高性能混凝土的抗拉强度，所以我们在计算超高性能混凝土钢筋UHPC梁弯矩的时候，其极限抗拉强度是必须考虑在内的。通常在计算普通混泥土的抗弯承载力时，我们只计算混泥土和钢筋的承载力，所以本次实验在普通混泥土的基础加上现有的规范规定的情况下，得到了超高性能混泥土梁截面的最大抗弯弯矩的计算办法。

第二章 UHPC构件的预应力配筋计算原理

2.1 无钢纤维的配筋计算原理

一般来说超高性能混泥土和普通混凝土相比的话，如果UHPC中没有添加钢纤维的时候，虽然此时混凝土构件的抗压强度和抗拉强度都有了飞速地提升，但是由实验数据我们知道其两者的提升程度却是不尽相同的，具体结果见表2-1