考虑时变效应耦合作用的柔性纤维预应力混凝土箱梁抗裂机理研究

Cracking is a well-known distress of prestressed concrete box-girder that affects structural durability. Time-dependent effects are important factors for cracking. Previous studies show that flexible fiber can strengthen tensile capacity of concrete. So there is a need to analyze the crack resistance mechanism and conduct the experiment for prestressed concrete box-girder with flexible fiber..Theoretical analysis, large-scale indoor test and simulation are combined in the research. This research is consists of a)characterizing the cracking in prestressed concrete box-girder and, based on these characteristics, presenting the preliminary mechanism of crack resistance and strength reinforcement for prestressed concrete box-girder in the whole process; b) designing the important details including material, size, reinforcement, variation of temperature and load, and proposing the orthogonal testing plan for crack resistance mechanism of box-girder model; c)testing the crack resistance mechanism of concrete box-girder model with flexible fiber in different conditions with time-dependent effect, static load and fatigue load, and modifying and revealing the mechanism; d)establishing the mechanistic model of crack resistance and strength reinforcement for box-girder model with flexible fiber, simulating the cracking evolution of box-girder by finite element method, and assessing the optimal effects of crack resistance and strength reinforcement..The research outcomes are important for the mechanism of using high performance material to improve durability of concrete bridge. It is helpful and practical for the flexible fiber application in prestressed concrete box-girder to prevent cracking.

裂缝是预应力混凝土箱梁常见病害，而时变效应是其重要影响因素。柔性纤维可增强混凝土抗拉能力。因此开展掺加柔性纤维的预应力混凝土箱梁抗裂机理研究十分必要。.项目采用理论分析、室内模型试验和数值模拟相结合的方法，展开系列研究：①针对预应力混凝土箱梁裂缝形式，提出初步的柔性纤维对箱梁的全过程（纤维开始受力至失效）阻裂增强理论；②设计全截面缩尺试验模型箱梁的材料、尺寸、配筋和荷载作用模式等，提出模型箱梁抗裂性能正交试验方案；③开展时变效应和力学荷载作用下的柔性纤维混凝土模型箱梁抗裂试验，修正和揭示柔性纤维对预应力混凝土箱梁的全过程阻裂增强机理；④构建柔性纤维对箱梁的全过程阻裂增强机理模型，开展箱梁裂缝演化过程有限元模拟，提出和评价柔性纤维对箱梁的最优阻裂增强效果。.预期研究成果对于开展高性能材料提高混凝土桥梁耐久性的机理研究具有重要理论意义；有利于更好地解决预应力混凝土箱梁开裂难题，具有应用价值。

裂缝是预应力混凝土箱梁常见病害，亦是长期未完全解决的技术难题。柔性纤维性能卓越，但尚未广泛用于解决预应力混凝土箱梁开裂问题。因此，有必要研究柔性纤维对预应力混凝土箱梁的阻裂增强机理。. 本项目主要研究内容及成果分别为：. （1）初步构建了柔性纤维混凝土复合材料构造的多尺度模型。多尺度分析了柔性纤维混凝土阻裂增强机理，开展了微观尺度的多种掺量聚丙烯纤维混凝土试件三维CT试验。. （2）在“阻裂墙”理论基础上，基于应力强度因子理论，量化分析裂缝孕育、出现、发展、临界、恶化、破坏等整个发展过程中的柔性纤维对混凝土的阻裂作用。基于断裂力学能量理论，分析了混凝土裂纹发展各阶段的能量传递演变。. （3）为测定柔性纤维对限制C55混凝土早龄期收缩裂缝的有效性，开展了聚丙烯、玄武岩、聚乙烯醇等多种纤维混凝土抗裂性能平板试验。基于高速摄像技术，开展了柔性纤维混凝土抗压试验和抗弯拉强度试验，研究其破坏特征。. （4）分析虚拟裂纹法和哑节点断裂单元，提出柔性纤维模拟方法。基于通用有限元软件ABAQUS，开展了有限宽中心裂纹板（典型的张开型裂纹）的裂纹分析，量化柔性纤维对混凝土裂纹的阻裂作用。. （5）开展了钢筋混凝土和三种掺量柔性纤维钢筋混凝土缩尺模型箱梁抗裂性能室内试验，描述荷载作用下模型梁的裂缝形式及挠度、应变演化过程，定量分析纤维对混凝土箱梁抗裂性能的影响。基于试验数据，开展纤维混凝土箱梁全过程阻裂增强有限元数值模拟。. （6）分析复合材料混凝土的内部结构初始缺陷，论述箱梁非受力裂缝和受力裂缝的形式及成因。从纤维性能、分散性、黏结效果等多个方面，分析纤维混凝土阻裂增强效果的影响因素，提出理想状态下的柔性纤维对预应力混凝土箱梁的阻裂作用。. 本项目研究将机理分析与桥梁工程实际问题相结合，研究成果对于开展高性能材料提高混凝土桥梁耐久性机理研究具有理论意义；有利于将柔性纤维科学的应用于混凝土箱梁，更好地解决箱梁开裂难题。