钢筋钢纤维混凝土管片阻裂性能及裂缝宽度计算方法研究

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裂缝产生于盾构隧道管片施工运营的各个阶段,或由于加载因素、或由于材料脆性。裂缝不仅影响结构的整体安全,还容易诱发地下水渗漏等产生的耐久性问题。通过掺加钢纤维可以抑制裂缝的发展,但是目前关于负荷状态下钢纤维混凝土管片的阻裂性能研究较少。因此,本文采用文献调研、基本力学试验、小尺寸模型试验、足尺模型试验等多种方法对钢筋钢纤维混凝土阻裂性能及裂缝宽度计算方法进行研究,主要研究工作和结论如下:(1)钢纤维混凝土力学性能试验结果表明:钢纤维的掺入对于混凝土抗压性能以及弯拉强度没有明显的影响。但是对于劈裂抗拉强度以及残余弯拉强度则具有较好的提升作用,劈裂抗拉强度随着钢纤维掺量的增加提升幅度增加,最大提升幅度为95.3%。(2)对钢筋钢纤维混凝土三分梁、偏压柱等小尺寸模型进行试验研究。分析发现:钢纤维并未对钢筋混凝土裂缝宽度持续增大的趋势产生影响,阻裂系数随着裂缝宽度的发展会逐渐趋近于一个稳定值;掺量为30kg/m3、35kg/m3的三分梁阻裂系数分别为0.749、0.885,掺量为30kg/m3、35kg/m3的偏压柱阻裂系数分别为0.682和0.747。(3)针对钢筋钢纤维混凝土足尺模型(管片、压弯直梁以及对称倾角梁)的裂缝宽度、裂缝间距进行研究分析发现:钢纤维的掺入以及配筋率的提升能够有效减小裂缝宽度且随着掺量的增加,阻裂性能会更好;型号及掺量为4D-30kg/m3、4D-25kg/m3、5D-25kg/m3的阻裂系数分别为0.7、0.88、0.5。对于裂缝间距,钢筋钢纤维混凝土裂缝明显比钢筋混凝土密集,裂缝间距相对较小且试验掺量及型号对平均裂缝间距没有特别明显影响,平均裂缝间距为钢筋混凝土的0.5~0.6倍,最大裂缝间距为钢筋混凝土的0.6~0.7倍。(4)提出了钢筋钢纤维混凝土裂缝宽度计算模型,通过考虑受拉区混凝土的抗拉以及受压区混凝土作用,进一步优化钢筋应力计算方法,最终参照相关规范标准得到平均应变差计算公式;结合试验结果对多种规范的最大裂缝间距计算值进行分析比较,分析得到试验中钢筋钢纤维混凝土梁最大裂缝间距与最小裂缝间距的比值为2.2~2.8,与平均裂缝间距的比值为1.5左右,得到最大裂缝间距计算的经验系数K1与K2分别为1.5*1.9、2.8/4。(5)结合足尺模型试验对计算模型进行安全性分析,改进计算模型最大裂缝间距计算比值为1.107,最终裂缝宽度计算结果绝大部分大于试验值,对称倾角梁安全系数在2~3之间、管片安全系数则在1~2之间、压弯直梁安全系数维持在1左右;除此外,基于设计工况的检算结果均满足设计要求,且在发现掺入钢纤维4D-30kg/m3时,部分设计工况(例如工况一、三、五)的计算值要小于原设计钢筋混凝土裂缝宽度计算值,进一步证实了钢纤维混凝土的可行性。
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