钢筋钢纤维高强混凝土牛腿结构受剪性能及尺寸效应研究

The project plans to adopt the combination of experimental study, theoretical analysis, and numerical simulation, to conduct a systematic study on shear performance and size effect of steel fiber reinforced high-strength concrete corbels. Size effect on strength and fracture parameters of steel fiber high-strength concrete will be studied. The effects of experimental parameters on the shear performance of corbels will be analyzed, and the calculation formula of shear capacity of reinforced steel fiber high-strength concrete corbels will be explored. Based on the concrete blunt crack band theory proposed by Bazant, the strut-and-tie model (STM) for corbels will be improved considering the influence of size effect. According to energy balance principle, the shear transfer mechanism in concrete compressive strut crack band zone and stress relief strip will be analyzed; the causes of size effect on shear strength of corbels will be investigated. Numerical analysis of reinforced steel fiber high-strength concrete corbels will be conducted using steel fiber concrete constitutive model. Size effect mechanism on shear performance of corbels will be explained from a microscopic perspective.

拟采用试验研究、理论分析、数值仿真相结合的手段，对钢筋钢纤维高强混凝土牛腿结构受剪性能及尺寸效应进行深入系统研究。研究钢纤维高强混凝土强度及断裂参数尺寸效应规律。分析试验参数对牛腿结构受剪性能的影响，探讨钢筋钢纤维高强混凝土牛腿结构受剪承载力计算公式。根据Bazant提出的混凝土钝裂缝带理论，考虑尺寸效应的影响，改进牛腿结构拉压杆模型。根据能量平衡原理，分析混凝土压杆内裂缝区和应力释放带的剪力传递机理，揭示牛腿结构受剪性能的尺寸效应机理。引入钢纤维混凝土本构模型，进行钢筋钢纤维高强混凝土牛腿结构试件数值分析，从细观分析角度解释牛腿结构抗剪性能尺寸效应机理。

开展了钢纤维混凝土强度尺寸效应试验研究，完成432个不同尺寸试件的强度试验，基于Bazant尺寸效应律拟合出了不同强度下钢纤维混凝土立方体抗压强度、棱柱体抗压强度、劈拉强度和抗折强度的计算公式。完成集中竖向荷载作用下剪跨比0.2~0.4、钢纤维体积掺量0~1.5% 钢纤维高强混凝土双面支撑牛腿受剪性能试验，分析高强混凝土牛腿的受力破坏过程、荷载-挠度变形曲线、破坏形态以及混凝土表面应变、纵向受力钢筋应变、受剪箍筋应变等；重点研究剪跨比、钢纤维掺量、纵筋配筋率、箍筋配筋率对牛腿开裂荷载、极限荷载及破坏形态的影响。根据B.P.Bazant等人提出的混凝土裂缝带理论，考虑尺寸效应的影响，改进钢筋钢纤维高强混凝土牛腿拉压杆模型。采用我国《混凝土结构设计规范》（GB 50010-2010）中牛腿承载力计算方法对本次试验结果进行计算，并与采用拉压杆模型的美国《混凝土结构设计规范》（ACI318-11）等建议公式的计算结果进行对比分析。研究表明：小剪跨比混凝土牛腿主要发生斜压破坏和斜剪破坏两种典型形态，随剪跨比增大，牛腿极限承载力显著减小；提高钢纤维体积掺量，有助于提高牛腿开裂荷载和延性；随着纵向配筋率的提高，牛腿极限承载力显著提高；提高箍筋配筋率有利于提高牛腿开裂荷载和受剪承载力。由于牛腿同时承受正应力和剪应力的作用，属于复杂受力状态，采用拉压杆模型计算牛腿承载力具有清晰的力学概念，但计算结果较为保守，各参数取值尚需进一步研究；而我国《混凝土结构设计规范》（GB 50010-2010）采用经验公式计算牛腿的受剪承载力相对接近试验结果。