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薄壁混凝土梁,设有固定的柔性模板和一体化纺织剪力加固
薄壁纺织钢筋混凝土梁最近成为一种有希望的材料效率设计方法。然而,模板越来越复杂,这是在建筑业更广泛使用这些要素方面的一个重大挑战。本研究提出了一种新型的具有一体化纺织加固的现场柔性模组。使用Weft-针织纺织品,可将连续的高强度雕刻物作为剪切加固材料,并在织物内引入空间特征,以引导弯曲活性棒塑造复杂的截面几何。在一个由四根混凝土梁组成的试验运动中,对制造工艺和结构性能进行了研究,该试验是在三点弯曲试验中进行的。其中芳纶屑用于剪切钢筋和传统变形钢筋的弯曲钢筋。横向钢筋比是提高剪切强度的关键.因此,利用数字图像相关测量表面变形,可以直接评估应变,从而激活纺织强化的机械作用。由于脆性材料的行为,所有跨越控制裂纹的芳纶片的全部拉伸能力无法利用,一旦第一次粗纱达到其抗拉强度,就会导致逐步失效。利用兼容应力场预测试验梁的荷载变形和失效行为,结果表明,该模型获得的最终载荷和失效模式与观测结果和实验结果非常吻合。
1.导言
混凝土构件的几何优化一直是混凝土施工设计理念的一个基本组成部分,不仅体现在肋板或拱形壳等复杂的解决方案中,而且还体现在空心箱梁等广泛应用中。最近,可持续性需求导致建筑中使用的混凝土体积减少,已成为开发新复合材料和结构类型的关键驱动因素之一。因此,如最近文献中的研究所强调的那样(例如,最近的研究),采用纺织加固技术的T型或I型截面的薄壁混凝土梁已成为中小跨度混凝土结构设计范围的延伸。, 1 - 3 )。使用无腐蚀性材料进行加固可以将元素总厚度减少到几厘米,因为没有提供最小的混凝土覆盖层(通常在20-60毫米之间,取决于建筑规范和曝光)。纺织强化通常由高强度材料的细丝束("生丝")组成,如芳纶、碳和玻璃纤维,它们被安排在双向网格中。 4 通常用树脂包覆,甚至完全浸渍。,环氧树脂)以增强其抗侧向荷载能力 5 并改善个别细丝之间的纤维间摩擦,使粗纱截面上的应力分布更加均匀。 6 虽然纺织----混凝土复合材料是减少材料消耗的有效方法,但由于模板复杂程度较高而增加的成本和劳动力,对建筑部门的广泛应用提出了重大挑战。织物造型采用弹性膜作为混凝土模具,可以简化非标准几何形状的混凝土构件的结构。文献中的最新研究调查了各种结构元素,包括柱、梁、板材和贝壳(例如)。, 7 - 9 )。由于织物的抗弯刚度较低(与通常由硬木或钢板制成的传统模板相比),模板表现出由于湿混凝土的静水压力而引起的大变形, 10 使其在最终结构中更难达到高几何精度。苏黎世理工学院开发的合成混凝土技术 11 , 12 是一种固定的弹性模板系统,在建筑过程中通过在支架框架中对织物进行张紧后,使用薄薄一层的快速水泥膏或环氧树脂提供更高的刚度和强度。在纺织品中可以将有支承性的棒或电缆作为额外的支撑。尽管尼坎德拉馆强调了建筑规模施工程序的可行性, 13 用这种技术建造的结构的加固类型和位置尚未解决。以前的几项研究都集中在单轴张力下薄膜元件与细长板条弯曲时与一体化纺织强化结合的固定弹性模塑结构的力学性能上, 14 - 16 显示有益的后裂行为。作者修改了参考文献中的各种潜在强化策略.[ 17 ],结论是:(一)只有用纺织品加固才能确保结构完整性是一项挑战,但(二)将连续的高强度纤维材料整合到现场模板中,有可能在保持快速施工程序的优势的同时,进行高效的结构设计。在此基础上,作者研究了用管状纺织品在直线弯曲梁上的应用,这种线形弯曲梁采用的是集成高强度芳纶嵌入,绕矩形横截面的周长绕组,并充当剪切加固,而弯曲阻力则由传统的变形钢筋提供。 18本研究探索进一步优化的薄壁的I-轮廓横截面截面的截面,这是用WefT编织的纺织品是一体化在网和完全锚定,绕纵向钢筋绕组。研究了四横梁的结构行为和破坏模式。在数字图像相关(DIC)测量的基础上,对纺织强化的机械激活进行了评估.此外,利用基于兼容性的应力场进行了数值模拟,以预测被测梁的荷载变形行为和剪切强度。
2概念设计和制造原则
模板内钢筋的整合导致制造技术的各种要求.虽然易用性----关于纺织品的安装、钢筋的放置和混凝土铸造----是施工中的主要标准,但纺织品钢筋需要适当锚定,以确保在最终状态下其机械激活。本节研究使用这种组合模板和加固系统的结构设计,同时考虑织物制造的技术可行性和连续高强度纤维的机械特性,以实现有益的结构行为。
纤维材料通常用于纺织强化(例如:芳纶、碳或玻璃纤维)具有很多优点,如抗环境影响的坚固性(紫外线除外)、中至高刚度的高强度、脆性破坏行为。一旦第一灯丝达到抗拉强度,就会逐渐失效--挑战传统钢筋混凝土结构的既定设计原则,即依靠原材料和元件的内部力再分配和大变形能力来实现坚固的性能。典型纺织强化材料的延性不足及其对非轴向载荷的敏感性导致在确定其强度和标称值与在实验中观察到的阻力之间的差异方面出现大的散射。虽然正如文献中的几项研究所建议的,强度可以用还原系数来调整(例如:, 5 , 19 , 20 ),材料性能的散射度与在研究中所研究的安全格式有关。[ 21 , 22 ],当结构只依赖于不表现出韧性的材料时,突然崩溃的内在挑战就占了上风。在文献中对薄壁元素的传统纺织钢筋混凝土构件的大多数研究中,观察到其脆性行为, 1 , 2 , 20 , 23 其中,除了纺织钢筋断裂外,钢筋混凝土盖板的过早剥落和法兰的断裂也是导致钢筋混凝土失效的主要原因。
在先前的研究中, 18研究了连续芳纶颗粒在织物中集成的管状织物混凝土梁的制造及结构行为。大多数样品一旦达到峰值载荷,就会出现突然的剪切破坏.然而,由于横向纺织钢筋能够承受剪切力,直至弯曲钢筋断裂导致梁弯曲失效,因此在张力弦上使用变形钢筋提供了大的变形能力。在剪切中激活纺织钢筋,即假设在传统的钢筋混凝土梁中,马鞭的作用可以直接用DIC进行测量,DIC显示出混凝土上的纺织品有很大的剥离,强调了适当的"马鞭"机械锚固的重要性。"虽然管状纺织品允许多种可行的横断面类型,但一个主要的缺点是需要将样品直立铸造,因为纺织品的开口位于横梁的两端,由于湿混凝土施加的模板压力,这限制了可行的跨度。防止模板大型变形甚至失效的可能解决方案包括其他建筑技术中使用的按需安装的混凝土工艺,这些工艺是通过使用超薄的模板而实现的,防止模板大型变形甚至失效的可能解决办法包括其他建筑技术中使用的按需安装的混凝土工艺,这些工艺是通过使用超薄的模板而实现的,防止模板大型变形甚至失效的可能解决办法包括其他建筑技术中使用的按需安装的混凝土工艺,这些工艺是通过使用超薄的模板而实现的, 24 , 25 或纺织品上的洞,以水平位置填充混凝土,其可行性取决于粗纱间距。
这项研究探索了另一种方法,即通过将扁平的纺织品折叠成所需的形状,用电缆或可弯曲的杆来定义顶点,并利用脚手架框架中的绳索来拉紧横断面。与管状纺织品相比,横截面的一面是开着的(如图所示) 1a ),让混凝土与横梁一起以水平位置铸造。所述嵌件仅集成于网的直部,并在张力和压缩法兰上围绕纵向钢筋形成一个环路(图 1b)。纺织粗纱在纵向钢筋周围的直接连接确保了适当的锚固。此外,它还确定了钢筋作为纺织品不可分割的一部分的位置,大大简化了加固在施工期间的位置。
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图1
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由折叠纺织品制成的薄壁混凝土梁:(a)横断面(倒置铸造位置);(b)用综合弹性和纺织强化和成型元件进行张紧前的平纺织品。
3个实验程序
通过利用带有集成纺织钢筋的固定模板制造四根薄壁I型横截面混凝土梁,验证了制造工艺的可行性,并对其进行了三点弯曲失效试验。研究了基于DIC的应用荷载和测量变形的结构行为。
3.1样品、材料和制造
所有样品都是在苏黎世的结构实验室制造和测试的。桌子 1 概述了试样的配置,其中嵌入间隔在12-50毫米之间,一个试样不包含任何横向加强。
TABLE 1. 样本配置:尺寸(图中定义的术语) 3a ),嵌入间距( s ),张力和弦钢筋直径(直径) s ),以及混凝土混合料批。
样品 b 英弗 (mm) t 英弗 (mm) t w (mm) b 吐出 (mm) t 吐出 (mm) H (mm) D (mm) s (mm) ? s (mm) 混凝土批
国际广播电视公司 114.5 57.5 31.3 112.5 57.5 292.5 263.0 — 20 我
ISB-A-s50 120.0 58.0 30.3 117.5 56.0 294.0 268.5 50 二
ISB-A-s20 113.5 55.5 32.0 118.5 53.0 294.5 262.5 20 三
ISB-A-s12 122.0 56.0 32.0 120.5 56.5 304.5 269.0 12 我
3.1.1纺织品
纺织模板是用7型数控平板针织机(天秤座3.130)一块生产的。针织是按照横梁的长度方向进行的,横梁的截面周长(轮廓)代表编织的纬方向。用两种聚酯纱(PES167T30/2)制作了一张纺织品,其中包括插入成型棒的纵向通道,如节所述 2 .在生产过程中,直嵌芳纶纱的长度和间距是正确的。这些镶嵌物沿纺织品的长度同时形成两个连续的拉链,从而将横截面底部和顶部的纵向加固连接起来,并插入这些拉链(图) 1b ).
正如作者在以前的研究中得出的结论, 14 - 16 , 18 在针织过程中,由于其材料强度利用率最高,处理最方便,所以选择了细度为800泰克斯(1泰克斯=1克/公里纱)的木纹。镶嵌物的间隔为50、20和12毫米(如表中标本命名法所示) 1 )。在没有横向加强的试样中,用50毫米间距的非结构"虚拟"纱固定纵向加强杆的位置,如节所述 2 .纺织品涂上了低粘度的双组分环氧树脂, 26 在铸造前,在室温下至少可以治愈24小时。如Ref所述,高强度镶嵌材料的材料性能是在涂层芳纶片材的单轴张力试验中确定的。[ 14 ],这就得出了 f U?=2583兆帕,年轻人的 E t?=?112?GPa.
3.1.2钢筋钢筋
张力和压缩弦的纵向加固由变形的抗腐蚀钢筋组成,具有较高的强度和足够的延性。纵向钢筋的布局由两个钢条组成,两个钢条的直径为张力20mm,所有试样的压缩和弦为8mm。在同一批光杆上分别进行单轴张力试验,测定了材料的性能,其结果见表1。 2 .
TABLE 2. 杨氏模量( E s ), yield ( f 西耶 ),极限力量( f 苏 ),以及断裂时的应变 苏 )钢钢筋。
大量 E s (GPa) f 西耶 (MPa) f 苏 (MPa) ε 苏 (‰)
?08 168.1 676.1 797.3 55.0
?20 174.7 701.9 889.2 68.9
3.1.3有源玻璃纤维棒
横断面几何形状的元素由直径为10mm的实心圆有源连杆组成,这些连杆是由浸渍了聚酯树脂的单向玻璃纤维精晶制成的。制造商规定的名义抗拉强度和杨氏模量分别为700Ma和33Gp。
3.1.4混凝土
所有试样都用自固结混凝土铸造,最大集料尺寸为8毫米,或者是在实验室中使用商用预混混凝土制备的,或者是由当地的现成混凝土供应商交付的,结果产生了三个不同的批次。获得的杨氏模量和单轴压缩强度从三个标准圆柱直径150毫米和高度300毫米每批。抗拉强度由双冲床试验确定 27 两个钢瓶,直径150毫米,每批高度150毫米。如表所示,在三点弯曲试验日测定了混凝土的材料性能。 3 .
TABLE 3. 杨氏模量( E C )、圆柱体抗压强度( f 西尔斯 ),及抗拉强度( f 计算机技术 不同批的混凝土。
大量 E C (GPa) f 西尔斯 (MPa) f 计算机技术 (MPa)
我 A 37.1 73.0 5.6
二 b 33.7 61.3 4.9
三 b 36.9 67.2 5.0
A 当地供应商的现成混凝土。
b 自整合混凝土预混料。
3.1.5样品的制造
制造程序一般遵循本节所介绍的原则 2 ,将纺织品拉入脚手架内,如图所示 2a .如图所示,钢钢筋和GfrP棒分别穿过由嵌入物和纺织品内部通道所形成的环路,而躺在地上 2b .纵向条和杆则固定在脚手架的端板上。横梁在上凸缘用主弯曲钢筋(带OO20mm的钢筋)倒置。这在下凸缘的几何紧密条件下创造了更多的空间(考虑到压缩弦上的钢筋直径较小),并确保了混凝土在模板内的适当流动和分布,但要求在测试前将试样翻转。纺织品用绳索在木框架中拉紧,以保持横断面的形状和钢筋在横梁长度上的位置(如图所示) 2c )。环氧树脂涂料在纺织品上使用油漆刷,而模板悬挂在框架中。涂层硬化后,底部的绳索被切断,从底部插入一个临时的木座以支撑模板。混凝土是从顶部沿整个梁长度铸造的.在支承和荷载应用点,混凝土隔膜,如图所示 3 ,用传统的模板铸造,表面用局部环氧层平整。
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图2
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制造薄壁混凝土梁,采用固定的模板和一体化纺织加固:(a)脚手架框架和装配,(b)织物内分别用变形的钢条和用镶嵌环路和通道螺纹的通用玻璃纤维钢棒进行张紧之前的纺织,以及(c)框架内纺织品的张紧。
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图3
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样品配置:(a)截面尺寸,(b)测试装置和仪器(尺寸[mm])。
比较标称(如图所示) 3a )与实际测量值(摘要见表 1 横断面尺寸显示出一些偏差,这些偏差是由铸造过程中模板变形和手动张紧过程造成的。然而,在工业化程度较高的生产线上,机器人张紧装置确保了更高的准确性,并可根据纺织品的非线性拉伸行为自动控制后,后者预计将成为一个小问题。
3.2测试设置
如图所示,所有横梁都在总跨度为2000毫米、剪切跨度为810和1190毫米的三点弯曲中进行了测试。 3b .不对称的设置导致了剪力( A / D (3和4.4),在较短的跨度内,其剪切力比较长的跨度大47%。支架由摇杆轴承组成,一端位于聚四氟乙烯板上,允许自由水平运动。载荷通过一个钢板通过一个球形轴承连接到执行机构。用液压手泵手动控制负载,从而使负载率~6kn/分钟。每一个梁都进行了两次测试:一旦在第一次单调载荷循环中发生故障,试样就会卸载,断裂的跨度就会通过预应力筋横向加强,如图所示。 3b .然后,试样进行了第二次装载循环,直至发生故障。
3.3仪器
在负载介绍时,直接从执行机构和钢板之间的负载单元中测量应用载荷。用3D-DIC方法对光束全侧面表面变形进行了评估。一对28mm焦距镜头(6576x4384像素),立体角度~25度,覆盖视野约2300mm宽度,分辨率为2.9像素/mm。用硬笔刷将随机暗斑图案应用于涂色的白色标本,以达到最大的对比度,从而提高相关性。相关性是与商业软件"VS-3D"(相关解决方案公司)进行的。 28 )。测量的不确定性是通过零位移测试确定的, 29 , 30 从而产生了平均噪声水平( U , V )?=?6?×?10 ?3?毫米及超音速(全新) 1 , ε 2 使用下列相关参数:子集尺寸=19像素,步进尺寸=5像素,应变滤波器尺寸=9。利用"自动裂纹检测与测量"(acdm)软件,对梁表面裂纹特征和运动学进行了分析。 31 , 32 基于DIC测量的准连续位移场和应变场。注意,试样表面裂纹的测量结果与纺织品的变形一致。由于纺织品与混凝土表面之间的滑移,无法直接评价混凝土中的裂纹运动学,本文报道了其对裂纹行为评价的影响。[ 18 ]并在本节中描述。 4.3 .
4项实验结果和讨论
研究了试样的结构性能,包括梁的整体位移、观察到的破坏模式和用DIC测量的纺织品的表面变形,这使高强度芳纶木和混凝土对薄壁混凝土梁力学性能的影响成为可能。重点研究了横向纺织钢筋的机械活化作为提高剪切强度的关键参数。以往对管状纺织品混凝土梁的研究结果 18 得出的结论是,对混凝土对控制裂纹剪切转移的贡献的估计基本上依赖于对裂纹图案和运动学的精确测量,由于现场模板的存在,无法用DIC直接评估,这一点在各节中讨论。 4.3 和 4.4 .然而,由于裂纹的开口相对较大,这一贡献在本研究中的影响不大, 18 网络的细长尺寸 20 ,以及中长细( A / D?≥?3). 33
4.1负载变形行为和失效模式
图形 4 显示了试验梁的荷载-偏转关系,即初始加载周期以实心绘制,再加载周期以虚线加固断跨后。大多数试样的弯曲响应通常在到达失效之前表现出相当线性的后裂行为和刚度的轻微减小,而试样的"isb-t"在初始载荷周期中表现出实质性的偏转,而不增加载荷。虽然这种行为可能意味着一种韧性,因此是良性的行为,但它是显而易见的--已经从实验期间的视觉观察中看出来了,如图所示。 5a ,在短跨度内形成了明显的剪切裂纹,而持续载荷大概是通过裂纹滑动来携带,直到对角裂纹突然打开,导致塌陷。注意图中所示的张力 5a ,在纺织品上测量,与混凝土上的纺织品局部剥离所造成的裂纹运动学一致。
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图4
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承重-薄壁结构截面混凝土梁的偏转关系:基于相容应力场法(CSFM)的实验结果和预测。
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图5
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试验混凝土梁的断裂和失效行为:(a)试样"isb-t"纺织品在失效前出现实质性裂纹(测量的主张力场说明);(b)"isb-a-20"中的芳纶条断裂;(c)沿网络-法兰界面和压缩弦的剪切裂纹扩展;(d)试验后切割试样("isb-t");(e)压缩弦混凝土破碎;(f)管理经测试后,混凝土(绿色)裂纹和纺织品(红色)失效裂纹.
所有具有高强度镶嵌的横梁在达到极限载荷时,都表现出芳纶的施加力和断裂的突然下降(图 5b )在第一个装载周期。如图所示,在较短的跨度内形成的剪切裂纹扩展到法兰上,导致网状法兰接口和压缩弦处的水平裂纹。 5c,d .如图所示,破坏载荷随横向钢筋比的增加而增加。 6 强调芳纶镶嵌物对剪切强度的显著有利影响。
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图6
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断裂时短剪切跨的剪切力与横向钢筋比 总重量 初始载荷下:实验值(圆)和基于相容应力场法(CSFM)的预测,假设名义尺寸(交叉)。
在短剪切跨度加固后,当重新装载试样时,只有没有高强度镶嵌的梁和50mm的弧形流苏间距的梁在较长的跨度中出现剪切破坏。试样"ISB-T"达到了更高的总载荷,相当于初始载荷周期中短剪切跨度所达到的长剪切跨的剪切力(见表)。 4 )。然而,试样"ISB-A-50"只达到了大致相同的破坏载荷,相当于较长跨度内的较低剪切阻力。混凝土和纺织品在初始装载周期中所经历的破坏和短跨度的失效是难以评估的,这可能解释了在重新装载周期中这种试样的低峰值荷载。"ISB-A-20"和"ISB-A-12"样品因压缩区混凝土被压碎而失效(见图) 5e),分别达到较高和较低的破坏载荷在重新装载,而不是在初始装载。由于初始加载周期失效造成的法兰裂纹,试样"ISB-A-12"中的压缩和弦的结构完整性已经受到损害,因此,大概不能代表实际阻力。
TABLE 4. 在试验中观察到的在短跨度内的断裂力( V EXP ),根据数码图像相关测量,纺织强化对剪切强度的贡献( V 总重量 )及由纺织强化所提供的理论最大抗剪能力( V 三,不 ),根据相容应力场法作出的预测( V CSFM )在初始载荷下,以及在重载下在较长跨度内失效时的剪切力( V 出口公司 ).
样品 V EXP (kN) V 总重量 (kN) V 总重量 / V EXP (?) V 三,不 (kN) V CSFM (kN) V CSFM / V EXP (?) V 出口公司 (kN)
国际广播电视公司 33.1 — — — 32.4 0.98 33.9
ISB-A-s50 59.3 20.6 0.35 31.0 49.1 0.83 41.3
ISB-A-s20 65.4 39.9 0.61 78.3 69.5 1.06 50.1
ISB-A-s12 83.1 70.6 0.85 107.1 82.2 0.99 47.6
注意事项 : V 总重量 和 V 三,不 如节所述,分别对应于应力场中激活的镶嵌体的垂直力(由测量的应变所确定)和抗拉力的总和 4.3 .
4.2张力和弦的行为和GfrP棒的贡献
张力和弦的变形是根据DIC测量方法进行评估的, 15 在参考表中调整。[ 18 ]钢条的平均应变值( 标准的 )的计算依据的是在弯曲矩超过最大值80%的区域内,梁在钢筋深度水平位移的线性回归。采用线性回归法,在最大弯曲矩70%的极限载荷范围内,在纺织品表面变形中应用ACDM法,在织物表面变形时,在最大弯曲矩附近的弯曲裂纹开口处,从裂纹尖端估计压缩区的深度。 3.3 .
GfrP棒的机械活化取决于粘结条件,这一点很难评估,因为这些棒基本上是由纺织品通道内的环氧树脂涂层粘在一起的,而且与混凝土没有直接接触,如图样品"isb-T"的切割截面测试后所示。 5d .因此,gfrp杆在张力弦上对弯曲响应的贡献被认为是无效的,因此,在本研究中被忽略了(请注意,假设下法兰上的所有六根杆全部激活,在最终载荷下只占弯曲矩的大约10%)。钢筋中的应力 s 然后用平衡法在裂纹的横截面上进行测定。
图形 7 显示了张力弦上钢筋钢筋的应力-应变关系.纵向钢筋与周围混凝土的相互作用所产生的张紧加劲效应实际上为零,因为大多数试样都密切遵循了通过材料试验获得的裸露钢的行为,如节所述 3.1.2 .在相同的应力下,试样"ISB-A-20"显示出比裸露钢更大的应变,但是接近失效的荷载的刚度非常吻合。这表明,在钢筋被适当激活之前,由于在低荷载水平上的粘结和锚固力不足,一些不必要的滑移。重新装载的试样在接近最终载荷时表现出一些特殊的行为,如试样"ISB-A-20"中的刚度突然变化,这大概是由于弯曲压缩区的失效造成的。试样"ISB-T"显示应力和应变在接近最终载荷的情况下都处于停滞状态,这突出表明在图中观察到的大变形。 4 确实不是张力弦塑性变形的结果,而是由实质性裂纹滑动引起的,如各节所述 4.1 和 4.4 .
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图7
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应力--与裸露钢相比,钢筋在张力弦上的应变关系.
4.3纺织钢筋的机械活化和对剪切强度的贡献
由于固定模板包围了混凝土梁的表面,DIC的测量可以直接评估纺织钢筋的位移和应变。然而,正如Ref所描述的那样,对裂纹模式和运动学的评估具有较高的不确定性。[ 18 ]。纺织品与混凝土之间由于纺织品和混凝土之间的低键剪切应力而使裂纹开口增加,这完全取决于摩擦力和附着力。如图所示,在最初的裂纹形成时,这些裂纹通常--但不一定--是可区分的。 8a 显示了主要的张力应变 1 )在横梁表面的初始载荷周期的最终载荷的50%。纺织品上裂纹的位置(图中以灰色线条表示) 8b 在最初的形成阶段,使用ACDM进行测定。在较高的负荷水平上,纺织品的脱粘导致高强度镶嵌试样在网的高度上大量涂污应变,这通常有利于芳纶内层的强度和变形能力,因为变形是分散在更大的区域,而不是集中在裂纹附近,如完全嵌入在混凝土中的钢筋。[ 18),但使我们无法区分个别的裂缝。试样"ISB-T"(无任何芳纶片状)没有显示这种行为,因为在破坏之前,Epox-覆盖的基纺织品已经破裂,因为剪切强度大概主要是由混凝土提供的。
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图8
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主要张力菌株( 1 )在横梁表面的初始荷载周期(a)50%和(b)100%的最终荷载和裂纹在初始地层(以灰色线表示)。
从垂直方向确定了纺织钢筋对剪切强度的贡献( Yy )的测量方法。图形 9 显示高强度镶嵌试样在纺织品中的应变分布及代表值( 总重量 ,测定在极限载荷下,每段的应变量的95%-量化。横向纺织钢筋的拉伸能力没有被充分利用,因为菌株达到了极限值( 图文?=? f 图文 / E t?只有在有限的地区,纺织品的失效裂纹最终会引发。然而,破坏应变主要发生在相邻的两个嵌体之间,在这些嵌体上覆盖的基纺织品在塌陷之前就已经破裂,因此,一些生屑中的应变超越在材料属性的分散范围内。如图所示,网上应变场的测量结果表明横向钢筋的激活是通过一种以非连续应力场为模型的荷载悬架机构 10a .芳纶粒提供的剪切强度( V 总重量 因此,决定了
?
总重量
=
∑
我
?
罗夫
?
总重量
,
我
?
?
?
?
?
罗夫
(1)
在哪里 tw,i 在应力场中激活的一个粗纱中的代表性应变(图中表示为红点) 9 ); A 罗夫 ,一个粗纱的横截面面积; n 罗夫 ,在应力场中激活的生根数(图中表示为灰色线) 9 )。由于标本背面没有测量结果,所以假定在网的两侧的雕刻中的菌株是相同的。桌子 4 总结了在初始载荷周期中纺织加筋在控制裂纹上的作用力,该作用力大大小于试验中所观察到的低强度嵌件失效时的测量载荷,但与横向加筋比较高有关。实验中的极限剪切力与纺织钢筋穿过裂纹的测量贡献之间的差异,可以通过网上压缩应力的平斜度、在陡峭裂纹中的聚合物联锁以及直接支撑作用来解释。 10b .
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图9
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芳纶镶嵌的全场应变测量 Yy )及最大菌株( 总重量 沿横梁,灰线表示穿过混凝土中的支配裂纹的镶嵌物,红点表示被认为是纺织贡献的木屑中具有代表性的品系,红色实线和虚线分别表示试样正面和背面纺织品中的破坏裂纹。
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图10
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梁在点载荷作用下的荷载悬架机构:(a)纯风扇作用;(b)风扇和直杆组合。
芳纶的使用,即,用DIC( V 三,出口 )除以名义剪切强度( V 三,不 ), setting ε tw,i?=? f 图文 方程( 1 ),在50%到66%之间,表明不能充分利用纺织横向钢筋的拉伸能力。但是,请注意,只有样品正面的测量数据是可用的。纺织强化中的最大应变量取决于剥离的程度,正如Ref所强调的那样,在网络的任何一边,这可能略有不同。[ 18 ]。考虑到粗纱强度的利用,纺织加筋抗拉强度降低的非连续应力场可以提供一个简单的设计方法来估计抗剪性,如在FAR中所建议的。[ 2 , 20 ]。然而,为了校准还原系数,需要进行更多的不同横向加固比和剪切特性的实验。
4.4裂纹行为
如节所述,通过对试样表面的位移和应变测量,无法直接评估裂纹图案和运动学 4.3 .如图所示,混凝土的裂纹是在试验(两个加载周期)后通过剥离模板和通过目视检查确定裂纹模式确定的。 5f ,由于大多数弯曲裂纹在卸载后无法通过眼识别,所以只能检测到主要的剪切裂纹。图形 11 展示了纺织品(灰线)的组合裂纹图案、纺织品(红色实心线和虚线,分别表示正面和背面)的失效裂纹以及混凝土(绿色实心线和虚线,分别表示治理裂纹和次级裂纹)的裂纹。请注意,插图中的裂纹模式是初始和重装循环的结果。所有的标本都显示在网上形成了多个对角线裂纹。当倾斜度~45度的初始裂纹在纺织品和混凝土之间吻合良好时,倾斜度较低的裂纹--即在较高的荷载水平上形成的平坦裂纹--特别是控制剪切裂纹(表示为粗体绿线,平均倾斜度为A 元素元素 如图所示 11)常未被检测到的裂纹图案在纺织品中用ACDM测定。纺织品失效裂纹的位置一般与混凝土的裂纹不完全相同,试样的正面和背面也有所不同。
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图11
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用数字图像相关和自动裂纹检测和测量(灰线)检测纺织品的裂纹模式、纺织品(红线)的失效裂纹和经测试后的混凝土裂纹(分别表示治理裂纹的绿色实线和虚线)平均裂纹倾斜度(Aa) 元素元素 ).
虽然没有直接测量裂纹开口和滑动的可用性,但正如Ref所描述的,估计剪切裂纹开口的有效方法是测量混凝土梁的顶部和底部弦的相对偏转。[ 18 ]. Figure 12 显示控制跨度内的剪切力( V )相对于剪切裂纹开口的最大垂直分量。在初始荷载作用下,所有试样的剪切裂纹开始在所施加的剪切力的近范围内打开,随后的载荷增加取决于镶嵌间距。在初始载荷周期中,所有具有横向纺织加固的试样在失效时都出现了类似的裂纹开口。然而,试样"ISB-T"中的控制裂纹在不增加载荷的情况下增加到相当高的开口,这支持了节中描述的实质裂纹滑动假设。 4.1 和 4.2当大剪切跨度的重载周期和破坏发生在一个小裂纹开口时,就像没有横向加固的混凝土梁所预期的那样。由于混凝土在弯曲中破碎而失效的试样("IS-A-20"和"IS-A-12")的剪切力-断裂开放关系与在初始载荷下获得的曲线相对接近。然而,试样"IS-A-50"显示了在低得多的载荷水平上控制剪切裂纹的开口,表明在初始载荷下已经形成了大的剪切裂纹,这大概造成了再载荷周期中的低破坏载荷。
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图12
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剪切力( V )与剪切裂纹开口的最大垂直分量相比较。
5基于兼容应力场方法的数值建模
利用商业软件"概念静态细节"对薄壁混凝土梁的荷载变形和破坏行为进行了研究。 34 它是在结构工程研究所(苏黎世)和软件公司的想法RS的合作下开发的。应用的方法包括基于非线性有限元分析的连续应力场("兼容应力场法"), 35 它考虑了简单的混凝土和钢筋的单轴本构定律,并自动产生混凝土的有效抗压强度。瓦列里等人成功地应用了类似的基于弹性断裂应力场的方法。 2用传统纺织加固薄壁混凝土梁弯曲。除了应变相容性,张力加劲的考虑是本研究中提出的方法论所独有的,这使得它特别适合于研究脆性钢筋材料混凝土结构的行为,因为它们的强度主要取决于变形状态,以及基于极限分析的方法(例如:,不连续应力场)由于延性不足和相关的变形能力不足,一般不适用。
5.1主要假设
该模型通过假设应力和应变的主方向一致的虚拟、旋转、无应力裂纹来模拟钢筋混凝土构件在平面荷载作用下的响应。混凝土的抗拉强度被忽略了,除了它的张力加劲效应,它允许捕捉钢筋中的平均应变( M ),如图所示 13a .通过修改裸露钢筋的应力-应变关系来实现张力加劲,以考虑钢筋由于与混凝土相互作用而产生的平均刚度,其中张力中激活的有效面积是根据张力弦中钢筋的几何布局计算的(更详细的描述见参考文献)。[ 34 )。混凝土的构成定律遵循了1992-1-1年的抛物线直角图, 36 并根据主要拉伸应变对断裂混凝土的抗压软化效应进行了调整。 1 )使用 k C 图中所示减少系数 13b,c .这种本构行为对应于一个近似四的水平,根据应力场的分类框架和在本报告中提出的应力和张力模型。 吹毛求疵 Bulletin 100. 37 尽管模型假设简单,但使用单轴定律评价混凝土和钢筋的响应,已证明能够准确预测全球荷载-变形行为和钢筋混凝土构件的承载能力。 34 然而,需要更加谨慎地分析没有横向加固的混凝土元素,因为跨越裂纹的剪切转移通常依赖于混凝土的其他贡献,例如断裂过程区的集料联锁或残余张力,而这在断裂过程区中并不被考虑。
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图13
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相容应力场法的本构规律建模:(a)钢筋中的张力加劲效应,(b)混凝土中的压缩软化,(c)压缩软化规律。改进的压缩场理论。
5.2模型参数
样本被建模为具有标称尺寸的I-剖面部分,如图所述 3 ,忽略了全球玻璃钢棒和非结构基纺织品的存在。根据切片中的材料试验,确定了每个试样的抗压强度和杨氏模量。 3.1.4 .根据表中的数据,芳纶粒被模拟为零混凝土覆盖和不同间隔的封闭马脚。 1 .该软件只允许1mm的最小钢筋直径.因此,横向钢筋的材料性能进行了调整,以提供相同的强度和轴向刚度,如节所述 3.1.1 ,以线性弹性应力-应变关系(无延性的脆性破坏),分别实现1827兆帕和79.2千帕的拉伸强度和杨氏模量的等价值。用双线性本构定律将钢筋建模为直杆,并在表后定义材料性质 2 .采用默认参数确定在张力作用下有效混凝土区的张力加劲效果。所有的局部安全系数都设定为一个。负载逐渐增加,直到达到最终负载。
5.3模拟结果和与实验结果的比较
利用ccfm对预测结果进行了验证,并对其整体载荷-变形行为、极限载荷和失效模式进行了验证。图中以红色曲线表示的荷载-偏转关系 4 一般来说和试验梁比较好。对试样"ISB-T"的后裂刚度估计过低,模拟没有捕捉到失效前明显的裂纹滑动。试件"ISB-A-20"和"ISB-A-12"的荷载-偏转曲线在初始后裂阶段表现出良好的一致性,但一旦控制剪切裂纹开始形成(如节所述),试验中的屈刚度略有减小。 4.4 如图所示 12 ),但在ccfm模拟中没有出现,因为后裂刚度是相当线性的,而且只是在失效前不久才下降。破坏时的剪切力如图所示 6 和餐桌 4 这表明实验和模型预测之间有很好的一致性。最大的偏差发生在标本"ISB-A-50"(17%),但它是保守的一方。图形 14展示纺织(红)钢(蓝)钢筋和混凝土(绿)的利用情况,并说明其最大值的位置(即:,利用率=1)标记为黄色圆点。当钢筋将力沿轴方向移动时,混凝土中应力的主要方向被表示为绘图线的倾斜方向,这可以被解释为应力场的表示,转移在梁内的荷载。所有带有高强度镶嵌物的试样都显示出在网与顶部或底部凸缘的接口处的纺织强化失效,这与实验中的观测结果很吻合,在实验中,纺织品的失效裂纹是在一次粗纱中发生的,并在网与凸缘的高度上传播,如各节所述 4.1 和 4.3 .由于混凝土和粗纱之间的接触面积较小(如本节所述,由于粗纱的周长较小以及零混凝土盖的建模而造成的),横梁上的应力没有显示出明显的峰值,但在整个横梁高度上是相当均匀的。 5.2 导致有限的压力转移。主应力的倾斜度--如截面所述,与裂纹相吻合。 5.1 --与实验结果相符,如图所示,在25~30度附近的类似范围内。 11 .
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图14
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利用率(应力除以有效强度、可接受应力和屈服强度)用相容应力场预测横向芳纶片状(红色)、混凝土(绿色、按主要方向排列的直线倾斜度)和变形钢筋(蓝色)的利用率(强化厚度和线长与强度成正比,以及表示支配元素的黄色点(利用率=1)。
无高强度镶嵌的试样"ISB-T"的预计载荷转移(如图所示) 14主要取决于从荷载引入到支承的直接支承的形成,这是反映在平倾斜的压应力。很明显,无应力、旋转裂纹的模型假设与实际行为有所不同,因为没有横向加固,如在实验中所观察到的,其中控制剪切裂纹表现出更大的倾斜度,几乎没有任何平坦的裂纹形成。故障最终发生在顶部法兰的压缩区。虽然该模型合理预测了荷载----偏转关系和最大载荷的良好一致性,但应铭记的是,在没有横向加固的情况下,混凝土梁通常不考虑剪切传递机制(如本节所述)。 5.1 而其他几何形状的结果可能不同。
6.结论
本研究探讨了薄壁混凝土梁采用综合横向纺织加固的现场柔性模塑结构的潜力。利用数控平板针织机生产的织物,使纺织品具有空间特性,将连续竹节和引导成形元件集成在一起,从而发展了一种新颖的模板和加固系统。在由四根混凝土梁组成的试验运动中,对制造工艺进行了验证,并在三点弯曲试验中对其结构性能进行了评估。横向加固是通过高强度的弧形石绕着顶部和底部法兰上变形的钢条进行弯曲,以确保适当的锚固。
实验结果表明,抗剪切性能主要取决于横向钢筋的强度,具有良好的后裂性能。由于剪切裂纹的形成和在初始载荷作用下纺织钢筋断裂(如果存在),所有试样都失效了。在断裂剪切跨的梁外加固后,试样又经历了一个载荷周期,结果不明确,因为无法充分评估第一个载荷周期的损伤程度。
横向钢筋比是提高剪切强度的主要参数.根据DIC变形测量结果,允许直接评估剪切钢筋中应力的试样表面上是否存在纺织品。纺织品和混凝土之间的低粘接剪切应力完全依赖于附着力和摩擦力,导致在高荷载水平上横向钢筋大量脱落,将应变扩展到网的整个深度,并有效降低裂纹附近的峰值应变值。但是,由于脆性材料的行为,在第一次粗纱达到抗拉强度后,其全部抗拉能力不能被利用。虽然观察到的破坏模式是脆性的,但高强度纺织品作为剪切钢筋和变形钢筋作为弯曲钢筋的组合,如果横向钢筋的设计使其能够维持剪切力,直到达到弯曲破坏,就会产生良性的破坏行为,正如作者在先前关于矩形横截面混凝土梁的研究中所强调的那样。18
基于假定虚拟、旋转、无应力裂纹的有限元分析,利用该模型对测试试样的载荷变形和失效行为进行了预测。考虑到应变相容性和张紧加劲效应,该方法特别适合于用脆性钢筋材料对混凝土结构进行建模,因为其强度主要取决于变形。模型预测结果表明,应用剪切破坏与高强度镶嵌试样的试验值一致,甚至提供了控制裂纹的倾斜度。基于兼容应力场的方法,因此,提出了薄壁混凝土梁横向纺织加固设计的有效方法,以实现弯曲中的韧性破坏行为。没有横向加固的试样的极限载荷与实验值一致,但模型没有捕捉到破坏前观察到的大变形,这是裂纹滑动造成的。
本文介绍了一种新型的具有综合横向纺织加固的现场柔性模板,为混凝土结构的材料效率设计提供了许多可能性。使用精纺纺织品可进一步优化元素,包括横截面深度的变化和横梁长度的镶嵌间距,这可能是今后研究的主题。然而,由于使用纺织强化材料作为固定的柔性模板,因此将其放置在元素的外部,由于直接暴露于环境中以及环氧树脂通常用作涂层的玻璃过渡温度相对较低,需要进一步的检验,因此在火灾下的行为会受到挑战。