纤维布补强地铁隧道结构的数值分析

隧道衬砌结构病害是铁路及地铁隧道的常见现象,对衬砌病害进行及时的补强工作是保证隧道结构长期安全使用的关键。以北京某地铁线路的衬砌结构病害为研究对象,介绍采用纤维布材料补强隧道衬砌结构的原始尺寸模型承载力破坏试验的设计工作。采用数值仿真方法,从钢筋受力、衬砌损伤两个方面综合讨论纤维布的补强加固效果,并确定了试验梁纤维布材料的补强形式。研究表明:试验梁下部粘帖3层3m长纤维布的补强效果最佳。补强加固后,格栅中拱顶处最大受力筋的应力减小3%;试验梁中超过300MPa的钢筋个数在各级加载应力下减少50%以上;分析混凝土中损伤因子超过0.7的单元数,初衬的损伤混凝土个数减小65%以上,二衬的损伤混凝土个数在100kN荷载作用下减小33%、在150kN荷载作用下增加11%;在高应力状态下二衬混凝土的损伤更加分散,有利于结构整体受力。试验梁内侧粘帖纤维布增加了试验梁的抗拉能力。该研究思路可以为纤维布补强施工的设计工作提供参考。     

地下超高性能钢纤维混凝土隧道衬砌抗爆性能模拟研究

针对超高性能钢纤维混凝土(UHPSFRC)隧道衬砌的抗爆性能,运用有限元软件LS-DYNA建立了超高性能钢纤维混凝土隧道衬砌在内爆荷载作用下的三维有限元模型,比较了UHPSFRC隧道衬砌与普通混凝土隧道衬砌抗爆性能的异同,研究了爆源位置、隧道埋深、钢纤维掺量等参数对UHPSFRC隧道衬砌抗爆性能的影响。结果表明:与普通混凝土隧道衬砌相比,UHPSFRC隧道衬砌抗爆性能更为优异;偏心爆炸情况下隧道衬砌主要表现为局部破坏,并且局部破坏程度要明显大于中心爆炸情况;与深埋工况相比,浅埋隧道衬砌在爆炸荷载作用下的损伤破坏更为严重;在一定范围内钢纤维掺量越大,隧道衬砌抗爆性能越好。     

预应力超高性能钢纤维混凝土梁受弯性能试验研究

为了研究后张法预应力超高性能钢纤维混凝土梁的受弯性能,对6根梁试件进行了3分点对称加载试验研究。试件变化参数包括非预应力纵筋强度等级、配筋率、张拉控制应力及预应力度,获得了试件的开裂弯矩、极限弯矩、破坏形态以及裂缝开展情况。试验结果表明：HRB500级钢筋与UHPSFC适配良好,可以充分发挥二者的高强性能;张拉控制应力及预应力度增加,开裂弯矩增大;高性能钢纤维混凝土梁弯曲裂缝细而密,正常使用极限状态下最大裂缝宽度不大于0.15mm。通过引入抗裂影响系数对受拉区塑性影响系数进行修正后,开裂弯矩计算值与试验值吻合较好。根据简化的高性能钢纤维混凝土本构模型建立了高性能钢纤维混凝土梁的受弯承载力计算公式,其计算值与试验值吻合良好,可为高性能钢纤维混凝土梁理论分析和设计提供参考。     

隧道与斜井交叉段用钢纤维砼支护受力研究

空间交叉结构受力复杂性及其支护结构适应性是近年来长大公路隧道亟待解决的关键技术问题。采用喷射钢纤维混土做永久衬砌以替代复合式衬砌,可满足交叉结构承受弯曲应力作用下强度要求,同时从根本上解决了支护结构的施工性问题。从钢纤维混凝土(SFRC)抗拉韧性性能研究入手,通过四点弯曲试验,获得了钢纤维混凝土的裂缝宽度w与裂缝高度关系以及钢纤维混凝土开裂后拉应力随裂缝宽度增加而降低的拉伸软化曲线。在有限元计算中,引入应变软化模量以及剪切滞后因子两个特征参数,对云山隧道与斜井(3#)钢纤维混凝土交叉支护结构进行三维有限元数值模拟,探明了钢纤维混凝土支护隧道交叉连接段局部范围内位移变形、裂缝分布、接触应力等演化的施工力学行为,研究结果可为采用钢纤维混凝土做永久结构设计、施工以及合理支护参数选择提供有益参考。     

钢纤维混凝土配筋梁落锤冲击试验研究

采用落锤冲击试验装置,进行了不同纤维含量的钢纤维混凝土配筋梁试件的抗冲击性能试验研究。获得了落锤冲击力、跨中位移及钢筋应变等试验结果,并记录了冲击荷载作用后试件裂缝的分布情况。根据试验结果对钢纤维混凝土配筋梁的动力响应特性、动态损伤过程以及内部能量耗散特点进行了分析和讨论。试验结果表明,钢纤维能够增强试件整体的韧性,增大冲击荷载作用时试件参与耗能区域的面积,从而提高试的件抗冲击承载能力;钢纤维含量越多,试件将在荷载作用全过程的受压阶段将消耗更多的能量,而在受拉阶段消耗的能量将减少。     

钢纤维喷射混凝土衬砌结构模型试验及数值模拟研究

为了研究喷射钢纤维混凝土的力学性能,设计并完成三组喷射混凝土衬砌加载模型试验。研究表明,喷射钢纤维混凝土具有良好的抗裂性和韧性,在裂缝出现时,仍能承受荷载;在混凝土中适当增加钢纤维的掺量,会显著提高混凝土的断裂性能。利用ANSYS有限元软件模拟喷射钢纤维混凝土衬砌试件在某组试验破坏荷载作用下的受力情况显示:当直墙部位荷载较大和拱部应力集中时,对整个衬砌结构很不利。     

钢纤维混凝土替代构造配筋混凝土梁受弯性能试验研究

为提高以裂缝为主要控制目标的大面积构造配筋混凝土受弯结构的抗裂性能,探讨钢纤维混凝土在此类结构中的应用,进行了16根三分点正向对称集中荷载作用下无筋足尺钢纤维混凝土梁替代构造配筋混凝土梁的弯曲抗裂性能试验,分析了钢纤维体积率、钢种和布筋位置等对试件受弯性能的影响。研究结果表明,钢纤维体积率0.5%的钢纤维混凝土梁的抗裂性能、限裂性能和承载力均优于截面中部配筋混凝土梁;钢纤维体积率(1.0～1.5)%的钢纤维混凝土梁的抗裂性能和限裂性能均明显优于截面双筋混凝土梁;钢纤维体积率(1.5～2.0)%的钢纤维混凝土梁除抗裂性能和限裂性能外,其承载力也优于截面双筋混凝土梁。因此,对于大型水利和土木工程中以抗裂或限裂为主要控制条件的受弯构件,可用钢纤维混凝土替代构造配筋混凝土。     

碳纤维补强公路隧道设计计算方法的研究

针对碳纤维补强公路隧道衬砌,按荷载结构法,以碳纤维补强钢筋混凝土偏压构件的理论为基础,提出了裂缝发展分析方法,初步形成了一套适用于碳纤维补强公路隧道衬砌结构的设计计算方法。可为碳纤维加固修补公路隧道衬砌结构提供设计依据。     

基于修正压力场理论的钢纤维自密实混凝土梁受剪性能研究

为研究不同钢纤维掺量和配箍率对自密实钢筋混凝土梁受剪性能的影响,制作16个钢纤维自密实混凝土梁试件,对其进行了四点弯曲试验。根据试验得到荷载-位移曲线和破坏形态,对试件受剪承载力及纤维混凝土构件在剪切变形过程中能量吸收能力、峰值后继续承受荷载的能力、等效受剪强度进行了分析。结果表明：钢纤维的加入可以明显提高混凝土梁的受剪承载力与等效受剪强度。基于修正压力场理论提出了钢纤维混凝土梁的受剪承载力计算式,采用该式对试件的受剪承载力进行预测,并与Rilem TC 162-TDF以及 CECS 38:2004建议的纤维混凝土受剪承载力公式进行了对比。计算结果表明,该式计算的受剪承载力与试验结果比值的变异性较小,能较准确地预测纤维混凝土梁的受剪承载力,可用于纤维混凝土梁的受剪分析与设计。     

部分预制装配型钢混凝土梁受力性能试验研究

结合国内外现有研究成果,提出部分预制装配型钢混凝土梁。结合2个系列7个梁试件的受弯性能静力试验及3个系列17个梁试件的受剪性能静力试验,对部分预制装配型钢混凝土（PPSRC）梁、空心部分预制装配型钢混凝土（HPSRC）梁的受弯性能以及处于正、负弯矩区段的部分预制装配型钢混凝土（PPSRC）梁和采用蜂窝型钢的部分预制装配型钢混凝土（PPCSRC）梁的受剪性能进行试验研究。结合与全现浇型钢混凝土（SRC）梁试件的比较分析,对制作方式、截面形式和现浇混凝土强度对PPSRC梁、HPSRC梁以及PPCSRC梁受力性能影响进行了分析。结果表明,文中提出的预制外壳能够很好地与现浇混凝土协同工作,浇筑方式及现浇混凝土强度对试件的承载力影响较小。基于试验结果提出适用于PPSRC梁及PPCSRC梁的实用抗剪公式,其计算结果与试验结果吻合较好。     

混杂纤维自密实混凝土梁受弯性能的试验研究

在纤维自密实混凝土工作性试验的基础上,对7组无筋混杂纤维自密实混凝土梁和5组混杂纤维增强低配筋率的钢筋自密实混凝土梁受弯性能进行试验研究,并分析纤维类型和纤维长径比对梁的开裂荷载、屈服荷载、极限荷载以及弯曲韧性的影响。结果表明:梁的弯曲韧性随着纤维长径比的增加而增加,混杂纤维混凝土梁的弯曲韧性优于钢纤维,两种纤维协同作用时具有很好的正混杂效应;与最小配筋率的钢筋混凝土梁相比,纤维的掺入明显地改善了梁的屈服荷载和极限荷载,掺有(40+4)kg/m3混杂纤维并按最小配筋率配筋的梁的极限荷载与仅按1.5倍最小配筋率配筋的梁相当。     

隧道钢纤维喷射混凝土性能试验及其工程应用

 根据钢纤维喷射混凝土结构力学原理,为了研究钢纤维混凝土喷层在隧道单层永久衬砌支护中适用性,先分析钢纤维在混凝土中的增强力学作用机制,然后完成钢纤维喷射混凝土合理配比、抗拉、抗压、抗折及抗折初裂强度和弯曲性能等指标的室内试验;并结合具体的隧道现场喷射试验,以及围岩应力、钢纤维混凝土喷层应力及洞周附加水平收敛等监测数据进行分析。研究结果表明,钢纤维喷混凝土抗拉、抗折强度高,韧性好,喷层中的应力分布较均匀,具有较好的让压能力,喷射作业回弹损失量减少,说明钢纤维喷射混凝土是一种理想的单层衬砌支护材料,具有较好的推广应用价值。     

钢纤维高强混凝土四桩承台受弯性能及承载力计算方法研究

为研究钢纤维高强混凝土四桩承台的受力性能,基于17个钢纤维高强混凝土承台试件的受弯试验,分析了不同钢纤维体积率、承台有效厚度、钢筋配筋率、混凝土强度承台的裂缝开展和破坏形态、荷载 挠度曲线、钢筋和混凝土应变特征以及承台破坏机理。结果表明：底部配筋率为0.16%~0.52%的钢纤维高强混凝土四桩承台呈现受弯破坏形态,弯曲拉应力由钢筋和钢纤维混凝土共同承担;随着承台有效厚度和钢纤维体积率的增加,承台受弯承载力显著提高。依据研究结果提出了钢纤维高强混凝土四桩承台受弯破坏计算模型,建立了钢纤维高强混凝土四桩承台受弯承载力计算式,为完善CECS 38：2004《纤维混凝土结构技术规程》提供参考。     

钢纤维自密实混凝土性能试验研究

为了充分发挥钢纤维混凝土高强高韧性和自密实混凝土优良的施工性能,对原材料进行优化选择,并合理设计配合比,成功配制出高性能钢纤维自密实混凝土。主要进行了钢纤维自密实混凝土力学性能试验研究和工艺性能试验研究。研究结果表明：钢纤维自密实混凝土力学性能优良,钢纤维分散均匀性良好,适用于配筋密集、作业空间小以及其他复杂工程结构中。     

C60钢纤维自密实混凝土的配合比设计和应用

按照自密实混凝土的等级要求,采用聚羧酸系外加剂对C60自密实混凝土进行配合比设计,采取同时掺加机制砂和天然砂的措施保证了钢纤维自密实混凝土拌合物的自密实性能和泵送性能,而且也得到了满足型钢柱施工要求的力学变形性能.     

钢纤维水泥砂浆钢筋网加固RC梁受力性能研究

对钢纤维水泥砂浆加固的抗弯足尺混凝土梁一、二次受力进行了试验研究。试验包括1根对比梁和6根用钢纤维水泥砂浆钢筋网加固的试验梁。试验梁采用三面U形加固形式,量测试验梁裂缝分布形态、荷载-挠度曲线、钢筋和混凝土及加固砂浆应变发展规律等。通过改变加固梁的加固配筋率和受力形态,研究了这种加固方法对RC梁的承载力、破坏形态、截面刚度及裂缝分布等的影响。试验结果表明,钢纤维水泥砂浆加固是一种有效的加固方法,能够显著提高钢筋混凝土梁的抗弯承载力、截面刚度以及抗裂性能。     

基于STM理论钢纤维混凝土深受弯构件裂缝宽度试验研究

通过7根钢纤维混凝土深受弯构件的弯曲性能试验,分析了钢纤维掺量及配筋率对深受弯构件跨中截面混凝土应变、纵筋应变、破坏形态及裂缝宽度的影响。基于STM理论量化钢纤维、钢筋以及混凝土三者在受力过程中的组合作用,提出了适用于钢纤维混凝土深梁最大裂缝宽度的理论计算式,并与实测结果进行比对分析。研究结果表明:较普通深受弯构件而言,钢纤维混凝土深受弯梁的开裂荷载增幅11%~20%,极限荷载提高10%~16%,提高配筋率,开裂荷载提高约22%,极限荷载提高20%~31%;提高配筋率或钢纤维掺量,均可使试件破坏模式由正截面破坏向斜截面破坏转变;钢纤维掺加50、78 kg/m^3后,裂缝宽度可减少13%~29%;试件配筋率提高0.142%,裂缝宽度减少33%;推导出的理论计算式计算得到的最大裂缝宽度与实测值吻合。     

钢筋超高性能纤维混凝土梁抗弯性能研究

通过8根采用自密实和常温标准养护制成的试验梁的静力加载试验,研究不同配筋率受弯构件的抗弯性能。试验结果表明:与相同基体强度和配筋率的钢筋混凝土梁相比,加入钢纤维后梁的极限承载力提高约13%,位移延性系数提高158%;加入钢纤维后梁的初裂荷载、裂缝宽度为0.1 mm时的荷载值占极限荷载的比例较对比梁大幅度提高,但裂缝宽度为0.2 mm时的荷载值与对比梁差别不大;随着钢筋配筋率的提高,试验梁极限承载力会相应的提高,相对于配筋率为0.86%的梁,配筋率分别为1.52%、2.38%时,梁的抗弯承载力分别提高72%、113%;参照CECS 38∶2004《纤维混凝土结构设计规程》,提出了钢筋超高性能纤维混凝土受弯构件正截面抗弯承载力计算方法,计算结果与试验结果吻合较好。     

仿钢丝聚丙烯长纤维对钢纤维混凝土力学性能影响

按照国际标准对新型仿钢丝聚丙烯合成长纤维增强高性能混凝土的工作度、含气量、强度及弯曲韧性进行了试验研究。其中对该纤维混凝土的弯曲韧性按照国际材料与结构联合会(RILEM)标准进行了研究,同时还对比了钢纤维混凝土及新型聚丙烯长纤维与钢纤维混杂时纤维混凝土的韧性,得出了不同纤维混凝土的能量吸收值和等效抗弯强度,探讨了新型聚丙烯长纤维部分取代钢纤维的可能性。试验表明,该纤维具有很好的增韧效果,可以部分取代钢纤维来达到增韧增强和降低成本的目的。     

Research on non-linear structural behaviors of prestressed concrete beams made of high strength and steel fiber reinforced concretes

The flexural behaviors of fully and partially prestressed concrete beams made of high strength and steel fiber reinforced concretes are studied by experiment and non-linear finite element method. Three levels of partial prestress ratio (PPR) are considered, and for each PPR, a pair of two-span continuous beams with box-section are designed. In each pair of the test beams, one is constructed by the high strength concrete completely, and for the other one the steel fiber reinforced concrete is used in the negative moment zone (the mid-support zone). Such structural behaviors as the deflection of beam, the formation and the development of crack, the strain of concrete and reinforcement bar, and the moment redistribution are investigated. A non-linear finite element analysis program is developed and applied. The constitutive behavior of concrete is modeled by the microplane theory. A four-nodal six-DOF (degree of freedom) degenerated shell element is adopted to simulate the structural behaviors of the box-section beam. To obtain the ultimate limit state of the structure, the arc-length method is introduced in the non-linear solution. The analytical results agree well with test ones. The influences of the steel fiber reinforced concrete used in the negative moment zone on the structural behaviors are mainly concerned.