混杂纤维提高混凝土梁以及组合梁特性的成果分析硕士毕业论文

山东科技大学工程硕士学位论文 摘要 摘 要随着现代建筑向高层化、大跨度、重载荷及轻量化方向发展，混凝土这一最大宗的建筑材料正朝高韧性、高阻裂、高体积稳定性和高耐久性等高性能方向发展，其中又以改善混凝土的韧性、提高其抗裂性能为当前发展高性能混凝土的技术核心。纤维增强混凝土是一种多相材料，其在土木工程中的应用日益广泛。在混凝土中掺入纤维能够从微观机制上改善材料的性能提高混凝土的抗拉强度、韧性、延性、抗裂性及抗冲击疲劳等性能。混杂式钢纤维增强混凝土梁的结构，它是在经济与性能并重的基础上，使钢纤维分层布置，即钢纤维分布于混凝土梁的上部和下部，形成“层布式钢纤维增强混凝土”。为解决其中间部分素混凝土的韧性、抗裂性及抗渗性均较差这一问题，我们在混凝土基体中全体积掺入PVA或者聚丙烯纤维，使之与上下层钢纤维共同作用发挥“正混杂效应”来改善混凝土的性能。本文通过对已有的研究成果分析例如层布式钢纤维与混掺PVA纤维混凝土梁的力学性能试验、层布式钢纤维聚丙烯腈纤维混凝土力学性能试验研究、混杂纤维布加固钢聚丙烯短纤维增强混凝土构件技术研究、混杂纤维材料加固混凝土梁刚度的试验研究以及高强混凝土组合梁的研究，我们可以得出混杂纤维混凝土改善了混凝土的的性能，混杂纤维的混杂效用提高了混凝土的承载力、延性、刚度、极限应变等，并且给出了混杂纤维混凝土组合梁的承载力、裂缝的计算分析，从而我们可以将混杂纤维应用于组合梁中，为提高组合梁边缘混凝土的极限应变值以及混凝土的特性提供了理论依据。关键词：混杂纤维，层布式钢纤维混凝土，组合梁，承载力2山东科技大学工程硕士学位论文 摘要 ABSTRACTWith the building becoming high,long span,heavy load and lightweight,cement concretewhich is widly used material has developed to high toughness,high,high Volume stability and high durability,and how to improve the toughness and the cracking-resistance is key technology.Fiber reinforced concrete is a kind of hererogeneous material,which is more increasingly used in civil engineering.The incorporation of steel or other fibers in concrete can significantly improve the performance of cementitious materials,such as tensile strength,toughness,and ductility as well as resistance to crack and fatigue.Layer steel Fiber Reinforced Concrete(LSFRC),which is on the basis of considering economy and improvement of material properties,letting steel fiber layer distributing layer by layer,and steel fibers are scattered to the upper and lower layer,concrete which is cast by this method,is called LSFRC.For the disadvantage of inferior toughness,crack resistance and infiltration resistance of the middle layer,polypropylene fibber are mixed entirely in the concrete,For the purpose of exerting the “positive intermixing effect”to improve the performance of the concret.This paper describes layered steel fiber and blended PVA fiber mechanical properties of concrete beams, layered steel fiber - mechanical properties of Polyacrylonitrile Fiber Reinforced Concrete Test, hybrid fiber reinforcement, steel / Polypropylene Fiber Reinforced Concrete technology, hybrid fiber reinforced concrete beam stiffness of experimental study and research of high strength concrete beams derived hybrid fiber reinforced concrete beams used in combination to improve the performance of concrete, due to the mixed hybrid fibers increased the effectiveness of the bearing capacity of concrete, ductility, stiffness, ultimate strain，thus enhance its beams of the concrete circumstances of extreme value。Keyword: assorted fibre,LSFRC, composite beam, bearing strength 山东科技大学工程硕士学位论文 目录 目录1 绪论21.1 钢纤维混凝土国内外研究及应用概况21.2 混杂纤维混凝土以及钢-混凝土组合梁在国内外的研究及其应用概况61.3 研究的背景和意义131.4 本文的研究方法及所做的工作142 混杂纤维提高混凝土梁以及组合梁特性的成果分析162.1 混杂纤维提高混凝土的抗弯韧性的研究162.2 混杂纤维提高混凝土的抗弯拉强度、弯曲韧性以及极限应变的研究212.3 混杂纤维提高混凝土的开裂荷载、极限荷载以及抗弯拉刚度的研究262.4 混杂纤维混凝土梁刚度的研究312.5 组合梁的翼缘板混凝土的承载力、延性提高的研究分析353 混杂纤维混凝土梁的计算分析增强理论423.1混杂纤维混凝土的增强理论423.2纤维混凝土的增韧理论454 混杂纤维应用于组合梁中的计算理论分析554.1混杂纤维混凝土在组合结构中应用与承载力计算分析554.2组合梁纯弯作用下的承载力极限应变计算分析625 结论和展望675.1 全文工作总结675.2 前景展望68参考文献69致谢72Contents1 Intronduction41.1 Steel fiber concrete research and application of domestic and international profile 41.2 Hybrid fiber reinforced concrete and steel concrete composite beam and its application at home and abroad overview 81.3 Backgroud and significance of research151.4 The research mothod and work162 Hibrid fiber concrete beams and composite beams to improve the result of analysis of characteristic172.1 Hybrid fibers increased the flexural toughness of concrete172.2 Hybrid fibers for improving the concrete flexural strength,flexural toughness and ultimate strain.222.3 To improve the cracking of concrete with fiber, limit load and load bending stiffness of pull.272.4 Hybrid fiber reinforced concrete beam and stiffness of the research322.5 The flange plate concrete beams of bearing capacity, ductility of research and analysis363 Calculation of hybrid fiber reinforced concrete beams of increasing theoretical433.1 The hybrid fiber concrete reinforcement theories433.2 Fiber concrete toughening theory464 Hybrid fiber used in the calculation of composite beams in the theoretical analysis564.1 Hybrid fiber reinforced concrete structures in combination with the application of bearing capacity calculation and analysis564.2 Pure bending beams under the action of ultimate strain capacity calculation and analysis635 Conclution and outlook685.1 Job summary text685.2 Prospect69References Documents70Thanks73山东科技大学工程硕士学位论文 绪论 1 绪论1.1 钢纤维混凝土国内外研究及应用概况混凝土作为目前土木工程中最基本的建筑材料，已被人们广泛使用。但由于传统的混凝土强度普遍较低，耐久性较差，使得很多结构物由于混凝土性能不良而过早破坏，造成严重的经济损失。为了改善混凝土性能，提高混凝土的使用经济效益，人们开始在混凝土中加入其他材料以提高混凝土的各项性能。钢纤维混凝土(SteelFiberReinofreedConerete，简写为SFRC)就是其中比较有效的增强材料。钢纤维混凝土是在普通混凝土中掺入适量的钢纤维而形成的可浇筑、可喷射成型的一种新型复合材料。它是近些年来迅速发展起来的一种性能优良且应用广泛的复合材料。其中所掺的钢纤维是用钢质材料加工制成的短纤维，目前常用的有:切断型钢纤维、剪切型钢纤维、铣削型钢纤维、熔抽型钢纤维等。钢纤维在纤维混凝土中的主要作用是限制混凝土中裂缝的扩展，从而使其抗拉、抗弯、抗剪强度较普通混凝土有显著的提高，其抗冲击、抗疲劳、裂后韧性和耐久性也有较大改善，使原属于脆性材料的混凝土变成了具有一定塑性性能的复合材料。1.1.1 国内外研究状况钢纤维混凝土出现于上世纪初，早在1907一1908年间，苏联专家便将钢纤维应用到了混凝土中，从而开创了钢纤维混凝土的历史。1910年，美国的H.F.Porter发表了有关以短纤维增强混凝土的研究报告。20世纪中，美国的Garham曾把钢纤维掺入普通钢筋混凝土中，得到了可以提高混凝土强度和稳定性的结果。到了20世纪40年代，美国、法国、英国、德国等先后公布了许多关于用钢纤维混凝土补强混凝土结构方面的专利，但一直都没有将钢纤维混凝土实用化。直到1963年J.P.Rmoualdi和G.B.BatS。n等人先后发表了一系列关于钢纤维增强混凝土机理的文章，提出了纤维间距理论后，有关钢纤维的研究和应用才开展起来。1966年，美国混凝土学会增设了纤维混凝土委员会，1969年，美国批准了“混凝土和钢材组成的二相材料”专利，为以后钢纤维混凝土技术的发展奠定了基础。但是由于钢纤维的造价较高，这也是阻碍钢纤维混凝土实际应用的一个很重要的方面。到了20世纪70年代，美国Batetlel公司开发了熔抽技术，大大降低了钢纤维的造价，为钢纤维的使用创造了条件。此后20年间，钢纤维混凝土在发达国家和发展中国家的开发研究得到了普遍重视，尤以日本、美国、英国进展最快。为了增加各国之间的交流，编制钢纤维混凝土统一的试验方法标准和设计施工规程，推广了钢纤维混凝土的应用。1973年在加拿大握太华举办了“纤维混凝土国际研讨会”，1975年在伦敦由国际材料及结构试验联合会主办召开了“纤维水泥与混凝土国际研讨会，1984年AC工544委员会纤维混凝土委员会在Detorti举办了“纤维增强混凝土研讨会”，1985年在瑞典Stockhoml举办了“纤维增强混凝土性能与应用研讨会”，1989年在英国威尔士大学举办了“纤维增强水泥与混凝土最新发展国际会议”，1990年在美国麻省Bostno举办了“纤维增强水泥及材料研讨会”，1991年在法国Stuttgart大学举办了“高性能纤维水泥复合材料研讨会”，1995年在美国MIChigan大学举办了“第二届高性能纤维水泥复合材料国际研讨会”，1997年在中国广州举办了“纤维水泥及纤维混凝土国际会议”。通过这些会议的交流和讨论，美国和日本先后制定了纤维混凝土分类、拌和及浇筑成型指南，并于1993年进行了修订。日本土木工程学会和混凝土协会先后制定了钢纤维混凝土设计指南和纤维混凝土试验方法标准，为我国钢纤维混凝土设计与施工规程的制定提供了有力的依据。我国对钢纤维混凝土的研究较晚，20世纪70年代后期才开展了对钢纤维混凝土的研究。最早由国防科委和中国建筑材料科学研究院开始，1978年以来西安空军工程学院、大连理工大学、哈尔滨建筑大学、东南大学、郑州大学、华北水利水电学院、浙江水利水电科学研究所等高等院校和科研单位进行了大量关于钢纤维混凝土基本力学性能及其结构性能的研究，同时也对现场的施工工艺进行了研究。随着钢纤维混凝土在实际工程中的不断应用，我国也有待制定适合实际工程的设计与施工规程。1986年“第一届全国纤维水泥制品与纤维混凝土学术会议”在大连召开，自此以后国内有关钢纤维混凝土的试验和应用研究逐渐活跃。到目前为止先后召开了十届会议，分别是:第一届，1986年10月在大连;第二届，1988年8月在哈尔滨;第三届，1990年n月在武汉;第四届，1992年n月在南京;第五届，1994年10月在广东南海市;第六届，1996年n月在重庆;第七届，1998年12月在井冈山;第八届，2000年10月在济南;第九届，2002年10月在郑州;第十届，2004年11月在上海;拟定第十一届于2006年在大连召开。并于1991年在大连成立了“中国土木工程学会混凝土及预应力混凝土学会纤维混凝土委员会”。1.1.2 钢纤维混凝土的基本性能国内外对钢纤维的作用机理和钢纤维混凝土的基本性能做了大量的研究，现归纳如下：钢纤维混凝土中乱向分布的短纤维主要作用是阻碍混凝土内部微裂缝的扩展和阻滞宏观裂缝的发生和发展。在受荷(拉、弯)初期，水泥基料与纤维共同承受外力，当混凝土开裂后，横跨裂缝的纤维成为外力的主要承受者。因此钢纤维混凝土与普通混凝土相比具有一系列优越的物理和力学性能。1.强度和重量比值增大这是钢纤维混凝土具有优越经济性的重要标志。2.具有较高的抗拉、抗弯、抗剪和抗扭强度在混凝土中掺入适量钢纤维，其抗拉强度提高25%50%，抗弯强度提高40%80%，抗剪强度提高50%100%。3具有卓越的抗冲击性能材料抵抗冲击或震动荷载作用的性能，称为冲击韧性，在通常的纤维掺量下，冲击抗压韧性可提高27倍，冲击抗弯、抗拉等韧性可提高几倍到几十倍收缩性能明显改善在通常的纤维掺量下，钢纤维混凝土较普通混凝土的收缩值降低7%9%。4.抗疲劳性能显著提高钢纤维混凝土的抗弯和抗压疲劳性能比普通混凝土都有较大改善。当掺有1.5%钢纤维抗弯疲劳寿命为11 0 6次时，应力比为0.68，而普通混凝土仅为0.51；当掺有2%钢纤维混凝土抗压疲劳寿命达2106次时，应力比为0.92，而普通混凝土仅为0.56。5.耐久性能显著提高钢纤维混凝土除抗渗性能与普通混凝土相比没有明显变化外，由于钢纤维混凝土抗裂性、整体性好，因而耐冻融性、耐热性、耐磨性、抗气蚀性和抗腐蚀性均有显著提高。掺有1.5%的钢纤维混凝土经1 5 0次冻融循环，其抗压和抗弯强度下降约2 0%，而其他条件相同的普通混凝土却下降6 0%以上，经过2 0 0次冻融循环，钢纤维混凝土试件仍保持完好。掺量为1%、强度等级为C F 3 5的钢纤维混凝土耐磨损失比普通混凝土降低30%。掺有2%钢纤维高强混凝土抗气蚀能力较其他条件相同的高强混凝土提高1.4倍。钢纤维混凝土在空气、污水和海水中都呈现良好的耐腐蚀性，暴露在污水和海水中5年后的试件碳化深度小于5 m m，只有表层的钢纤维产生锈斑，内部钢纤维未锈蚀，不像普通钢筋混凝土中钢筋锈蚀后，锈蚀层体积膨胀而将混凝土胀裂。1.1.3 钢纤维混凝土的应用钢纤维混凝土作为一种新型复合材料，自1963年来，在实际工程中得到了不断的应用，它所应用的范围遍布于建筑工程、水利工程、交通工程、铁路工程等。1、建筑工程钢纤维混凝土在建筑工程中一般应用于房屋建筑工程、预制桩工程、框架节点、屋面防水工程、地下防水工程等工程中。如在抗震框架节点中使用钢纤维混凝土，能代替箍筋满足节点对强度、延性、耗能等方面的要求，还能提供类似于箍筋约束混凝土的作用，提高节点的剪压比限值，并解决节点区钢筋拥挤使混凝土难于浇注的施工问题;钢纤维混凝土还具有良好的抗裂性，可使构件在标准荷载下处于线弹性阶段而不开裂，不出现应力的重分布。用钢纤维混凝土制成的自防水预应力屋面板，不仅提高了自防水预应力屋面板的抗裂性能，同时也减少了纵向预应力筋的配筋率，提高了结构的耐久性。实例有:福州东方大厦、沈阳商业城、沈阳师范学院学术报告厅、江苏省丹阳市中心医院、吉林北园之春大酒店等工程。2、水利工程钢纤维混凝土在水利工程中的应用也比较多，主要用于受高速水流作用以及受力比较复杂的部位，如溢洪道、泄水孔、消力池、闸底板和渡槽、大坝防渗面板等。这些位置对混凝土材料自身的抗拉强度、抗剪强度以及抗裂性能的要求都比较高，也正发挥了钢纤维混凝土的自身优势。目前在实际中应用的有:小浪底水利枢纽工程、三峡工程、葛洲坝水利枢纽工程、杭州市德胜坝工程等。3、交通工程在交通工程方面钢纤维混凝土主要在公路路面、桥面铺装、机场跑道等工程领域使用。利用钢纤维混凝土较普通混凝土有较好的韧性，抗冲击、抗疲劳性。目前己完成的工程项目有:北京东四环路立交桥、沪航高速公路、贵州乌江大桥、三峡工程乐天溪大桥、广西静兰大桥等工程。4、铁路工程钢纤维混凝土主要用于预应力钢纤维混凝土铁路轨枕、双块式铁路轨枕及铁路桥面防水保护层等工程中。铁路工程要承受较大的荷载、较高的速度和数万次的振动，所以要求混凝土必须具有较高的强度、较高的抗冲击性及较大的塑性。这正利用了钢纤维混凝土的抗冲击性及较好的塑性。铁路上使用钢纤维混凝土建成的工程有:柳州铁路局黔桂铁路铺设工程、沈阳铁路局长大线维修工程等。除了上述领域外，还有很多钢纤维混凝土的应用实例，如薄壁蓄水结构、预制板、预制成型的耐火材料、抗爆结构等。1.2 混杂纤维混凝土以及钢-混凝土组合梁在国内外的研究及其应用概况1.2.1 混杂纤维混凝土的特性及其研究状况（1）混杂纤维混凝土的特性混凝土具有抗压强度高、刚度大的特性 ,但抗裂性、抗冲击性和变形能力较差。因此，通过掺入纤维来降低脆性,提高混凝土变形能力和韧性等是今后发展方向。合成纤维增强混凝土中拥有根数巨多的乱向分布的纤维，可以有效地防止混凝土的早期开裂,改善混凝土的品质，减少混凝土在施工期的裂缝和缺陷，提高混凝土的韧性、抗冲击、抗冻融、抗渗、抗疲劳等耐久性。混杂纤维复合材料既能够充分发挥不同纤维的优势，扬长避短，优化 FRP(Fiber Reinforced Plastics)的综合力学性能(或某一性能)，又能显著降低成本 ，因此，它正在越来越广泛地取代单一FRP，应用于航天航空、船舶与汽车制造、土木工程等领域。关于混杂纤维复合材料的已有研究主要是关于碳纤维与玻璃纤维的混杂方式 ，在碳/玻璃混杂纤维复合材料逐步断裂过程中，由于不平稳的应力转移使周围纤维产生应力集中而受到损伤，易导致混杂纤维复合材料过早破坏或承载力急剧下降。在混凝土中添加各类纤维，除了可提高混凝土的抗压强度外，更重要的是可显著改善混凝土的抗裂性和抗冲击韧性。当各种组成材料配合恰当，施工方法正确时，和素棍凝土相比，纤维混凝土的抗折强度可提高40%左右，抗冲击韧性可提高50%左右。在混凝土中同时掺入两种或以上纤维时，一方面，弹性模量较混凝土高的纤维(如钢纤维、抗碱玻璃纤维、碳纤维等)起增强材料的作用，抑制裂缝的扩展 ，弹性模量与混凝土相当的化纤类纤维(如聚丙烯纤维、丙纶纤维、聚乙烯纤维等)能显著提高纤维增强混凝土的裂 后变形能力，形成所谓的多点开裂。另一方面，随混凝土中纤维体积含量的增加，平均而言，混凝土中纤维间距将明显减小 ，从而可明显提高纤维混凝土的抗裂性和断裂韧性。（2）混杂纤维增强混凝土两种或两种以上不同类别纤维制成的纤维混凝土称为混杂纤维混凝土。目前有钢纤维与各类合成纤维的混杂，各类合成纤维之间的混杂使用。从广义上，混杂纤维混凝土可分为以下四种类型。（a）主要纤维与辅助纤维的混杂，在预制混凝土构件中有使用该类复合材料。例如，动用某些合成纤维(腊纶、丙纶)在流浆工艺线上制造非石棉纤维混凝土制品时，以这些纤维做主要纤维在制品中起增强增韧作用，同时掺人木浆纤维等藉以吸附水泥粒子并控制料浆过滤速率。(b)不同尺度的同一类纤维的混杂。纤维按照尺度分为两类:一类是长而且粗的纤维，称为粗纤维;另一类为短而细的纤维，称为细纤维或微纤维。研究结果表明用三种不同尺寸、同一性质的钢纤维制作混杂纤维增强混凝土，较之用一种尺寸制作的纤维混凝土，在阻裂、减少收缩与提高抗渗性等方面均有明显的效果。(c)尺寸相近的不同种类的纤维混杂，将尺寸相近，材料和性能不同的相混杂以制作某些纤维增强混凝土。其中最典型的例子为使杨氏模量高的钢纤维和碳纤维与杨氏模量低的某些合成纤维相混杂。此情况下高模量纤维在基材中出现较小与中等宽度的裂缝时可发挥最佳的增强作用，而低模量纤维在基材出现大裂缝才充分发挥其增强、增韧作用。(d)不同尺寸和不同种类纤维的混杂。例如，将长而粗的钢纤维和短而细的合成纤维相混杂，以期在纤维尺寸与纤维力学性能上同时起到混杂效应。关于混杂纤维增强水泥基复合材料的混杂效应机制、不同尺寸与性能的纤维混杂的优化以及该复合材料的设计的迄今尚处在初级阶段。虽近年来阮roushian与Elyamany，Qian与Stroeven，Banthia与Nandakuma:应用新断裂力学对此类复合材料进行了研究，但也刚刚起步，尚有待进行深人的研究。混杂纤维将配置成下面几种水泥基复合材料:钢纤维和合成纤维混杂增强水泥基复合材料;钢纤维一乙纶纤维增强水泥基复合材料;钢纤维一维纶纤维增强水泥基复合材料;钢纤维一丙纶纤维增强水泥基复合材料;钢纤维一尼龙纤维增强水泥基复合材料;玻璃纤维与合成纤维混杂增强水泥基复合材料;纤化聚丙烯薄膜一玻璃纤维增强水泥基复合材料;玻璃纤维一维纶纤维一丙纶纤维增强水泥基复合材料;碳纤维无捻粗沙一纤化聚丙烯薄膜增强水泥;碳纤维一丙纶纤维增强混凝土;碳纤维一尼龙纤维水泥。纤维混凝土增强机理：建立在Grffith理论基础上的线弹性断裂力学主要涉及理想脆性材料的非扩展问题。微观观察表明:纤维混凝土的破坏也是由于裂缝的扩展而造成的，虽然由于纤维混凝土的不均匀性，裂缝扩展和素混凝土不完全相同，目前直接将线弹性断裂力学应用于纤维混凝土还存在一些问题，但是目前关于纤维混凝土的断裂与损伤力学的研究非常活跃，也取得了长足的进展，线性断裂力学的观点认为：当临界应力强度因子或临界应变能释放率等是造成裂缝失稳扩展的原因，提出了一些断裂力学模型，如应力强度因子准则或裂缝尖端张开位移断裂准则等。由于纤维混凝土的阻裂增强作用，使纤维混凝土在破坏前存在着较长的裂缝稳定扩展过程，在裂缝尖端存在着发育充分的微裂缝纹区。当裂缝扩展通过纤维强化区时，裂缝将受到纤维的阻挡作用而缓慢扩展或改变方向绕过纤维在易于通过的方向扩展，然后又遇到其它纤维的阻裂。开裂区的纤维提供拔拉阻力，阻止裂缝地扩展。由于纤维的乱向分布，使得阻裂的方向也呈随机性，这样增加了裂缝的扩展路径，使得材料表现出较长的缓慢扩展过程，呈现出“塑性”特性。由于纤维对于裂缝的连接作用，使裂缝在扩展过程中吸收更多的能量。因此，纤维混凝土裂缝扩展机理研究的重点是建立合理的理论以反映纤维的阻裂强化机理。关于纤维混凝土增强机理的研究，主要有两种理论。一种是纤维间距理论，另一种是复合力学理论。纤维间距理论有Romualdi和Batson于1963年提出，根据线弹性断裂力学来说明纤维对裂缝发生和发展的阻滞作用。该理论认为要增强混凝土的抗裂性和延性，必须尽可能地减小基体内部缺陷的尺寸，降低裂缝端的应力集中程度。而纤维的掺人起到了优化材料内部组织结构和降低裂缝端应力集中的双重效应。后来英国Swamy，mangat教授提出了“复合材料机理”从复合材料的混合原理出发，将纤维增强混凝土看作纤维的强化体系，用混合原理推求纤维混凝土的抗拉和抗弯拉强度。上述断裂力学和复合材料理论得到了大家的认同和重视，极大地促进了纤维混凝土推广应用。（3）混杂纤维混凝土在国内外的研究状况钢纤维混凝土的增强理论，早期已有许多学者进行了研究和讨论。纤维混凝土增强机理方面，一般认为有复合力学理论和建立在断裂力学基础上的纤维间距理论。最先将复合力学理论用于纤维混凝土的有:英国的R.N.wSmay、P.5.Mnagat和美国的A.E.Naaman、D.c.Hnanant。这一理论分析纤维增强或其他复合材料时大多是将复合材料视为多相体系，对SFRC的简化是以纤维为一相，以混凝土为一相的两相复合材料，复合材料的性质为各相性能的加和值。此后许多学者对这一理论做了进一步的发展，如H.G.Allen、D.J.Hnanant等，他们做法是通过概率统计的方法在各相材料加和的系数做出调整，选取一些与试验相接近的经验系数。合成纤维混凝土的研究及应用始于上个世纪60年代，并于70年代得到了蓬勃的发展。由于合成纤维能有效地控制水泥砂浆及混凝土的非结构裂缝，合成纤维混凝土在80年代已被大规模地应用于新建工程和修补工程。目前，美国合成纤维混凝土的使用量已占混凝土总产量的7%，数量已远远超过先期开发的钢纤维混凝土(3%)，被誉为近代混凝土技术的新发展。而采用高模量纤维，如碳纤维、芳族聚酞胺纤维，可大幅度提高混凝土的抗拉、抗弯强度，对韧性也有提高，但费用大；而低价的低模量、大变形纤维，如聚丙烯纤维、聚乙烯醇纤维及维纶纤维、聚酞胺类纤维、聚丙烯睛纤维等，虽对强度贡献不大，却可大幅度提高其韧性。欲经济地同时提高混凝土的强度和韧性，可同时掺入高模量纤维和高延性纤维，使两种纤维在不同的受荷阶段和不同的结构层次发挥增强增韧作用，从而获得具有优异综合力学性能的混凝土。目前国内外对混杂纤维增强混凝土的研究还刚刚起步，关于它的力学特性，在静、动载及等幅、变幅循环荷载作用下的变形发展规律和损伤特性的研究还是空白。在普通混凝土中加入各类纤维可以使混凝土的抗剪、抗弯、抗拉强度等都有所提高，同时也大大改善了普通混凝土的抗冲击、抗疲劳、裂后韧性和耐久性。而对于钢筋钢纤维普混凝土构件，国内外的大量研究结果表明:钢纤维以及其他纤维混杂在钢筋混凝土构件中起到了阻裂、增强、增韧作用，从而使钢筋混凝土构件的抗弯、抗剪、抗冲击强度以及断裂韧度、抗疲劳性能、开裂荷载等都有明显的提高。为了改善钢筋混凝土的不足，国内外研究者采用在钢筋钢纤维混凝土中加入其他纤维的方法。混杂纤维混凝土就是在钢筋混凝土中加入钢纤维而形成的复合材料。它除了具备钢筋钢纤维混凝土的优点之外，还克服了其中的不足，目前国内外对混杂纤维混凝土进行了初步的试验研究和理论分析，尤其对混杂纤维混凝土基本力学性能的研究基本上己形成体系，对混杂纤维混凝土构件也有了一定的研究。具体情况如下：1.北京工业大学的邓宗才和李建辉研究了碳（CFRP）/芳纶(AFRP)/玻璃纤维(GFRP)层间混杂纤维加固腐蚀梁的抗弯性能。结果表明：CFRP/AFRP/GFRP层间混杂纤维加固腐蚀梁的开裂、屈服、峰值、极限荷载比未加固腐蚀梁分别提高了14%、35%、102%、109%，而位移延性系数则降低了11%，在实验研究的基础上，给出了HFRP布加固腐蚀梁的承载力计算方法，理论计算值与试验值相吻合。2.武汉理工大学的袁海庆、陈景涛、朱继东通过力学性能对比试验, 研究了层布式钢纤维和聚丙烯腈纤维的混杂应用对混凝土的力学性能的影响, 试验内容有: 抗压强度、劈拉强度、抗弯拉强度、弯曲韧性和抗弯拉弹性模量。为了对各种纤维混凝土进行力学性能对比, 各项试验分别对层布式钢纤维、聚丙烯腈纤维混凝土、聚丙烯腈纤维混凝土和素混凝土进行。抗弯拉试件采用150mm150mm550mm 梁式试件 , 弯曲韧性试验采用100mm100mm400mm 梁式试件 。结果表明，层布式钢纤维-丙烯腈混杂纤维明显提高了混凝土的抗弯拉性能，显著改善了混凝土的延性和弯曲韧性。3. 华南理工大学的郭永昌、黄培彦以及广东工业大学的朱江、刘锋对采用杜拉纤维和钢纤维混杂改性的混凝土梁外贴碳纤维布和玻璃纤维布 (CFSGFS)进行混杂加固抗弯试验，对构件的开裂及发展情况以及构件加固后刚度的变 化进行了对比分析研究试验结果表明，掺入杜拉纤维和钢纤维，可以延缓混凝土构件微小裂缝的出现，控制裂纹扩展，提高混凝土材料的强度，这种混杂纤维混凝土梁在试验过程中表现出比单一纤维混凝土梁更为优良的材料性能采用不同形式的纤维布加固混凝土梁得到的加固效果有较大的不同，按试验方案采用 CFSGFS层间混杂加固纤维混凝土梁是一种有效的加固方法，在保证提高承载力的前提下，既提高了纤维混凝土构件的延性，又可降低加固成本。4.最近大连理工大学、东南大学、清华大学、合肥工业大学、青岛理工大学、河海大学等都将注意点放到了将PVA纤维应用于ECC上配制HPFRCCs，将其应用在需要ECC这种高性能材料的工程中。5.北京工业大学的邓宗才、王现卫通过与 ASTM - C1018 和JSCE- SF4 两种韧性分析方法的比较 ,Nemkumar 等定义了新的纤维混凝土韧性指标。基于这个韧性指标 ,对纤维增强混凝土梁的弯曲韧性进行了研究。实验结果表明:Nemkumar 等定义的韧性指标合理描述了荷载峰值后纤维混凝土能量吸收情况 ,和挠度曲线变化规律符合完好。纤维为巴奇超高分子合成纤维，截面为圆形，它由聚丙烯为主的复合材料加工而成，表面经过微孔处理 (等离子或化学蚀刻)。试验按照美国 ASTM - C1018 规范要求，用三分点加载梁进行试验，梁净跨为 300 mm。试验在清华大学土工实验室的德国电液伺服试验机 (toninorm 2000) 上进行 , 按照恒位移控制方法加载，计算机自动采集数据得到荷载 - 挠度全曲线。 6. 石家庄铁道学院材料科学与工程研究所的华渊、姜稚清以及武汉工业大学北京研究生部的王志宏研究了碳纤维、聚丙烯纤维增强混杂纤维混凝土(C-PHFRC)材料在疲劳荷载作用下的损伤积累和演化规律,建立了相应的疲劳损伤模型,利用该模型对C-P HFRC材料进行了寿命预测,该模型有较高的精度。试验采用碳纤维、聚丙烯纤维配制了6个配合比的混杂纤维增强混凝土试样，每个配合比灌注45个试件,然后进行高频等幅疲劳试验。7.同济大学姚武等研究并讨论了碳纤维一钢纤维混杂对高性能混凝土力学性能的影响。混杂纤维混凝土的抗压、抗拉强度、断裂能和抗弯韧性得到显著提高，其中，韧性指数提高了20%，断裂能提高了21倍。1.2.2 钢-混凝土组合梁在国内外的研究及其应用1. 组合梁在国外的研究状况1901年Sewell为了提高建筑中柱的刚度,在方形钢管柱内填充了混凝土。1904年英国为提高建筑内钢柱的耐火性能，将钢柱埋置在混凝土内。1922年Gillespie.P,H.M.Macking等人在Daminion BridgeCompony进行了2根外包混凝土钢梁试验。1925年Scott.W.B.发表了组合梁强度的试验研究成果。1926年J.Kahn曾获得组合梁结构设计的专利权，到1930年进行了一系列组合梁结构体系的试验研究，建立了组合梁按弹性理论的计算方法。1933年,R.C.Maning等第一次对机械剪力连接的组合梁开展研究,M.Ros通过试验研究，提出剪力连接件的设计计算方法。19351936年,Vollmy进行了螺旋筋剪力连接件组合梁试验。随后即出现了在钢梁与覆盖的混凝土之间加入各类连接件的构造方法。这个时期可以认为是组合梁的创始阶段。1933年Voellmy提出压拉实验的方法。美国的Viest以0.0762mm的残余位移量的荷载作为计算连接件强度的临界值。1940年以后对所有的组合结构的研究均指在钢梁上放置混凝土板,并采用连接件连接的结构。各国陆续将组合梁的相关内容加入了规范。1960年美国组成了AISC-ACI组合梁联合委员会,开展组合梁的研究工作。这个时期可以认为是组合梁的研究起步阶段。从70年代开始,组合梁的应用趋于普及,在交通、建筑等领域有着更为广泛的应用。1971年成立了由欧洲国际混凝土协会(CEB)和欧洲钢结构协会(ECSS)共同组成的组合结构委员会，并于1981年发布了组合结构设计规范。在此规范的基础上，通过修改与补充，1985年，欧洲共同体(CEC)对组合结构的发展与应用进行了较全面的总结，并提出了新的研究方向。这个时期可以认为是组合梁进一步深入研究，推广应用,进一步完善规范的设计方法的阶段。2. 组合梁在国内的发展和研究情况我国从20世纪50年代开始研究并应用组合梁。武汉长江大桥上层公路桥的纵梁就采用了组合梁。沈阳煤矿设计院在1968年把组合梁用于煤矿井塔结构。黑龙江电力设计院也曾多次将组合梁应用于实际生产。交通部1974年颁发的公路桥涵设计规范及1986年颁发的公路桥涵钢结构及木结构设计规范(JTJ025-86)对组合梁的构造与计算做了有关规定。1993年由北京市政设计研究院设计的北京国贸桥的三个主跨采用了连续组合梁结构，这是该结构在国内城市立交桥中首次应用。现在我国己建桥梁采用组合梁结构的有：上海杨浦大桥桥面系结构、芜湖长江大桥(公、铁两用)、京东部分立交桥等。20世纪80年代初,郑州工学院对2根采用槽钢剪力连接件的简支组合梁进行了试验，证明截面变形近似符合平截面假定，并在相继试验中得到了槽钢剪力连接件的破坏形态极限承载力计算公式和极限承载力上限值等。自80年代后期开始,郑州工学院、清华大学等单位对采用栓钉连接件的组合梁进行了试验研究和理论分析，提出了一系列简易计算公式，改进了组合梁的设计。1995年起，清华大学等单位对部分剪力连接组合梁进行了试验研究。1999年起河海大学对部分剪力连接组合梁的滑移性能进行系统的研究。清华大学、东北大学等还相继进行了钢高强混凝土组合梁和钢轻骨料混凝土组合梁的试验研究。3. 组合梁的发展前景及其应用 组合梁结构在我国的建筑和桥梁建筑领域已得到越来越多的应用，并显示了很好的受力性能和很好的综合经济效益将。钢混凝土组合结构越来越广泛地在工程实践中被采用。同时，也随着泵灌技术，高强、高性能、混杂纤维、轻质混凝土的研究与利用，以及预应力组合结构的出现，钢混凝土组合结构即将进入一个新的发展时期。钢-混凝土组合梁现在已经应用于多层工业厂房像1988年开始建设的国家重点建设项目-太原第一热电厂五期工程，高层建筑像北京国际技术培训中心，桥梁结构像北京国贸桥等。 近年来，虽然钢混凝土组合梁在我国建筑和桥梁等领域已经得到越来越多的应用，显示出很好的技术经济效益和社会效益，受到了建设单位和施工单位的青睐，然而，由于部分专业设计人员和主管领导并不算综合效益帐，简单的把组合梁和钢筋混凝土梁相比较。诚然，组合梁的造价比钢筋混凝土梁要高30%40%，但是，组合梁带来的综合效益如结构高度降低，自重减轻，地震作用减少，竖向构件截面尺寸减少，基础造价降低，延性提高，施工费用降低，施工速度加快等是相当可观的。目前我国有规范和规程关于组合梁的的设计条文尚不完善，甚至不合理，我们需要加大对对钢混凝土组合梁的投入，在组合梁领域内进一步促进新型组合梁的开发，克服普通组合梁存在的一些问题，使我国的结构工程向高技术和高质量方向发展。1.3 研究的背景和意义混凝土结构出现至今已有150年左右，真正现代工程意义上的混凝土结构从本世纪初出现，至今也只有100年左右。但以设计基准期推算，现有的很多桥梁、隧道、建筑物以及其他生命线工程等基础结构、设施已达设计使用年限，加之施工质量、地震和战争等多方面的原因，都急需进行加固和修复。同时对于现代化基础设施的建设和发展杂记规模、性能和财政等方面和过去相比有了很大变化，技术要求越来越高。此外，怎样对大量现有的基础设施进行改造和翻新，最大程度利用现有的资源，也是当今世界研究的一个重要焦点。人们预测，如果没有根本性的技术革新和不能充分重视这些问题，几十年后社会将无法负担庞大的基础设施的维修和管理费用。因此，可持续发展的维修、加固、改造、新建技术的开发和研究是21世纪结构工程工作者的最大课题。混凝土结构在我国的国民经济建设中也普遍使用。工业厂房从“一五”时期就开始大量采用;民用建筑从70年代末以来也大量使用。混凝土结构是我国发展速度最快的一种建筑结构形式。改革开放以来，建筑业市场较为混乱，造成建筑工程质量低劣，工程事故屡有发生，已引起人们的重视。.为了保障人们的人身安全，迫切需要对现有不符合国家建筑工程质量要求的建筑结构进行加固处理。加之出于环保和文化等原因，当然主要还有经济原因，也迫切需要对老旧混凝土结构进行修复加固，延长建筑的使用寿命。纤维增强复合材料是一种多相材料，其力学性能与诸多因素有关，如纤维的体积率、分布规律、形状以及界面性质等，此外，材料的细观结构特性对其力学性能也有很大的影响。目前在低弹模合成纤维混凝土的研究方面，一般将合成纤维当作非结构性补强材料。一般而言，高弹模纤维的增强、增韧效果很好，但价格较高；低弹模纤维增强效果较差，增韧效果较好，对耐久性的提高很大。如果通过合理的设计，使钢纤维、碳纤维等高弹模纤维与其它低弹模纤维(如聚丙烯、聚丙烯睛，尼龙等)相混杂，相互取长补短，在不同层次和受荷阶段发挥“正混杂效应”来增强混凝土，从复合材料的观点及改善性能和经济上考虑都是可行的。合成纤维混凝土已经在水利工程、道路、桥梁等土木工程领域应用20余年，积累了大量研究成果和工程经验，各方面的技术已日趋成熟且付之实施。它必将在水利工程领域发挥越来越重要的作用。合成纤维主要用于限止早期收缩裂缝的合成纤维混凝土，其限裂等级不宜低于二级，其检验和评定方法按文中试验方法进行。对硬化混凝土有增韧要求的合成纤维混凝土，应进行弯曲韧性试验，试验方法可参照钢纤维混凝土试验方法的有关规定进行。其韧性指数应满足的要求。对于合成纤维混凝土的抗渗和抗冻融性要求，可根据工程设计确定，且其抗渗性和抗冻融性指标宜通过试验确定，其试验方法应符合有关普通混凝土试验方法标准规定。1.4 本文的研究方法及所做的工作层布式钢纤维混凝土是近年开发出来的一种新纤维混凝土形式，它是将少量钢纤维在混凝土构件上表层、下表层或上下表层均匀撒布。而构件的其余部分仍为素混凝土。层布式钢纤维混凝土中钢纤维的这种掺配方式 不仅提高了混凝土的抗裂性能、抗弯拉强度、抗弯韧性和疲劳性能，而且可节省材料、降低混凝土造价。但层布式钢纤维混凝土的大部分仍为素混凝土，这部分素混凝土的抗裂性能和韧性较差，成了层布式钢纤维混凝土构件的软肋。聚乙烯醇（PVA）纤维有较高的抗拉强度和弹性模量，能有效提高混凝土的抗裂、抗冲击、抗疲劳、抗渗、抗冻和抗碳化等性能。另外，层布式钢纤维混凝土钢纤维的几种撒布方式中经济性最高，增强效果又比较突出的是在混凝土下表层撒布钢纤维。因此，可以考虑在底层层布钢纤维混凝土中混掺 PVA 纤维来改善混凝土的韧性，目前，关于层布式钢纤维混凝土梁、层布式钢纤维与聚丙烯腈等其他纤维混杂混凝土梁的抗弯韧性研究报道较多，但层布钢纤维与 PVA 混掺纤维混凝土梁抗弯韧性研究未见报道。邓宗才等人研究了不同长径比、外形的钢纤维与不同掺量 PVA 纤维对混凝土梁抗弯韧性的影响，用不同的方法计算了抗弯韧性指标并进行了比较。本文通过对不同实验以及已有的研究成果进行了详细的介绍，通过对不同的试验方法的比较分析得出混杂纤维提高混凝土组合梁特性的结论。- 70 -山东科技大学工程硕士学位论文 混杂纤维提高混凝土梁以及组合梁特性的成果分析2 混杂纤维提高混凝土梁以及组合梁特性的成果分析本章介绍了混杂纤维在提高混凝土特性方面的研究分析，混杂纤维由于混杂效应提高了混凝土的抗弯拉效应、承载力、刚度，并能减缓混凝土裂缝的产生，通过对已有的研究成果的分析，证明了混杂纤维混凝土这些特性。最后我们将混杂纤维混凝土应用于组合梁中，从而提高组合梁的特性。2.1 混杂纤维提高混凝土的抗弯韧性的研究 钢纤维具有很好的增韧作用，而混掺在钢纤维混凝土中的PVA纤维可以与钢纤维产生很好的协同作用，增韧效果更加明显，混凝土的抗弯韧性得到较大提高，并且纤维不同的长径比以及掺配率对混凝土的抗弯韧性有不同的提高，这一结论从层布式钢纤维与混掺PVA纤维混凝土梁的抗弯韧性试验研究中我们可以得到。 该试验是由北京工业大学的邓宗才、曾洪超等人所做，通过层布式钢纤维与聚乙烯醇PVA 混掺纤维混凝土梁三分点加载试验，研究了不同长径比、外形的钢纤维与不同PVA 纤维掺量对混凝土梁抗弯韧性的影响。1.纤维材性以及混凝土的配合PVA 纤维：罗洋科技有限公司提供，所用钢纤维是由赣州某公司提供的浪形圆丝钢纤维和 LSF 波纹形钢纤维，纤维材性见表2.1表2.1 纤维材性Table2.1 The propertities of fabric material纤维种类纤维直径/mm纤维长度/mm密度（kg/cm3）抗拉强度/MPa弹性模量/GPa PVA 纤维0.028151.1140030浪型圆丝钢纤维0.60.930507.87001150200LSF波纹型钢纤维0.9507.8750200混凝土的配合比为：水172kg/m，水泥400kg/m，细骨料640kg/m，粗骨料1188kg/m，减水剂3kg/m，水泥为PO42.5级普通硅酸盐水泥。纤维掺量见表2.2，其中C代表素混凝土试件，S代表层布式浪形圆丝钢纤维与PVA混掺纤维混凝土试件，PLS代表层布式LSF波纹形钢纤维与PVA混掺纤维混凝土试件。表2.2 纤维掺量Table2.2 the amount of fabric试件类型PVA纤维掺量/（kg/m）钢纤维掺配率/%质量/（kg/m）长径比C000-S101.523.450S201.523.455.6PS11.01.523.455.6PS21.31.523.455.6PLS1.31.523.455.62.试件的制作首先加入全部石子、砂和70%的水搅拌15s，然后加全部水泥和PVA纤维搅拌30s，再加余下的水搅拌1min，最后卸料并人工拌和几次。在 100mm100mm400mm钢模中铺 12cm 厚的混凝土，用抹子抹平后人工均匀撒布一层钢纤维，然后加入混凝土，用振捣棒插入振捣至出浆（振捣过程中尽量不碰到钢纤维），最后收浆、抹平。试件浇筑24h后脱模编号，在标准养护室中养28d，试验前3h从养护室取出并晾干。该抗弯试验是在清华大学实验室的德国电液伺服试验机上进行，层布式钢纤维混凝土梁抹面朝上，按照恒位移控制方法加载，计算机自动采集数据。3.试验所采用的方法各梁的荷载-挠度全曲线见图2.1所示。由图2.1可以看出，由于层布了钢纤维并混掺了 PVA 纤维，混凝土梁的荷载-挠度曲线下降段变得平缓。另外，荷载-挠度曲线的下降段出现了上下振荡的情况。这是因为在加载过程中，当试件表面出现一条微细裂缝，荷载就会有所降低， 曲线向上爬升的次数近似反映了试件表面的裂缝条数，荷载下降的大小近似反映了裂缝的瞬间非稳定扩展程度。从曲线的上下振荡情况可以近似了解试件上微裂缝的产生与扩展程度， 进而可以近似反映出钢纤维和PVA纤维阻裂作用的大小。此阶段越平稳，荷载的波动越小， 表明裂缝的形成与扩展越稳定，形成的微裂缝的宽度越小，纤维对混凝土裂缝的约束作用越强。图2.1 各混凝土梁的荷载挠度曲线Fig2.1 The concrete elements of the loading curve