硕士学位论文-一种基于断裂力学原理的复合钢筋混凝土新结构研究.doc
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1、分类号 TU4 单位代码 10618 密级 学号 99005硕士学位论文论文题目:一种基于断裂力学原理的复合钢筋混凝土新结构研究 Study about a New Reinforced Concrete CompositeStructure Based on Fracture Mechanics作者姓名: 导师姓名、职称、 学位及单位名称: 教 授 申请学位级别: 硕士专业名称: 桥 梁 与 隧 道 工 程论文提交日期: 年 月 日 论文答辩日期: 年 月 日学位授予单位和日期: 答 辩 委 员 会 主 席:评 阅 人: 年 月 日摘 要钢筋混凝土结构的抗裂性、耐久性和跨越能力差,为解决这一
2、问题,预应力结构应运而生,得到了广泛的应用,目前,在较大跨经的结构中运用预应力几乎仍是唯一的选择。有没有增强结构抗裂、耐久性能和跨越能力的其他选择呢,答案是肯定的。本文基于断裂力学的基本原理分析了传统钢筋混凝土结构的破坏过程,提出了一种复合钢筋混凝土新结构的设计构想。新结构能够延缓结构中裂纹的出现,并能有效阻止裂纹的发展,具有比普通钢筋混凝土结构更加优良的抗裂性和更高的极限承载力。理论分析及实验室的实验证实:新结构不但有较高的开裂荷载,而且裂纹出现后,发展缓慢;极限承载能力显著提高;新结构抗弯刚度明显增大;新结构具有良好的变形性能和延性。复合钢筋混凝土新结构和普通钢筋混凝土结构相比,各方面的性
3、能均有显著的提高,是一种更加优良的新结构。新结构的思想不仅可以用来设计、新建结构,也可用于加固旧结构。新结构与普通钢筋混凝土结构相比,在结构跨径相同的情况下,新结构的截面高度可以减小,使结构轻型化;在结构截面相同的情况下,新结构的跨径可以增加,使结构的跨越能力增大。本文提出的复合钢筋混凝土新结构是一种新的结构设计思路,是在预应力之外的另一种实现结构轻型化、大跨化的新方法。关键词:断裂力学,钢筋混凝土结构,复合钢筋混凝土新结构ABSTRACTDue to the low anti-crack performance and poor durability and spanning ability
4、 of the reinforced concrete (RC) structures, pre-stressed concrete (PC) structures have been widely used. At present, the PC structure is almost the only choice in long spans. Could the situation be changed? The answer is positive.In the paper the failure process of traditional RC structure is detai
5、ledly analyzed based on the principles of fracture mechanics, then a new composite reinforced concrete (CRC)structure is proposed. The new structure can delay the emergence of cracks and hold back the propagation of the cracks effectively, so the new CRC structure has better properties than the trad
6、itional RC structure.Theoretical analysis and the experimental results show that the new structure has a higher cracking-point load; a much higher ultimate carrying capacity because the growing cracks are held back, and a more excellent ductility.Owing to the property promotion, the new CRC structur
7、e can not only be beneficially applied in designing new buildings and bridges, but also in strengthening old RC structure. Compared with the traditional RC structure, the new structure can span a bigger length with the same section, or weight much less with the same span length.The new RC composite
8、structure put forward in the paper makes a new design concept about structure and a new method (compare with the PC structure) to construct a lighter-weight and longer-span structure.KEY WORDS: fracture mechanics, reinforced concrete (RC) structure , new composite reinforced concrete (CRC) structure
9、目 录第一章 绪论 11.1钢筋混凝土结构的破坏过程和裂纹发展的关系21.2断裂力学及其基本原理51.3新结构设计思想的提出 .61.4外加筋技术和断裂机理 .61.5普通钢筋混凝土结构和复合钢筋混凝土新结构的特点81.6本文的主要内容、目的和意义.10第二章 断裂力学基本原理和钢筋混凝土结构破坏过程分析122.1引言. .122.2断裂力学的基本原理.132.3混凝土结构中典型裂纹的形式及其应力强度因子.152.4钢筋混凝土结构中裂纹发展过程的断裂力学分析.182.5钢筋混凝土结构破坏过程的断裂力学分析.23第三章 基于断裂力学的新结构253.1断裂力学的阻裂机理及复合钢筋混凝土新结构253
10、.2复合钢筋混凝土新结构的性能的力学分析283.3新结构的设计思想34第四章 阻裂材料的确定和新结构的制作工艺364.1外粘贴阻裂材料的选定364.2对于粘贴的结构胶的要求384.3玻璃钢阻裂结构层的特点和制作工艺39第五章 实验 425.1实验前期准备工作425.2新结构的实验设计445.3结构的制作465.4结构加载对比475.5实验结果及分析49第六章 技术、经济效益分析 596.1技术分析596.2经济效益分析596.3新结构的运用前景60结束语参考文献致 谢第一章 绪论随着结构形式从砌体结构发展到钢筋混凝土结构,再从钢筋混凝土结构发展到预应力混凝土结构,结构的设计理论得到了极大的发展
11、。随着这种发展,同时也产生了一些理论和应用问题,有待于进一步深入研究。现行的混凝土结构设计理论存在如下问题:第一、 对结构破坏过程缺乏深层次的研究结构从“初始”建成到“破坏”有一个漫长的过程。现行混凝土结构理论也认为结构建成的“初始”状态存在着缺陷和微裂纹;但设计时仅考虑“破坏”状态时内力平衡来设计结构的承载力,这种处理问题的方式实际上忽略了破坏过程中损伤的累积和裂纹的发展。这种忽略“初始”至“破坏”漫长过程的研究,对结构的破坏过程和损坏程度不能作出更加全面和科学定量的描述,于是新结构设计便和旧结构改造各自“独立”了开来。只有对这一过程进行分析,才能了解损伤累积和裂纹扩展对结构工作特性的影响,
12、从而对结构的状态作出更科学的判断,使新结构设计和旧结构加固改造这两种各自独立的理论和方法有机结合起来。有了对这一过程的认识,一方面,可以在新结构设计时,把减少、延缓开裂和破坏的发生作为重要因素进行考虑,设计出同时具有优良抗裂性能和超常承载力的新结构;另一方面,可以在结构加固改造时,考虑破坏过程和程度,以更科学的手段修复或增强结构。第二、 分析手段仍停留在传统强度理论阶段现行的结构设计理论基于的是传统力学的强度、刚度和稳定性理论,同时目前结构破坏状态的判断和破坏结构的加固改造技术也是基于传统的力学理论。传统的力学理论和分析手段,严格地说,对结构破坏的过程分析和对破坏结构的状况评价是不完全适用的,
13、主要的是:传统力学不能计入损伤累积、裂纹发展在新建结构工作过程中的影响,所以不能对旧结构的破坏状况做出正确评价,因之将新、旧结构割裂了开来分别研究。断裂力学是在实践基础上发展形成的一门新兴力学学科,它是研究破坏的发生、发展及其判据的一门科学,能从新的角度对破坏进行深层次分析,描述破坏过程,评价损伤状况。断裂力学已在机械、航空等领域得到了广泛而成功的应用,在土木工程中的应用还很不充分。显然,对钢筋混凝土结构的研究仅仅停留在传统强度理论阶段还不够,必须引入新的理论和方法。钢筋混凝土结构的抗裂性、耐久性和跨越能力差,为解决这一问题,预应力结构应运而生,得到了广泛的应用,目前,在较大跨经的结构中运用预
14、应力几乎仍是唯一的选择。有没有增强结构抗裂、耐久性能和跨越能力的其他选择呢,答案是肯定的。本文将从断裂力学角度,研究钢筋混凝土结构中裂纹的发生发展与结构破坏的联系,揭示钢筋混凝土结构破坏与裂纹发展之间的因果关系,并提出基于断裂力学原理的结构设计新思想,研究一种具有优良抗裂性能和超常承载力的复合钢筋混凝土新结构。本文的研究将丰富和充实现有钢筋混凝土结构设计理论,为结构向大跨、轻型发展提供新的方法。1.1钢筋混凝土结构的破坏过程和裂纹发展的关系 钢筋混凝土结构的破坏过程和裂纹的发展有着极其密切的关系。下面用钢筋混凝土结构的适筋梁为例来对钢筋混凝土结构的破坏进行简要的分析。1.1.1钢筋混凝土结构的
15、破坏过程钢筋混凝土结构的适筋梁在一次荷载作用下的破坏过程根据其荷载位移曲线大致可分为以下几个阶段:第一阶段,梁没有宏观裂纹;第二阶段,梁体出现宏观裂纹,梁带裂纹工作;第三阶段,裂纹急剧开展,纵向受力钢筋的应力维持在屈服强度不变1-8(如图1.123)。图1.1:混凝土结构的荷载位移曲线和破坏过程实践表明:在不大的荷载作用下,结构受拉区开裂,裂纹出现后,钢筋混凝土结构仍能承受较大的荷载。一般情况下,钢筋混凝土结构都是带裂纹工作 1-7、9。裂纹出现后,特别是宏观的裂纹出现后,结构的受力情况将产生很大的变化,这主要的表现在以下几个方面:1)钢筋受力和所处状态的变化1-7裂纹出现后,裂纹截面处的混凝
16、土不再承受拉应力,在裂纹处截面内力矩的拉力完全由钢筋承受。而在没有裂纹的地方,拉力则由钢筋和混凝土共同承受,这样在裂纹处钢筋应力有一个较大变化突然变大,钢筋的应变也随之增大。由于裂纹处混凝土不再参与受拉,混凝土的应变为零,结构中裂纹处钢筋和混凝土将不再协调变形,这就预示着钢筋和混凝土的粘结在裂纹附近遭到破坏8。粘结破坏的结果:一方面使裂纹处的混凝土由原来的一个整体变为破碎的联系不强的部分;另一方面,使钢筋在局部范围拉长很多,钢筋应力的增长较大。事实上,钢筋混凝土结构破坏时钢筋往往是在混凝土开裂处这些局部位置屈服,其他位置的钢筋并未充分地发挥强度。在钢筋混凝土结构中存在着一个悖论:钢筋混凝土结构
17、承载能力的发挥需要梁体内的钢筋受力较大,但是要达到这一点,裂纹必须首先出现,也即混凝土必须开裂。否则,钢筋的应力过小,不能起到应有的抵抗外荷载的作用。但是,裂纹出现又导致钢筋局部应力突然变大,处于不利的受力状态;导致钢筋与混凝土粘结破坏等等不利因素。另外,由于裂纹出现后,裂纹附近混凝土的破碎,裂纹处的钢筋将暴露于外界自然环境之中,直接受到外界水分和介质的影响,增加了钢筋腐蚀的可能,对于钢筋的耐久性是十分不利的1-7。2)受拉区混凝土作用的变化17钢筋混凝土结构出现裂纹后,裂纹处的混凝土不再承受拉应力,并且在裂纹处混凝土对钢筋的保护作用也随着裂纹宽度的增加而逐渐降低。虽然在无裂纹处钢筋和混凝土仍
18、然协调变形,但结构的承载能力主要取决于裂纹处钢筋的抗拉性能。实际上此时受拉区的混凝土仅起保证钢筋位置、维系结构整体性的作用。裂纹发展,暴露了受拉区的混凝土的副作用增加了结构自重,相应地减小了结构的相对承载能力。所以现在的结构中,一般都尽量减少受拉区的面积,以减轻自重。3)结构刚度的变化1-7裂纹出现后,在裂纹处,由于混凝土退出受拉工作,截面的中性轴上移,在该截面处截面的抗弯惯性矩大大降低。随着裂纹的发展和其他裂纹的出现,在结构的很多截面上,都会出现中性轴上移的情况(如图1.2a)。图1.2 裂纹扩展后结构刚度的变化23由于结构的变形很大程度上取决于薄弱截面,因此当裂纹出现后,结构的总体刚度将迅
19、速下降(如图1.2b),并随着裂纹的发展而继续下降。4)抗剪能力降低钢筋混凝土结构的抗剪能力很大程度上取决于结构中混凝土的整体性,当钢筋混凝土结构裂纹发展后,混凝土被裂纹分割成许多支离破碎的独立部分,结构中混凝土的整体性明显下降,对于结构截面而言,参与抗剪的混凝土的净面积减小,因此,结构的抗剪能力将随之下降。5)结构的使用性能下降刚度的降低使结构在荷载作用下挠度变大,增大了动荷载的冲击作用;抗剪能力降低使结构的安全系数降低;大量裂纹的出现和挠度的变大使行车和行人产生不安全感;另外,梁体的变形又影响梁体以上部分(如桥面、屋面铺装)的工作状态,产生新的病害。总之一旦结构中出现裂纹,结构的使用性能将
20、大大降低,并随着裂纹的发展进一步地恶化1-7。从以上可以看出,当裂纹、特别是宏观裂纹出现后,钢筋混凝土结构从钢筋和混凝土共同工作的整体变成了一个十分复杂的结构混凝土被裂纹分割成许多受力不同的区域,通过钢筋的连接而共同工作。随着裂纹的进一步发展,结构的受力也随着变得更加复杂。但总的,裂纹的出现导致结构的性能劣化,并且结构的性能随着裂纹的发展而不断劣化。1.1.2结构破坏过程和裂纹发展的关系从以上的破坏过程可以看出:钢筋混凝土结构的破坏与混凝土中裂纹的发展存在着因果关系。当裂纹、特别是宏观裂纹出现后,钢筋混凝土结构从钢筋和混凝土共同工作的整体变成了一个由非整体混凝土借钢筋维系、应力状况十分复杂的结
21、构。裂纹的出现导致结构性能的劣化,裂纹的发展导致结构逐渐地破坏。混凝土中裂纹的每一次扩展,均对应于结构性能的一次劣化,因此如果能够使结构晚一级荷载开裂,结构的性能就会改善一级,晚开裂的程度越大,结构性能的改善就越显著,预应力混凝土应用的正是这一原理。但无论是普通钢筋混凝土结构还是预应力混凝土结构,混凝土一旦开裂,钢筋对混凝土中裂纹发展的阻止作用就不能充分发挥。因此如果在混凝土结构开裂荷载提高的同时,在开裂后还能极大地阻止已有裂纹的进一步扩展,那么这样的结构不仅抗裂性能优良,而且承载力将大幅度提高(在不提高混凝土和钢筋强度等级的情况下,预应力混凝土技术并不提高结构的极限承载力),有更好的工作特性
22、。理论和实验证明基于断裂力学原理可以得到这样的新结构。旧结构中的粘钢和粘碳纤维技术,为抗裂新结构提供了思路,但是,在经济上,粘钢和粘碳纤维技术的应用成本高昂,在技术上,它们在改善一些断裂特性的同时,破坏了粘结层与混凝土的界面断裂特性,使得粘钢和粘碳纤维结构要么界面破坏,要么混凝土在与粘结层的接头处开裂,并不能充分发挥粘结钢板或碳纤维的强度优势;同时,这种结构往往延性差,脆性破坏特征明显。因此,为了得到一种优良的抗裂新结构,必须从延缓开裂、阻止裂纹扩展、避免界面开裂、提高结构延性同时考虑。1.2断裂力学及其基本原理怎样改进和发展钢筋混凝土结构,长期以来一直是钢筋混凝土结构研究的一个重要课题。为了
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- 硕士学位 论文 一种 基于 断裂力学 原理 复合 钢筋混凝土 结构 研究
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