超弹性SMA筋增强海水海砂混凝土梁受剪性能研究

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当前社会发展迅速,基础建设会使用大量的混凝土,必然会消耗大量的淡水和河砂资源,从而导致生态环境被破坏。为缓解对环境的破坏和资源的消耗,使用海水海砂来配制混凝土成为新型建筑材料与结构领域的研究热点之一。但海水海砂中的氯离子含量较高,会对钢筋带来腐蚀问题,严重影响工程结构的使用寿命。形状记忆合金(Shape Memory Alloy,简称SMA)属于一种新兴材料,具有超弹性和形状记忆效应以及良好的耐腐蚀性能,用于海水海砂混凝土结构中不仅可以避免腐蚀性问题,同时实现构件或结构的自修复自复位功能。基于此,本文对采用SMA箍筋的海水海砂混凝土梁的受剪性能进行了试验和理论研究,主要包括:(1)对海水海砂混凝土试件进行单轴抗压试验,对SMA棒材进行拉伸试验,分析应变幅值和循环次数对SMA棒材力学性能的影响,为后续的试验研究奠定基础。本试验采用四分点加载,以位移控制进行单向循环加载,研究不同箍筋种类、不同纵筋种类、剪跨比和箍筋间距对SMA海水海砂混凝土梁受剪性能的影响。(2)对5根海水海砂混凝土梁的试验数据进行对比分析,通过对试验过程中裂缝宽度、采集板记录的位移等试验信息,绘制了荷载-位移曲线、骨架曲线、自复位能力曲线、刚度退化曲线等,在试验过程中还使用了 DIC设备,来进行辅助观测,研究SMA海水海砂混凝土梁的受剪性能。(3)通过ABAQUS软件建立了 SMA海水海砂混凝土梁有限元模型,进行了数值模拟分析。通过数值模拟结果得出应力-应变云图、荷载-位移曲线,最大承载力等结果,并与试验结果进行对比,表明数值模拟结果可以和试验结果吻合较好,验证了模型的正确性。(4)基于目前已有的混凝土受弯构件受剪模型和各个国家的设计规范,分别以桁架-拱模型和极限平衡理论模型为基础,推导了超弹性SMA筋海水海砂混凝土梁的极限受剪承载力计算公式,并和试验值进行对比,验证了所提公式的适用性。试验结果发现,使用SMA箍筋替代普通钢箍筋,试件受剪承载力提高19.4%,延性提高65.8%,裂缝宽度相对较宽,但卸载后裂缝基本闭合,具有一定的修复效果;纵筋使用SMA材料,延性进一步增加11.4%,在承载力下降阶段,承载力下降速率缓慢;增大试件的剪跨比,SMA箍筋依然可以增加试件的延性,提高20%。因此,SMA可以增强海水海砂混凝土梁的受剪性能,增加了延性,减轻了梁受剪脆性破坏的倾向。
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