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使用超高性能纤维钢筋混凝土(UHPFRC)的增强型钢筋混凝土梁

A.P. Lampropoulos a*, S.A. Paschalis a, O.T. Tsiouloua, S.E. Dritsos b

a.布莱顿大学，环境与技术，布赖顿，BN2 4GJ，英国

b.佩特雷大学，土木工程系，26500帕特雷，希腊

文章信息

文章历史：

2015年4月7日收到文章

2015年10月21日修订

2015年10月27日录用

2015年11月11日在网上发表

摘要：在本研究中，对超高性能纤维改性混凝土（UHPFRC）在加强现有钢筋混凝土（RC）大梁的使用效能方面进行了研究。实验工作已经实施以确定UHPFRC的材料性能。狗骨形试件已在直接拉伸荷载下进行测试，标准立方体已进行压缩测试。这些结果已用于采用有限单元法的数值模型的开发。已采用在弯曲荷载下进行测试的超高性能纤维改性混凝土层的进一步实验结果验证了该数值模型的可靠性。进一步的数值模拟研究已经对混凝土层和保护层进行了全面的梁加固，这些结果与传统的钢筋混凝土梁加固层和结合混凝土和钢筋进行了比较。对于加固梁混凝土三侧保护层它们的优越性能已经体现出来，并且这种技术的效率与其它加固方法的相比更突出。

关键词：超高性能纤维增强 混凝土 钢筋混凝土梁 加强 层 保护层

1、引言

用于改善现有的结构元件的性能的一种新技术，是钢筋混凝土的超高性能纤维（UHPFRC）连接层或保护层对现有的元素的应用。这种技术的效率并没有得到充分的研究，目前还没有对与其他传统的加固方法如钢筋混凝土（钢筋混凝土）层和保护层的使用进行比较的这种方法进行评价。

加强使用附加钢筋混凝土层和保护层的技术是在地震领域最常用的技术之一。对于用常规混凝土加固梁和柱已经有几个已发表的实验和理论研究[1–15]。可以大大影响耐久性和性能的加强结构的技术是附加层/保温层混凝土收缩应变的的一个关键参数。附加应力引起的加强元素可能导致开裂的新的层和/或脱粘[8–15]。由于UHPFRC优异的机械性能有可能同时其提高耐久性和抵抗性能。

这项研究的重点是对现有的钢筋混凝土梁加入UHPFRC层或保护层，超高性能纤维钢筋混凝土是一种具有优异的强度和能量吸收的新型材料。有一些发表的研究报告对超高性能纤维钢筋混凝土材料的力学性能进行了广泛的研究[16–21]。钢纤维的比例是影响超高性能纤维钢筋混凝土弯曲强度和延性的最重要参数之一。根据已发表的实验研究[16,17]，钢纤维数量的增加，导致弯曲强度加强，而塑性降低。通过研究康和基姆[ 18 ]纤维的取向分布对混合的影响，可知纤维的方向和分布的影响在开裂前和开裂后的阶段可以忽略不计，这大大影响了材料的性能。哈桑等人提出这种实验测试方法适合超高性能纤维钢筋混凝土的力学性能的评价[19]。对混凝土性能的评价进行详细的调查是由托莱多等人提出的[ 20 ]，哈贝尔等人对其进行了进一步的研究[ 21 ]。康等人对超高性能纤维钢筋混凝土直接拉伸进行了研究[ 16 ]，并提出了通过反分析与软化相三线性拉伸断裂模型。neocleous等人提出了用逆有限元分析的方法[ 22 ],导出钢纤维混凝土（SFRC）的拉伸特性。费拉拉等人强调了混凝土的纤维分布的影响，他对不同的纤维取向的影响都进行了检验。由于这个原因，相同大小但不同的流动方向的试块被制造出来。由于用了这种试块，梁试样被与平行于轴线和垂直于流动方向的试块切断。这个结果明显可以看出纤维的取向大大影响纤维增强水泥基复合材料的机械性能 [23]。

结果显示在以往的研究大多集中在对混凝土的力学性能的研究，并有其他已发表的对加强应用的研究[24–31]。Farhat等人对混凝土条带加固梁进行了研究。环氧树脂胶粘剂是用于混凝土和梁之间的结合。在这项研究中[ 24 ]，UHPFRC可以防止梁的剪切破坏，破坏荷载可增加到86%。BRuuml;hwiler和denarie [ 25 ]，BRuuml;hwiler [ 26 ]研究了UHPFRC在公路桥梁防撞护栏墙的改造和工业地板的应用，发现对于现浇、预制构件使用标准的设备使用该方法效率更加凸显了。贝斯奇等人调查发现UHPFRC的应用可以修复并加固梁柱节点，而且观察到了显著的承载力增量。哈贝尔等人提出了用UHPFRC对钢筋混凝土构件进行修复加固，这种技术被认为是相当有前途的，因为现有的结构有效地加强了他们的抵抗力并大大延长了被破坏的时间。noshiravani和BRuuml;hwiler提出了混凝土与钢筋结合强化元素的解析模型和复合构件抗剪性能的简化公式[28]。Magri等人研究了UHPFRC组合加固砂浆（TRM）的最大负载能力和延展性的增量[30]。

然而直到现在，没有任何对用混凝土三侧套管发表的研究，没有任何使用混凝土层或保护层与传统的加固技术的直接的比较。本文的主要目的是探讨混凝土层或在梁上加保护层的添加效果，以及使用钢筋混凝土层加固方法，对这种新技术的有效性进行了比较分析。在本文中，首先提出了在加强钢筋混凝土梁的一个数值的调查（第2节）。实验工作利用这些数据、数值模型模拟混凝土的实际特点进行拉伸和压缩。进一步验证该模型的准确性（第3节）。对横梁加固层和保护层进行广泛调查（第4节）。这些试样的性能与附加钢筋混凝土层加固单元的相应结果和三侧梁混凝土保护层的优越性能进行比较（第5节）。

2、钢筋混凝土梁在加固前的数值模拟与试验验证

首先，梁（IB）加强在本研究是基于前人的实验结果[7]，初始梁的横截面尺寸为150毫米，250毫米，长度为2200毫米。钢筋由两条直径为12毫米的钢制成，它可以在500兆帕的拉力下产生25毫米的应力值（图1A）。梁在28天时混凝土抗压强度等于39.5兆帕。有效跨度为2000毫米的梁在一个四点弯曲载荷下的偏转率为0.008毫米/秒。在跨中加载点之间的距离为500毫米（图1B）。

在有限元分析中，采用ATENA软件[ 32 ]。一个八节点单元模拟混凝土，在张力和使用sbeta本构模型[ 32 ]压缩的非线性行为和软化分支，提升抗压分行这一模型是基于cebfip模型代码90 [ 33 ]推荐的公式，而其软化法是线性下降的峰值应力直到极限压缩积极应变，这是由塑性变形和带大小定义，采用虚拟压缩平面模型。

图1.（a)计算模型（b)IB测试装置

图2 采用ATENA软件压缩sbeta本构模型[ 32 ]

图3 数值与IB实验结果

在张力、线性上升分支和指数软化分支的基础上的断裂需要创建一个单位面积的无应力裂纹，在所有的分析中弥散裂缝的方法经常被使用[ 32 ]。对于钢筋的模拟，使用双线性特性的线性元素。数值模拟的结果和实验的比较见图3 。

从图3中所示的结果中，可以观察到数值模拟的结果与实验结果拟合的很好。相同的假设可以被用于在下面的部分中的钢筋混凝土层和梁的建模。

3、混凝土的数值模拟试验研究

3.1混凝土材料的制备

混凝土是一种在拉伸和压缩时强度显著提高的材料，并且在开裂后的区域能吸收能量。混凝土一个最主要的特点是通过使用细骨料提高其受力的均匀性。在本研究中，用500微米的最大粒径的石英砂与硅灰、磨细矿渣（矿渣）混合在一起。硅粉粒径几乎小于水泥粒径的100倍，这样不仅改善了基体的密度也改善了流变学性能，而矿渣微粉作为一部分来替代水泥。使用高钢纤维含量（3%）的直纤维，其长度为13毫米、直径为0.16毫米。表1中的配合比设计是根据先前的实验调查。

表1

混凝土配合比设计

材料 混合比例（kg/m3)

水泥（52.5氮） 657

矿渣微粉 418

硅粉 119

石英砂 1051

高效减水剂 59

水 185

3%钢纤维（长度13毫米和直径0.16毫米） 236

混合前3分钟在高剪切混合器契克洛斯（盘式搅拌机ZZ 75）中进行混凝土干配料的制备，然后添加水和减水剂，最后逐渐假如钢纤维。试块在90摄氏度的蒸汽固化罐中分别进行了3天和14天的测试，发现适当的加速这些固化条件，在蒸汽固化罐（90°C）养护三天与相同正常条件下养护3个月的强度相同。

3.2压缩和直接拉伸试验与数值模拟

标准立方体抗压试验（100毫米左右）的平均抗压强度为164 MPa，并对6只狗骨形标本进行直接拉伸试验（图4）。

用哈桑等人所使用的恒定的加载速率为0.007毫米/秒来控制实验得出有可比性的结果。试样的延伸采用线性可变差动变压器（LVDT）记录。图4b的设置是用来测量超过105毫米的平均延伸和6个试样的所有应力与应变结果，连同平均曲线在图5中。

实验结果表明11.74兆帕和14.20兆帕之间的拉伸强度的变化。图5计算了平均应力-应变曲线并发现试块的平均强度等于12兆帕（图5）。实验从线性部分的应力-应变图的初始线性部分的斜率得到了杨氏模量（图5）并且可知其计算值为57.5 GPa。

当第一条裂纹出现时用光学测量裂纹和应变分布的装置，如图6所示，然后得到实验样本的应力应变结果。

数字图像相关（DIC）系统是为了在测试过程中，用于监测裂缝开度和应变分布（图6）。根据这些结果（图6）可知，该应变在应力-应变分布（应变值低于0.001）的弹性部分是沿试样均匀分布的。然后，在第二阶段（应变0.001和0.005）之间有一个狗骨标本的微裂纹和弹性应变的组合，在这个阶段，多微裂纹开度是考虑到沿监测长度的平均裂纹（图6）。对于应变值高于0.005的情况，试样的所有延伸是由于裂纹的张开（图6）。

与其他文献的相关研究[ 19，21]设计的混合结构的力学特性相比较可从表2中体现。

从表2的结果，可以看出，矿渣微粉的添加和混合钢纤维的百分比的增加可以提高试样的抗压强度和抗拉强度。

3.3 超高性能纤维钢筋混凝土的数值模拟

对超高性能纤维钢筋混凝土的数值模拟，采用有限元软件ATENA[32]。在模型中所采用的材料性能是用压缩和拉伸试验（第3.2节）得到的实验结果。在sbeta本构模型[ 32 ]和压缩的模型（图2）中采用164兆帕的压缩强度和杨氏模量等于57.5GPA的数据。使用该模型的杨氏模量和极限抗压强度来自实验测试，得到几乎呈线性上升的曲线，这与哈桑等人和格雷比尔提出的实验结果一致。

图5和图6表示在张力的行为模型的基础上提出的实验结果，图中表明当拉伸强度为11.5兆帕时应力应变为特征值，等于2毫米[ 31 ]。这个模型是由哈贝尔等人提出的，BRuuml;hwiler [ 26 ]、noshiravani和BRuuml;hwiler 进行了应用。根据这一模型，超高性能纤维钢筋混凝土用弹性特征建模，第二部分为线性应变硬化阶段多微裂纹。然后形成宏观裂纹的极限阻力有应变软化阶段时采用双线性模型建模。这是在目前的研究中比较认可的超高性能纤维钢筋混凝土拉伸的建模。

狗骨形试样使用上面描述的属性进行建模，并在图8 [ 31 ]中建立的数值模型中体现。

数值结果与实验的平均结果进行了比较，并给出了结果在图9 [ 31 ]。

结果表明，该模型能较准确地预测超高性能纤维钢筋混凝土在直接拉伸载荷作用下的响应。为了进一步验证数值模型的准确性，对50毫米的厚度的层在弯曲载荷下进行了测试。

3.4弯曲载荷下超高性能纤维钢筋混凝土层的实验研究与数值模拟

在这部分中，对50毫米厚度处的混凝土的实验和数值结果进行了检验。

在铸造过程中，试样在由外部振子压实前集中沿长边浇注并且填充第一层至约试样高度90%。然后模具填充和压实至BS EN 14651:2005 [ 38 ]，之后将试样绕其纵向轴线旋转超过90°进行测试[ 38 ]。

用三个宽为100毫米，跨度为300毫米的相同的试样进行4点加载，每个加载点的距离为100毫米。两个LVDT用于记录双边混凝土层的偏移，测试过程中将位移变化控制在0.001毫米/秒[ 39 ]。外磁轭（图10A）是用来排除任何附加的位移。实验装置图如图10A所示，裂缝开展情况如图10b所示[ 34 ]。

图4 直接拉伸试验几何模型（a)及试验装置(b)

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