【摘 要】
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轻骨料混凝土(Lightweight Aggregate Concrete,LWAC)深受弯构件受力复杂,脆性特征突出,腹板洞口的存在导致其受剪问题愈发复杂,剪切破坏受力机理仍需进一步研究,因此,系统开展其受剪性能研究,揭示剪切破坏机理,宏观上量化不同影响因素对构件抗剪行为的影响,对于推动LWAC深受弯构件的抗剪设计创新意义重大。完成了以腹筋配筋率为主要变量的8根LWAC、2根钢筋混凝土深受弯构件
【基金项目】
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国家自然科学基金资助项目(51578072); 国家自然科学基金资助项目:“多尺度下混凝土纤维轻骨料混凝土增韧机理及梁受剪性能研究”(51878054);
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轻骨料混凝土(Lightweight Aggregate Concrete,LWAC)深受弯构件受力复杂,脆性特征突出,腹板洞口的存在导致其受剪问题愈发复杂,剪切破坏受力机理仍需进一步研究,因此,系统开展其受剪性能研究,揭示剪切破坏机理,宏观上量化不同影响因素对构件抗剪行为的影响,对于推动LWAC深受弯构件的抗剪设计创新意义重大。完成了以腹筋配筋率为主要变量的8根LWAC、2根钢筋混凝土深受弯构件和以洞口参数为变量的9根开洞LWAC深受弯构件的受剪性能试验,揭示了洞口剪力传递机制,建立了构件抗剪承载力模型,提出了剪跨宏观单元模型,完善了相关设计方法。本文主要研究工作包括:1.腹筋对LWAC深受弯构件受剪性能及尺寸效应影响的试验研究。完成了8根轻骨料混凝土及2根钢筋混凝土深受弯构件受剪试验,以腹筋配筋率和截面高度为主要变量,重点明确了腹筋对深受弯构件抗剪承载力及尺寸效应影响的作用机理。结果表明:试件破坏模式以剪压破坏为主,破坏形态受截面高度影响较小,腹筋可对混凝土剥落形成有效约束;随腹筋配筋率增大,试件名义开裂/极限强度呈增大趋势,而最大斜裂缝宽度随之降低;腹筋可在抵抗斜截面内部分拉应力的同时对压杆形成有效侧向约束,削弱但不能消除尺寸效应影响。2.洞口对LWAC深受弯构件受剪性能影响的试验研究。完成了9根剪跨区开设矩形洞口的LWAC深受弯构件受剪试验,分析了洞口尺寸、位置、加强筋以及洞口数量和剪跨比等参数对试件破坏过程与形态、荷载-跨中位移曲线、特征荷载、钢筋应变分布和裂缝发展等受剪性能的影响。结果表明:开洞LWAC深受弯构件的破坏模式以洞口上下弦杆剪切破坏为主,裂缝总体呈现由加载点绕过洞口向支座延伸的趋势。洞口与原始荷载路径相交程度是影响试件刚度及受剪承载力的控制性因素,洞口偏移使得受剪承载力增加12%~40.8%,斜向加强筋能显著抑制角部裂缝的发展。3.基于拉压杆理论的深受弯构件受剪性能及抗剪承载力模型分析。为合理量化腹筋在传力机制中的贡献,结合对典型压杆有效系数模型的分析与评价,提出一种以竖向腹筋作为竖向拉杆的修正拉-压杆模型(Modified Strut-and-Tie Model,MSTM),基于受剪试验数据库的评价结果表明,MSTM可合理量化深受弯构件中腹筋的贡献,且能较准确地预测受剪承载力随各主要参数的变化趋势。对于开洞深受弯构件,提出一种能合理反映开洞深受弯构件传力路径的STM构造方法,预测结果与试验值吻合较好。4.基于运动学理论的深受弯构件受剪性能及抗剪承载力模型。采用两参数运动学理论(Two-Parameter Kinematic Theory,2PKT)对LWAC深受弯构件受剪承载力进行参数分析,2PKT能较为准确地考虑竖向腹筋对承载力的贡献,但对水平腹筋影响不做考虑。对于开洞深受弯构件,为合理量化剪力在不同传力路径间的传递,提出以剪切刚度比为基础的剪力分配原则,针对开洞深受弯构件弦杆剪切破坏模式,构建开洞深受弯构件剪切破坏运动机构,建立考虑轴向力的剪力需求方程,引入并修正了深受弯构件2PKT,基于开洞深受弯构件受剪试验数据库的评价结果表明,建议模型可准确预测开洞深受弯构件破坏模式,预测值与试验值吻合较好,能较好反映洞口尺寸及洞口位置对抗剪承载力的影响。5.深受弯构件宏观单元模型及剪力-变形响应分析。以剪跨区为分析单元,分别基于STM和运动学理论建立深受弯构件宏观单元模型,并将其用于试件剪力-变形响应分析。基于STM的宏观单元模型将试件竖向变形简化为加载点与支座间斜压杆压缩引起的竖向变形和受拉纵筋拉伸引起的竖向变形,结合斜向开裂建立模型和受剪承载力模型,分析结果表明,预测简化剪力-位移曲线与试验曲线接近。基于运动学模型的宏观单元模型提出分别以剪切弹簧和转动弹簧模拟深受弯构件剪切变形和转动变形,分别建立剪切弹簧的剪力-剪切变形以及转动弹簧的弯矩-转角本构关系模型,分析结果表明,预测剪力-位移曲线与试验曲线吻合良好,能较好地反映试件斜向开裂后的非线性响应。6.基于拉压杆模型的开洞及不开洞深受弯构件受剪设计方法。考虑竖向腹筋抗剪贡献的深受弯构件STM受剪计算方法。我国规范设计方法的评价结果指出,其未考虑尺寸效应及纵筋配筋率的影响,但高估了水平腹筋的抗剪贡献。为将MSTM推广至设计方法中,对其进行了合理简化以避免迭代过程,进而提出可直接用于工程设计的简化实用MSTM模型,并以此为基础建立深受弯构件受剪设计方法。通过本文研究,揭示了洞口剪力传递机制,宏观上量化了腹筋和洞口对构件抗剪行为的影响,建立了抗剪承载力模型和剪跨宏观单元模型,完善了基于拉压杆模型的设计方法,为轻骨料混凝土构件的推广应用和抗剪设计创新提供了理论参考。
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