无筋钢纤维混凝土管片正常使用极限状态设计方法研究

无筋钢纤维混凝土管片正常使用极限状态设计方法研究
钢纤维混凝土由于其优良的阻裂、抗渗、耐久性等特性而被广泛的应用于工程结构中,然而目前混凝土主要受力构件中钢纤维并没有完全取代钢筋,一方面并没有充分发挥钢纤维的优良特性,另一方面施工成本并没有减少,反而在制造工艺上会加大资金投入。

实际上无筋钢纤维混凝土构件具有其特定的使用空间,本文依托沈阳地铁9号线工程,通过文献调研、基础力学试验、压弯梁构件试验以及理论推导等手段,对无筋钢纤维混凝土管片结构在不同受力条件下的正常使用极限状态设计方法展开了研究,并取得以下主要成果:(1)通过12块立方体压块试验以及48根切口梁试验,开展了钢纤维对混凝土基体力学性能的影响研究,试验结果表明,钢纤维的添加使得立方体抗压强度提高了10%~18%;对于4D型号钢纤维混凝土,最优掺量为35kg/m~3,对于5D型号钢纤维混凝土,最优掺量为
30kg/m~3;4D和5D型号钢纤维混凝土在25~40kg/m~3掺量时的轴拉本构关系以软化模型为主。

(2)通过不同偏心距条件下压弯梁构件试验,开展了受力条件对无筋钢纤维混凝土构件承载力影响规律研究,研究结果表明,构件主裂缝宽度达到0.2mm时,偏心距e=0.10m时的弯矩承载力分别是偏心距e=0.15m、e=0.20m、e=0.30m时承载力的1.5倍、2.25倍、2.5倍。

另外,对压弯梁主裂缝的高度和宽度进行了Boltsmann拟合,将预测拟合公式和试验结果对比发现,拟合结果可靠。

(3)由于目前难以直接计算无筋混凝土构件裂缝宽度等原因,提出了基于承载力表达式的正常使用极限状态设计方法。

对比分析国内外设计方法的局限和不足,以试验为基础,参考包络线法,并分析正截面合理的应力应变分布形式,提出了不同偏心距下的设计方法,并通过依托工程典型工况验证了其合理性。

(4)采用梯度优化法,通过MATLAB优化算法模块编程计算实现了不同偏心距下无筋钢纤维混凝土结构的可靠度分析。

计算结果表明,偏心距越小,无筋钢纤维混凝土结构可靠度指标越大,材料越可靠,设计方法适用性也越好。