配置碳纤维格栅的大保护层钢筋混凝土梁的裂缝性能研究

摘要

目前大保护层水工钢筋混凝土结构或者构件面临着因裂缝宽度较大而引起耐久性降低的问题是工程界亟待解决的问题之一。混凝土保护层的作用之一是保护钢筋防止被有害介质侵蚀，故规范亦规定了在环境恶劣处增大最小混凝土保护层厚度以保证混凝土的耐久性。但是，混凝土保护层厚度又是影响裂缝性能的因素之一，裂缝宽度和裂缝间距均随混凝土保护层厚度的增大而增大，且裂缝宽度过大会加速钢筋的锈蚀，从而使结构耐久性降低，甚至降低结构承载力。因此，针对恶劣环境中的大保护层钢筋混凝土构件存在裂缝宽度较大的问题，本文提出一种有效的限裂方法，即在混凝土大保护层中配置轻质、高强、耐腐蚀的碳纤维格栅来限制裂缝扩展，降低裂缝宽度，改善其裂缝性能，并给出配置碳纤维格栅的大保护层钢筋混凝土梁的裂缝宽度计算方法，为以后工程应用提供理论指导。 首先，本文试验研究了配置碳纤维格栅的大保护层钢筋混凝土梁的裂缝性能。设计制作了12根大保护层钢筋混凝土梁，其中3根为未配置碳纤维格栅的钢筋混凝土对比梁、9根为配置了碳纤维格栅的试验梁，通过四点弯曲试验，研究不同保护层厚度（c=50mm、60mm、65mm、70mm）、不同碳纤维格栅层数（nf=1层、2层、3层）、不同碳纤维格栅网格大小（df×df=10mm×10mm、5mm×5mm）对大保护层钢筋混凝土梁裂缝性能和抗弯性能的影响，记录了试验梁的开裂荷载Pcr、裂缝数量稳定时对应的荷载P0、屈服荷载Py和极限荷载Pu，每级荷载作用下的裂缝宽度、裂缝间距、裂缝扩展情况，以及荷载-挠度曲线等。研究结果表明，配置碳纤维格栅的大保护层钢筋混凝土梁的受弯全过程根据试验现象可分为4个阶段，分别是未裂、开裂、屈服和破坏阶段；碳纤维格栅起到了良好的限裂效果，配置碳纤维格栅的试验梁的最大裂缝宽度、平均裂缝宽度和裂缝间距都明显减小，裂缝数量增多，开裂荷载和裂缝数量稳定时所对应的荷载提高，且随配置碳纤维格栅层数的增加或碳纤维格栅网格尺寸的减小，限裂效果更加显著；配置碳纤维格栅提高了梁的屈服荷载和刚度，且随配置碳纤维格栅层数增多、碳纤维格栅网格尺寸减小，屈服荷载和刚度提高；当纤维格栅层数较少时，梁的极限承载力反而略有降低，但是当纤维格栅层数提高时，梁的极限承载力会提高。 其次，基于现行《水工混凝土结构设计规范》DL/T5057-2009中的裂缝宽度计算理论和计算模型，分析了碳纤维格栅限制下大保护层钢筋混凝土梁裂缝扩展的机理，并推导出配置碳纤维格栅的大保护层钢筋混凝土梁的平均裂缝间距和最大裂缝宽度的计算公式，且理论值与试验值吻合较好。 最后，使用ANSYS有限元软件对配置碳纤维格栅的大保护层钢筋混凝土梁进行数值模拟分析。通过建立不考虑钢筋与混凝土、碳纤维格栅与混凝土之间粘结滑移的有限元模型，分析比较了荷载-挠度曲线、荷载-钢筋应变曲线、荷载-混凝土应变曲线的模拟值与试验值，模拟结果表明，数值模拟结果与试验结果较吻合，数值模拟能较真实地反映试验过程。然后分析了配置碳纤维格栅的大保护层钢筋混凝土梁的荷载-纤维应变曲线。

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