喬 治 潘鉆峰 梁堅凝 孟少平

(1東南大學(xué)土木工程學(xué)院, 南京 210096)(2同濟(jì)大學(xué)土木工程學(xué)院, 上海 200092)(3香港科技大學(xué)土木工程學(xué)院,香港)

ECC/RC組合梁受彎性能試驗研究與分析

喬 治1潘鉆峰2梁堅凝3孟少平1

(1東南大學(xué)土木工程學(xué)院, 南京 210096)(2同濟(jì)大學(xué)土木工程學(xué)院, 上海 200092)(3香港科技大學(xué)土木工程學(xué)院,香港)

工程用水泥基復(fù)合材料(ECC)具有超高的韌性與優(yōu)異的裂縫控制能力,提出采用ECC制作U型永久性模板,與混凝土形成外包式ECC/RC組合梁,以提高構(gòu)件的力學(xué)性能和耐久性能．給出了ECC/RC組合梁受彎非線性分析方法,并開展了3種不同界面處理方式的ECC/RC組合梁的彎曲性能試驗研究．結(jié)果表明,相比RC梁,ECC/RC組合梁的承載力和延性均有所提高;當(dāng)荷載低于極限承載力的80%時,組合梁的最大裂縫寬度小于100 μm;不同的界面處理對組合梁的極限承載力影響較小,但對延性系數(shù)有影響．試驗結(jié)果驗證了組合梁受彎非線性分析方法的正確性．基于ACI規(guī)范所采用的有效慣性矩法,提出了ECC/RC組合梁正常使用極限狀態(tài)下?lián)隙鹊暮喕嬎惴椒?得到基于內(nèi)力平衡的組合梁完全開裂截面的慣性矩公式,利用該簡化方法計算得到的預(yù)測值與試驗值吻合較好．

工程用水泥基復(fù)合材料;組合梁;界面處理;裂縫寬度;延性;撓度

混凝土材料存在抗拉強(qiáng)度低、韌性差、開裂后裂縫寬度難以控制等缺點,使得混凝土在橋梁、海港碼頭、大壩等處于惡劣環(huán)境結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用面臨嚴(yán)峻的耐久性問題．工程用水泥基復(fù)合材料(ECC)是一種具有高延性、高韌性和多縫開裂特征的纖維增強(qiáng)水泥基復(fù)合材料,纖維摻量在不大于2%的情況下,就可以達(dá)到2.0%以上的極限拉應(yīng)變,拉伸過程中形成許多寬度小于100 μm的細(xì)裂縫,這種多縫開裂導(dǎo)致了該材料的拉伸應(yīng)變硬化行為[1-2]．

基于ECC超高的拉伸韌性和優(yōu)異的裂縫分散能力,將ECC材料替代混凝土應(yīng)用于結(jié)構(gòu)與構(gòu)件中,將會使結(jié)構(gòu)或構(gòu)件在承載力和耐久性方面得到顯著的改善[3-7]．為了進(jìn)一步降低結(jié)構(gòu)成本,更加合理地應(yīng)用ECC材料,Maalej等[8]提出使用ECC替換受拉區(qū)鋼筋兩側(cè)各一倍保護(hù)層厚度范圍內(nèi)的混凝土,對一根ECC/RC組合梁進(jìn)行了初步探究．試驗結(jié)果證明ECC可以有效地控制構(gòu)件的裂縫寬度,提升組合梁的耐久性．隨后許多學(xué)者對ECC/RC組合梁展開了很多研究．Xu等[9]開展了超高韌性復(fù)合材料控裂功能梯度復(fù)合梁的試驗研究,結(jié)果表明采用 ECC替代受拉區(qū)混凝土可以顯著提高梁的抗彎承載力和延性,復(fù)合梁在鋼筋屈服前可使裂縫寬度保持在0.05 mm范圍以內(nèi)．Yuan等[10]對配有BFRP筋的ECC梁和ECC/RC組合梁進(jìn)行了彎曲試驗研究,表明ECC材料的應(yīng)用可提高梁的承載力以及延性,有效減少梁中筋材用量．Leung等[11-12]采用ECC作為梁底模板,開展受彎試驗,表明ECC是制作混凝土模板的理想選擇之一．

目前所研究的ECC/RC組合梁中,ECC和混凝土大多是在同一時段先后澆筑的,后期一起硬化成型,界面黏結(jié)性能容易得到保證．而在實際結(jié)構(gòu)應(yīng)用中,ECC更適合在工廠預(yù)制成模板,一定齡期后運送到現(xiàn)場進(jìn)一步澆筑混凝土．因此本文采用ECC制作U型永久性模板,模板成型14 d后與混凝土材料形成組合梁,提出了ECC/RC組合梁受彎非線性分析方法,設(shè)計了3種不同界面處理方式的ECC/RC組合梁,并開展受彎性能試驗,研究ECC/RC組合梁在不同黏結(jié)性能下的破壞形態(tài)、裂縫開展、承載力及延性等力學(xué)性能．基于ACI規(guī)范所采用的有效慣性矩法,提出了ECC/RC組合梁正常使用極限狀態(tài)下?lián)隙鹊暮喕嬎惴椒?并通過試驗數(shù)據(jù)驗證其合理性．

1 ECC/RC組合梁受彎性能非線性分析

1.1 受彎性能分析的基本假定

本文對ECC/RC組合梁受彎全過程分析時有如下基本假定:

1) 平截面假定.

2) 不考慮ECC與混凝土之間、水泥基材與鋼筋之間的相對滑移．

1.2 材料本構(gòu)關(guān)系

1.2.1 ECC的拉壓本構(gòu)模型

ECC材料在單軸受拉和單軸受壓情況下的應(yīng)力-應(yīng)變曲線用圖1給出的雙線性模型來描述．ECC材料的拉應(yīng)力σt-ECC和壓應(yīng)力σc-ECC分別表示為

(1)

(2)

式中，εt和εc分別為材料的拉應(yīng)變和壓應(yīng)變；σtc和εtc為ECC的初裂應(yīng)力和初裂應(yīng)變；σtu和εtu為ECC的極限抗拉強(qiáng)度和極限拉應(yīng)變；σcc和εcc為ECC的壓縮彈性極限應(yīng)力和對應(yīng)的極限應(yīng)變；σcu和εcu為ECC的峰值壓應(yīng)力和峰值壓應(yīng)變.

(a) 單軸拉伸應(yīng)力-應(yīng)變曲線

(b) 單軸壓縮應(yīng)力-應(yīng)變曲線

Maalej等[13]建議σcc=2σcu/3且εcc=εcu/3．ECC材料的初裂應(yīng)力σtc一般約為2～5 MPa,極限抗拉強(qiáng)力σtu通常為σtc的1.2～1.5倍．

為進(jìn)一步降低ECC應(yīng)用成本,可采用國產(chǎn)PVA纖維代替部分日產(chǎn)PVA纖維來配置混雜PVA-ECC[14],其配合比列于表1.通過四點彎曲和單軸壓縮試驗研究混雜PVA-ECC的基本力學(xué)性能,其中ECC的拉伸性能可根據(jù)四點彎曲試驗結(jié)果推導(dǎo)得出[14-15],其單軸受拉和受壓本構(gòu)關(guān)系參數(shù)見表2．

表1 PVA-ECC配合比 kg/m3

表2 ECC單軸拉壓本構(gòu)模型參數(shù)

1.2.2 混凝土拉壓本構(gòu)模型

為了簡化計算,假定混凝土在單軸受拉狀態(tài)下開裂后就退出工作,其單軸受壓本構(gòu)關(guān)系采用Hognestad模型[16],如圖2所示,在任意時刻混凝土材料的拉應(yīng)力σt-con和壓應(yīng)力σc-con分別表示為

(3)

(4)

式中,ft和εt0分別為混凝土的初裂應(yīng)力和初裂應(yīng)變；fc和ε0為混凝土的峰值壓應(yīng)力和峰值壓應(yīng)變；εu為混凝土的極限壓應(yīng)變.

圖2 混凝土受壓應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系

1.2.3 鋼筋的本構(gòu)模型

鋼筋的應(yīng)力-應(yīng)變曲線假定為理想彈塑性模型,其表達(dá)式如下:

(5)

式中,σs和εs分別為鋼筋的應(yīng)力和應(yīng)變；Es為鋼筋的彈性模量；fy為鋼筋的屈服強(qiáng)度；εy為屈服應(yīng)變；εs，h為極限拉伸應(yīng)變.

1.3 非線性分析方法

根據(jù)上述各材料本構(gòu)關(guān)系,可對ECC/RC組合梁進(jìn)行受彎性能非線性分析,具體方法如下:假定截面受壓邊緣處的應(yīng)變值為εcmax,將跨中截面沿高度方向分成n個條帶,根據(jù)平截面假定可以得到第i條帶混凝土、受拉鋼筋和ECC的應(yīng)變關(guān)系式．確定每個單元的應(yīng)變后,根據(jù)假設(shè)的各種材料本構(gòu)關(guān)系分別計算出各個單元的應(yīng)力,結(jié)合截面的內(nèi)力平衡方程,進(jìn)行迭代求解出截面上各單元的應(yīng)力值和應(yīng)變值,進(jìn)而計算出該截面的曲率和彎矩．逐級增加εcmax,并重復(fù)以上步驟,直至εcmax達(dá)到混凝土的極限壓應(yīng)變εu．文獻(xiàn)[13-14]建議四點彎曲加載模式下梁跨中撓度可以用材料力學(xué)的方法近似計算,其公式為

(6)

式中,Δ為跨中撓度;φ為截面曲率;l為梁的計算跨度．采用條帶法計算截面彎矩-跨中撓度關(guān)系時,需借助計算機(jī)編程軟件進(jìn)行反復(fù)迭代計算．本文采用Matlab軟件編制相應(yīng)的程序來計算ECC/RC組合梁的彎矩-跨中撓度曲線,并實時監(jiān)測受拉區(qū)鋼筋拉應(yīng)變及εcmax的值,以提取出屈服荷載、屈服撓度、極限荷載、極限撓度等特征點．

2 試驗概況

2.1 試驗材料

本試驗采用的水泥基材是強(qiáng)度等級為C40的普通混凝土和混雜PVA-ECC,ECC的配合比和材料力學(xué)性能見表1和表2．在澆筑混凝土?xí)r分別制作3個邊長為100 mm的立方體試塊和3個100 mm×100 mm×300 mm的棱柱體試塊,與構(gòu)件同條件養(yǎng)護(hù),實測的混凝土軸心抗壓強(qiáng)度fc為51.8 MPa,彈性模量Ec為41.9 GPa．試件所用鋼筋的力學(xué)性能實測結(jié)果如表3所示．

表3 鋼筋的力學(xué)性能

2.2 試驗設(shè)計

本試驗共設(shè)計了3組ECC/RC組合梁和1組RC對比梁,每組2個試件,梁截面尺寸均為120 mm×150 mm,ECC模板側(cè)板厚度為20 mm,底板厚度為30 mm,如圖3所示．試驗梁長1.5 m,計算長度1.2 m,縱筋和箍筋均采用HRB400級鋼筋,為使試件最終產(chǎn)生彎曲破壞,剪跨比設(shè)計為2.67,且在梁的剪跨區(qū)配置足夠的箍筋,各試件詳細(xì)參數(shù)見表4．試驗梁的配筋形式與配筋量均相同,其中3組組合梁的不同之處在于ECC與混凝土的界面處理方式不同,分別為不處理、放置粗砂和橫向凹槽,如圖4所示．

表4 試驗梁主要參數(shù)

圖3 試驗梁截面尺寸與配筋圖(單位:mm)

圖4 ECC/RC組合梁界面處理形式

2.3 試件澆筑

試件澆筑的過程分為2步: ① 澆筑U型ECC模板;② 在ECC模板內(nèi)澆筑混凝土．制作U型ECC模板時,需對底板做3種內(nèi)表面處理：① 不處理表面，只需抹平即可；② 粗砂處理表面，需在抹平后初凝前將平均直徑為2 mm的粗砂均勻地鋪在底板上并輕輕按壓；③ 橫向凹槽處理，將預(yù)先做好的釘有小木條的木板壓在新澆的底板表面上,初凝后將木板移除,至此澆筑的第一步完成．底板養(yǎng)護(hù)14 d后,將U型模板內(nèi)的浮灰清除干凈,并將內(nèi)表面用水打濕,將已綁扎好的鋼筋籠放置在U型模板內(nèi),固定好位置,然后澆筑混凝土,并進(jìn)行振搗密實．

2.4 試驗加載方案與測點布置

試驗裝置及測點布置如圖5所示．本試驗在25 t液壓伺服作動器上完成,試驗加載開始時由荷載控制,加載至0.5 kN后持載100 s,然后繼續(xù)加載,且加載由位移控制,速率為0.5 mm/min,當(dāng)荷載下降至最大荷載的80%時停止試驗．采用5個LVDT分別測量梁跨中、2個加載點與支座處的變形,在梁的純彎段的每根受拉縱向鋼筋上均粘貼2個鋼筋應(yīng)變片．在加載過程中時刻注意裂縫的開展情況,并使用150倍裂縫觀測儀記錄裂縫寬度的變化．

圖5 試驗裝置及測點布置圖(單位:mm)

3 試驗結(jié)果分析

3.1 破壞模式

ECC/RC組合梁均發(fā)生了延性較好的彎曲破壞,多縫開裂的現(xiàn)象較為明顯,在達(dá)到峰值荷載前,梁頂及梁兩端面的ECC模板與混凝土界面處均未發(fā)現(xiàn)脫黏裂縫,即沒有發(fā)生黏結(jié)破壞,這是由于采用U型ECC模板,增加了模板與混凝土的接觸面積,界面即使未做處理,仍能保證足夠的黏結(jié)承載力．由于試驗梁中縱筋配筋率較高,使得RC對比梁的受彎承載力和受剪承載力較為接近,在剪跨區(qū)出現(xiàn)了較為明顯的斜裂縫,破壞模式為彎剪破壞,而ECC/RC組合梁則未出現(xiàn)寬度較大的斜裂縫,表明ECC可有效提高梁的受剪承載力,減少箍筋用量．由于ECC優(yōu)異的壓縮韌性,受壓區(qū)ECC在組合梁破壞時均未發(fā)生剝落現(xiàn)象．

3.2 荷載-跨中撓度曲線

8根試驗梁的計算與實測的荷載-跨中撓度曲線如圖6所示．由圖可知,ECC/RC組合梁荷載-跨中撓度曲線的上升段與屈服后平穩(wěn)段的計算值和實測值吻合較好,由于ECC材料沒有考慮下降段,因此荷載位移曲線的下降段并沒有預(yù)測．ECC/RC組合梁的荷載-跨中撓度曲線與RC梁較為類似,開裂前,試驗梁均處于彈性狀態(tài),荷載與位移成線性關(guān)系;開裂后,梁的剛度有所下降,曲線呈現(xiàn)出非線性特性;梁屈服后經(jīng)歷一個曲線平緩段后發(fā)生破壞,表現(xiàn)出了良好的延性．盡管ECC的彈性模量較小(20.1 GPa),約為普通混凝土的1/2,但開裂后組合梁的剛度僅略小于RC梁,這是因為ECC開裂后仍然能夠承擔(dān)荷載,并能約束混凝土的裂縫開展,間接提高了組合梁的剛度．RC梁屈服后,荷載位移曲線較為平穩(wěn),而組合梁的屈服段呈現(xiàn)一定程度的軟化趨勢,這表明與ECC拉伸應(yīng)變硬化特性相比,ECC與混凝土的脫黏在組合梁屈服后對承載力的影響更大些．組合梁的極限承載力均達(dá)到甚至超過了理論計算值,說明組合梁盡管屈服后發(fā)生了不同程度的脫黏,但并沒有發(fā)生脫黏破壞,最終都是受壓區(qū)混凝土壓碎而導(dǎo)致的彎曲破壞．組合梁的下降段更為緩慢,這是由于ECC具有良好的壓縮韌性,即使在很大的壓應(yīng)變下ECC仍然具有一定的殘余強(qiáng)度．

圖6 試驗梁荷載-跨中撓度曲線

3.3 承載力與延性分析

實測的8根梁的特征荷載和特征位移如表5所示,Vy為屈服荷載,Δy為屈服跨中撓度,Vpeak為峰值荷載,Δpeak為峰值跨中撓度,Δu為試件所加荷載下降至峰值荷載的80%時對應(yīng)的極限跨中撓度．本文采用位移延性系數(shù)μ來評價受彎梁的延性,即

μ= (7)

由表5可知,ECC/RC組合梁的屈服荷載和峰值荷載較RC梁分別提高了約14.0%和14.1%,這得益于ECC材料在開裂后的應(yīng)變硬化特性．組合梁相較RC梁,承載力提高的幅度并不大,這是由于試驗用混凝土的實際軸心抗壓強(qiáng)度大于ECC;此外試驗梁的縱筋率偏大,沒有充分發(fā)揮ECC的開裂后抗拉強(qiáng)度．不同的界面處理對組合梁的承載力影響較小,但對延性系數(shù)影響較大．帶有橫向凹槽的組合梁表現(xiàn)出了最好的延性,而界面未處理的組合梁與RC梁的延性系數(shù)基本一致,說明ECC與混凝土之間良好的黏結(jié)可以有效地增加構(gòu)件的延性．

3.4 裂縫分析

RC梁在純彎段內(nèi)出現(xiàn)首條彎曲裂縫,之后隨著荷載的增加,新裂縫不斷出現(xiàn),梁屈服后,彎曲裂縫條數(shù)基本不變,而裂縫寬度快速增長,直至受壓區(qū)混凝土壓碎發(fā)生破壞．不同于RC梁,ECC/RC組合梁的彎曲裂縫發(fā)展貫穿于整個試驗過程,即使在組合梁屈服后,裂縫條數(shù)仍繼續(xù)增長,裂縫寬度增長緩慢,直到主裂縫出現(xiàn)為止．試驗梁在破壞時的裂縫分布如圖7所示．與RC梁相比,不同界面處理的ECC/RC組合梁均可將混凝土的單一裂縫逐漸擴(kuò)散為多條細(xì)密裂縫,這主要是由于ECC開裂后并不退出工作,而是與鋼筋一起繼續(xù)承擔(dān)拉力,ECC中PVA纖維的橋接作用形成了大量細(xì)密裂縫．

(a) N-1

(b) N-2

(c) S-1

(d) S-2

(e) T-1

(f) T-2

(g) RC-1

(h) RC-2

裂縫寬度隨標(biāo)準(zhǔn)化荷載的變化規(guī)律見圖8,圖中標(biāo)準(zhǔn)化荷載為所加荷載與峰值荷載的比值．由圖8可以看出,ECC/RC組合梁在達(dá)到各自峰值荷載的80%之前,裂縫寬度均小于100 μm．開裂混凝土的滲透性是裂縫寬度的三次冪[17],裂縫寬度小于100 μm時,可認(rèn)為混凝土滲透性和未開裂混凝土基本一致[18]．一般而言,結(jié)構(gòu)總是在正常使用狀態(tài)下工作,正常使用狀態(tài)的最大荷載一般為極限荷載的50%～70%．一般鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)處于高腐蝕環(huán)境(三類環(huán)境)中,允許的最大裂縫寬度為0.2 mm[19]．由此可見,U型ECC模板可以有效地提高梁的耐久性．

圖8 裂縫寬度與標(biāo)準(zhǔn)化荷載的關(guān)系曲線

4 正常使用極限狀態(tài)下ECC/RC組合梁剛度計算方法

對于均勻彈性梁,彎曲剛度在各截面保持不變,可由虛功原理求出其撓度,但對于ECC/RC組合梁,正常使用狀態(tài)下都是帶裂縫工作的,裂縫的出現(xiàn)會導(dǎo)致截面彎曲剛度的減小.在四點彎曲加載模式下,ECC/RC組合梁的跨中撓度可根據(jù)彈性理論計算如下:

(8)

式中,Δpser為正常使用極限狀態(tài)下的跨中撓度計算值;Ma為純彎段截面彎矩;Ie為截面有效慣性矩,它可以根據(jù) ACI規(guī)范[20]建議的下式計算得到:

(9)

式中,Ig為構(gòu)件開裂前的毛截面慣性矩;Icr為構(gòu)件完全開裂時的截面慣性矩;Mcr為截面彎曲開裂彎矩．

為了簡化計算,這里采用2個假定:將ECC拉伸開裂后的硬化剛度取為0,忽略受拉區(qū)ECC對截面慣性矩的貢獻(xiàn);可將ECC/RC組合梁截面簡化為一個ECC梁和RC梁,如圖9所示．由于組合梁底部ECC層的厚度一般滿足最小保護(hù)層厚度要求且能夠包裹住鋼筋即可,相比截面高度,ECC層厚度較小,簡化的RC梁下部ECC層可被忽略．由此,組合梁的Ig和Icr可分別表示為

(10)

(11)

圖9 簡化的ECC/RC組合梁計算截面

組合梁截面彎曲開裂彎矩Mcr可按照彈性理論近似計算如下[20]:

(12)

式中,yt為為受拉外邊緣到截面中和軸的距離;fr為混凝土的彎拉強(qiáng)度,fr=0.62fc0.5．

受壓區(qū)高度c可根據(jù)截面內(nèi)力平衡求出．Ashour[21]進(jìn)行的RC梁的彎曲試驗表明,從開裂到縱筋屈服,截面中和軸高度基本保持不變,可將屈服時刻梁的慣性矩認(rèn)為是完全開裂截面慣性矩．對于ECC/RC組合梁,完全開裂截面慣性矩Icr也可取為在梁屈服時刻的截面慣性矩．若進(jìn)一步假定正常使用狀態(tài)下,受壓區(qū)ECC和混凝土的壓應(yīng)力均為線性分布,組合梁受壓區(qū)高度c可通過以下方程獲得:

εsyEsAs+b1(h-c)σtc

(13)

基于平截面假定,截面應(yīng)變分布應(yīng)該符合以下關(guān)系:

(14)

(15)

將式(14)和 (15)代入式(13),即可求出組合梁屈服時受壓區(qū)高度c．

通過已進(jìn)行的ECC/RC組合梁四點彎曲試驗數(shù)據(jù)驗證本文提出的彎曲變形簡化計算方法．Rashid等[22]認(rèn)為構(gòu)件正常使用狀態(tài)下最大荷載約為試驗測得最大荷載的0.6倍．基于前文彎曲變形計算方法,即式(8)～(12),可計算得到正常使用極限荷載及屈服荷載時的撓度值,理論預(yù)測值與試驗實測值均匯總于表6中．由表可知,相應(yīng)的撓度計算值Δpser和Δpy均與實測值符合很好,Δpser/Δser的均值與變異系數(shù)為1.05 和0.12,而Δpy/Δy的均值與變異系數(shù)分別為1.04和0.14,與實測值基本一致．因此,基于本文所提出的基于內(nèi)力平衡的中和軸高度以及完全開裂截面慣性矩Icr的理論計算方法,可以較好地預(yù)測ECC/RC組合梁正常使用極限狀態(tài)下的撓度,從而為ECC/RC組合梁正常使用階段的結(jié)構(gòu)設(shè)計提供可靠依據(jù)．

表6 ECC/RC組合梁跨中撓度實測值與預(yù)測值

注：Vser為組合梁正常使用極限荷載的實測值;Δser為組合梁正常使用極限荷載下的撓度實測值;Δpy為組合梁屈服時刻撓度的預(yù)測值．

5 結(jié)論

1) 采用平截面假定和簡化的材料本構(gòu)關(guān)系,運用條分法,建立內(nèi)力平衡方程,可計算得到ECC/RC組合梁的非線性受力過程,并與組合梁的試驗結(jié)果進(jìn)行了比較,驗證了此方法的準(zhǔn)確性．

2) ECC/RC組合梁均發(fā)生了延性較好的彎曲破壞,多縫開裂現(xiàn)象較為明顯,在達(dá)到峰值荷載前均未發(fā)生黏結(jié)破壞,說明采用U型ECC模板可增大界面接觸面積,有助于提高ECC與混凝土之間的黏結(jié)力．

3) ECC/RC組合梁的荷載-跨中撓度曲線與RC梁較為類似,但是組合梁在屈服后呈現(xiàn)出一定程度的軟化現(xiàn)象,這表明與ECC的拉伸應(yīng)變硬化特性相比,ECC與混凝土界面的脫黏效應(yīng)在組合梁屈服后對承載力的影響更大．

4) ECC/RC組合梁在達(dá)到各自峰值荷載的80%之前,裂縫寬度均小于100 μm．結(jié)構(gòu)在正常使用階段的荷載一般為極限荷載的50%～70%,因此,U型ECC模板可以有效地提高梁的耐久性．

5) 本文提出了ECC/RC組合梁正常使用極限狀態(tài)下?lián)隙鹊暮喕嬎惴椒?得到基于內(nèi)力平衡的組合梁完全開裂截面的慣性矩公式,利用該簡化方法計算得到的預(yù)測值與試驗值吻合較好．

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Experimental study and analysis of flexural behavior >of ECC/RC composite beams

Qiao Zhi1Pan Zuanfeng2Leung C K Y3Meng Shaoping1

(1Shool of Civil Engineering, Southeast University, Nanjing 210096, China) (2School of Civil Engineering, Tongji University, Shanghai 200092, China) (3School of Civil Engineering, Hong Kong University of Science and Technology, Hong Kong, China)

Engineered cementitious composite (ECC) has ultra-high toughness and excellent crack controlling ability. A type of ECC/RC(reinforced concrete) composite beam constructed with the U-shape permanent formwork made by ECC is proposed, in order to improve the durability and mechanical performance. A full-range nonlinear analysis method for flexural behavior of ECC/RC composite beam is presented, and three interface treatments of composite beam are designed to study the flexural behavior. Results indicate that, compared with RC beam, both the load bearing capacity and ductility of composite beam are increased. Furthermore, the crack width of composite beam is less than 100 μm when the applied load is lower than 80% of the peak load. The interface treatments in ECC/RC composite beams have little effect on the flexural strength, but they affect the member ductility to a certain extent. The calculated load-displacement curves by the proposed method are shown to be consistent with the test data. Based on the method of effective moment of inertia suggested by ACI code, a simplified calculation method of deflection for ECC/RC composite beam at the serviceability limit state is proposed, and the equations for the inertia moment of the full cracked section based on the internal force equilibrium are also obtained. The predicted deflection based on the proposed simplified calculation method shows good consistence with the experimental results.

engineered cementitious composite (ECC); composite beam; surface treatment; crack width; ductility; deflection

10.3969/j.issn.1001-0505.2017.04.016

2016-12-15. 作者簡介: 喬治(1989—),男,博士生;潘鉆峰(聯(lián)系人),男,博士,助理教授,zfpan@#edu.cn.

國家自然科學(xué)基金青年基金資助項目(51208093)、國家自然科學(xué)基金委員會-國際交流資助項目(5141101015)、教育部博士點基金資助項目(20120092120021).

喬治,潘鉆峰,梁堅凝,等.ECC/RC組合梁受彎性能試驗研究與分析[J].東南大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版),2017,47(4):724-731.

10.3969/j.issn.1001-0505.2017.04.016.

TU375.1, TU528.58

A

1001-0505(2017)04-0724-08