原始研究的文章

前面。板牙。,10 January 2023
秒。结构材料
卷9 - 2022 | https://doi.org/10.3389/fmats.2022.1088554

混杂纤维的影响——钢筋高强混凝土梁的剪切行为

艾哈迈德·阿瓦德 ¹

法师陶菲克 ²

答:Deifalla ³*

马哈茂德艾哈迈德 ⁴*

Mohanad Muayad萨萨 ⁵

Amr El-said ²

¹10月大学工学院现代科学和艺术,埃及吉萨金字塔
²土木工程学系研究所工程越高,El Shrouk埃及开罗
³结构工程和施工管理部门,未来大学的工程,埃及开罗
⁴工程技术大学土木工程系白沙瓦(本努校园),本努巴基斯坦
⁵彼得大帝圣彼得堡理工大学,圣彼得堡,俄罗斯

混凝土梁的剪切行为是高度受混凝土实现更好的性能的影响。混合纤维混凝土混合料之外已证明提高性能而只使用单一类型的纤维。因此,在当前的研究中,hybrid-fiber-reinforced-high-strength-concrete梁的剪切行为实验研究。此外,span-to-depth比率的影响和横向配筋率检查。结果表明,当.45%水泥的重量被替换为聚丙烯纤维和7%的水泥重量是钢纤维取代,梁的剪切强度提高18%相比,控制梁。裂缝的形成和发展也更好的控制。hybrid-polypropylene-steel-fibers-high-strength-concrete光束被观察到的行为与传统的混凝土的抗剪强度增加和减少跨深比或横向加固率的增加。非线性数值模型开发和使用实验结果进行验证。使用ACI梁的抗剪能力计算,与实验和数值结果。ACI的计算是保守相比与实验或数值结果。 The coefficient of variance between the ACI and experimental shear capacity results was 4.8%, while it was 9.2% between the ACI and numerical shear capacity results.

1介绍

钢筋混凝土(RC)进化与如此多的进步(一个持续的过程Ahmad et al ., 2022;艾哈迈德et al ., 2022;阿里et al ., 2022;阿什拉夫et al ., 2022;Ghareeb et al ., 2022;黄et al ., 2022;汗et al ., 2022;李et al ., 2022;穆罕默德et al ., 2022;沈et al ., 2022;邹et al ., 2023 a;邹et al ., 2023 b)。高强度混凝土(HSC),尤其是与fiber-RC (FRC)是一种多功能的混凝土混合物相比性能优越的普通RC无纤维强化复合材料(Deifalla, 2021;Deifalla et al ., 2021)。高的水泥需求HSC的生产导致了消费的资源和环境问题(Juenger et al ., 2019;Naqi张成泽,2019)。研究人员转向单一或混合纤维添加到混凝土混合物代替水泥限制环境破坏。另外这些纤维增强混凝土的意义的行为抵制拉伸应力和减少裂缝的形成和传播。早期的研究结果表明,利用混合纤维增强混凝土强度和耐久性以及最小化裂缝相比,使用单一类型的纤维(黄平君费林,2017;李et al ., 2018;Zhang et al ., 2018;阿里et al ., 2020;Sivakumar et al ., 2020;钟et al ., 2020;陶菲克et al ., 2022)。陶菲克et al。(2022)发现只使用混合纤维而不是一种纤维增强复合材料的强度抗压,弯曲,和拉应力的50%,46%,和53%,分别。这力量是改善由于混合纤维的掺入不同的特点,而停止发展的各级多尺度裂纹形成的压力。当纳入胶结材料,和这样一个大杨氏模量纤维增强混凝土的压缩行为通过抑制宏观裂缝的发展在高压力水平。此外,纤维与最小杨氏模量来大幅提高混凝土抗压行为限制微裂缝的形成小的压力。

之前的研究证明了钢筋混凝土梁的剪切行为大大丰富由于钢纤维夹杂物。Yavaşet al。(2019)得出的结论是,使用不同体积含量(1.5%,1%,和.5%)钢纤维、不同长度(6毫米,13毫米,30毫米,60毫米)钢纤维,和几个形状(直,双钩,钩)钢纤维。这些添加的抗剪强度增强超高强度FRC (UHSFRC)梁比控制光束。此外,连续使用1.5%钢纤维部分替代水泥和13毫米的长度影响的最佳UHSFRC梁的抗剪强度和开裂模式。类似的结果产生的Lim和香港(2017),他发现,添加钢纤维的体积含量为1.5%到UHSFRC梁导致抗剪强度大幅提高。抗剪钢筋此外改善混凝土梁的延性。根据先前的研究,可以用来代替横向钢筋钢纤维混凝土梁而保持延性和抗剪强度,甚至更好地执行。Tahenni et al。(2016)探索,没有横向钢筋高强混凝土梁和钢纤维的体积含量高达3%的剪切行为显示略好于高强度混凝土梁横向钢筋和钢纤维。FRC梁显示改进的剪切强度和相对最小的斜裂缝,尤其是钢纤维体积含量从1%降至3%。同时,托雷斯和Lantsoght (2019)透露,ACI318所需的最小横向钢筋钢纤维可以更换的数量的1.2%,而所需要的最小横向钢筋Eurocode两个可以取代了钢纤维在.6%的数量。

尽管聚丙烯纤维混凝土的使用没有提供抵抗剪切应力钢纤维,这是证明有可能略有改善的行为混凝土梁的开裂荷载,裂纹桥接,剪切能力。杨et al。(2021)表明聚丙烯纤维的加入可以进一步增强混凝土梁的抗剪强度17%相比,钢筋混泥土梁没有纤维。此外,聚丙烯纤维的存在改善了初始裂纹剪切荷载,防止裂纹发展,最大化裂缝的数量,和减少裂缝宽度,从而有助于提高梁的延性和改进力量属性。Ortiz允许et al。(2018)证明FRC梁的抗剪强度有或没有马镫10公斤/米时明显增加³聚丙烯纤维的添加,而控制标本。纤维混凝土梁的破坏模式与无腹筋箍筋和可比性。

很少有研究关注应用混合纤维的影响而非单个类型的混凝土梁的剪切行为,正如之前提到的,混合纤维提供改进的机械性能和能控制裂缝在不同压力水平。班et al . (2021)评估各种形状的硅灰的影响,聚乙烯醇、聚丙烯或混合纤维对钢筋混凝土梁的剪切行为实验和数值。当比较控制梁包含横向钢筋,没有纤维,引入混合纤维,增加抗剪强度和延性。混合纤维与.75%聚乙烯醇.75%聚丙烯和横向钢筋产生更大的剪切能力和延性梁相比,没有横向钢筋和含有1.5%聚乙烯醇和.375%聚丙烯混合纤维。根据这些研究结果,建议混合纤维与.75%聚乙烯醇和.75%聚丙烯以及箍筋钢筋(7.5Ø6 / m),用来完成高混合FRC梁的抗剪强度。试验梁的有限元预测表现出很强的协议与实验观测对于剪切能力,最大挠度,失败模式。伊斯梅尔和哈桑。(2021)探索FRC的剪切性能使用各种纤维的种类。聚乙烯醇纤维长度为8 - 12毫米,聚丙烯纤维长度19毫米和13毫米的钢纤维长度是四种不同的纤维。根据调查结果,所有FRC梁比控制基础梁的开裂行为,抗剪强度、延性和能量吸收。FRC梁包含聚乙烯醇纤维与8毫米长度显示更高的剪切强度和延性比FRC梁包含聚乙烯醇纤维与12毫米的长度。聚丙烯FRC梁执行最少,而钢FRC梁表现最好的第一个裂纹的负载,最大强度、延性和能量吸收能力。根据Alrefaei et al。(2018)、插入混合polypropylene-steel纤维的体积显著提高抗剪能力2%大约8倍相比,没有纤维混凝土梁。此外,混凝土梁的延性、multi-cracking行为和应变能力都显著提高。证明,不管杂化率,混合纤维体积含量的1%是一个足够的最小横向钢筋混凝土梁抗压强度不同的40至65 MPa。

大多数以前的工作集中在使用单一或混合纤维的物理和机械特性在胶结材料(Tahenni et al ., 2016;Lim和香港,2017年;Alrefaei et al ., 2018;Ortiz允许et al ., 2018;Zhang et al ., 2018;Ayub et al ., 2019;Koniki普拉萨德,2019年;托雷斯和Lantsoght, 2019年;徐et al ., 2019;Yavaşet al ., 2019;阿里et al ., 2020;伊斯梅尔和哈桑,2021;班et al ., 2021;杨et al ., 2021),有更少的研究FRC的剪切行为元素,使用一个单一类型的纤维,而缺乏研究的影响混合纤维对高强混凝土的剪切行为元素虽然使用混合纤维可以显著提高混凝土的属性使用一个单一类型的纤维(Alrefaei et al ., 2018;允许et al ., 2018;汗et al ., 2020)。此外,以往的研究,使用混合纤维不同的类型,比例,特点,和形状的纤维(Kumar et al ., 2017;Fadil et al ., 2018;Smarzewski 2018;王et al ., 2019;Zhang et al ., 2019;施et al ., 2020;Tran et al ., 2020)。因此,前瞻性研究在这一领域需要产生有意义的结果。从这个角度来看,目前的研究进行了实验研究和数值HFRHSC梁的剪切行为。主要参数具体类型,跨越深比、横向配筋率。

2实验程序

2.1材料和混合比例

HSC是用水泥、纯水、细骨料、粗骨料、硅灰、强塑剂,混合polypropylene-steel纤维。水泥使用普通硅酸盐水泥。碎的粗集料形成白云石10毫米的颗粒大小和一个明显的比重为2.6,而细骨料是硅质自然细度模数为3.35。添加硅灰的混凝土混合料填补空洞,从而提高强度,同时增加了强塑剂来改善混凝土的和易性。纤维所示的形式图1和表1显示了钢铁和聚乙烯纤维特征作为报告的供应商。绑定组件地大约3分钟前在机械搅拌充分数量的水和强塑剂添加到混凝土混合物。聚丙烯和钢纤维湿混合后被添加到混合过程和混合5分钟左右。横向钢筋抗拉屈服强度240 MPa,极限强度385 MPa,相比,纵向钢筋的抗拉屈服强度520 MPa,极限强度690 MPa。基于混合量陶菲克et al。(2022)所示表2。最好的机械特性的抗压、抗拉、抗弯强度、裂缝控制,混凝土混合物包含.45%聚丙烯纤维和钢纤维的替代率的7%水泥的重量。

图1

图1。的形状(一)钢纤维和(B)聚丙烯纤维。

表1

表1。钢纤维和聚丙烯纤维的性质。

表2

表2。混合属性。

2.2梁的描述和制备标本

5 hybrid-polypropylene-steel-fiber-reinforced-high-strength-concrete (HFRHSC)梁和一个控制高强度钢筋混凝土梁中包括实验项目。梁是根据所示的标签图2。控制梁(cb0 - 2.8)是120毫米和250毫米的宽度和深度,分别在2100毫米长,没有马镫和纤维,挠曲纵向钢筋使用4Ø25。所有HFRHSC梁含有7.45%的混合纤维代替水泥的重量,分为7%钢纤维和.45%聚丙烯纤维。第一个混合FRC梁(hfcb0 - 2.8),类似于控制梁的纵向钢筋的尺寸和比例,但不同的是混合polypropylene-steel纤维的存在。第二混合FRC梁(hfcb0.24 - 2.8),是类似于混凝土梁(hfcb0 - 2.8)尺寸,具体的类型,和比例的纵向钢筋,除了5Ø6 / m横向钢筋的存在。混合FRC梁的横向配筋率(hfcb0.42 - 2.8)高于混凝土梁(hfcb0.24 - 2.8),尺寸,具体类型和纵向配筋率是相同的混凝土梁。混合FRC梁(hfcb0.42 - 2.3)和(hfcb0.42 - 1.75)不同于混凝土梁(hfcb0.42 - 2.8), 300毫米和400毫米,分别,然而,他们类似的宽度,长度,具体类型和比例的纵向和横向钢筋。图3和表3显示所有混凝土梁的细节。评价力学特性,包括抗压强度、抗拉强度、弹性模量、六混凝土立方体(150×150×150毫米)和12混凝土圆柱体(150×300毫米的直径和高度,分别)被从每个梁的混凝土混合物。样本的准备和检查按照埃及的具体规范的代码。

图2

图2。所有混凝土梁的设计。

图3

图3。典型的维度,强化,所有混凝土梁和仪器。

表3

表3。所有的混凝土梁的细节。

横向配筋率(ρ)可以计算使用情商。1横向钢筋的面积(Av)乘以箍筋间距(s)和梁的宽度(b)。

ρ = \frac{一个 v}{b \times 年代} % (1)

木制的形式的混凝土梁都准备和前喷洒水彻底浇注工艺维护混合物中的水和没有被吸收的木头。电子应变仪10毫米的长度和电阻的120.3±5Ω附着在纵向和横向钢筋的位置见图3负责监控增援的应变沿加载历史。钢筋放置在表单见图4。铸造过程开始,使用振动器在铸造,以防止混凝土砂浆和粗骨料之间的分离,确保常规纤维分布。24小时后铸造、形式被撤回,混凝土梁不断滋润水被检查前28天。

图4

图4。制备的混凝土梁。

2.3测试设置梁的标本

图5说明了测试程序用于检查HFRHSC梁的剪切行为。梁是由两个支持(铰链和辊),与它们之间距离2000 mm。负载应用使用一个液压千斤顶梁的中间位置。液压千斤顶的载荷是通过一个传播工字钢梁对称集中在两点,只要集中负荷和支持之间的距离是700毫米。三个线性安装在关键部分所示图5监测期间加载的位移值。混凝土梁的挠度和钢筋应变测量每10 kN装货,以及裂缝,是标志。负载不断增加,直到混凝土梁倒塌。

图5

图5。测试设置混凝土梁。

3的结果

3.1机械性能

表4显示混凝土混合料的机械性能实现铸件的标本,在抗拉和抗压强度以及弹性模量。结果计算的平均三个样品在相同条件下进行测试。对于每一个组合,六个试件的截面15厘米×15厘米,高15厘米实施测量抗压强度。三个试件进行了测试在7天,和三个在28天。此外,每个胶结材料的弹性模量是决定通过检查混凝土缸标本7天以及另外三个28天。汽缸标本有一个直径15厘米,高30厘米。而每个胶结材料的抗弯强度是评价通过检查三个混凝土梁在7天以及三个标本28天。混凝土梁都长70厘米,15厘米×15厘米横截面。

表4

表4。密度、抗弯、抗压强度和弹性模量的结果控制和混合FRC标本。

3.2混凝土梁试件的剪切行为

这部分显示的结果(剪切载荷、中跨偏转和延性)在失败和每个混凝土梁试件开裂阶段。此外,负载和中跨偏转等各种参数之间的关系,箍筋应变、纵筋应变进行了研究。箍筋的应变计算的平均的两个应变仪安装在马镫的垂直腿临界剪切带。而纵向钢筋应变测量最大弯曲应力,这是在中跨。表5代表所有混凝土梁的试验结果。

表5

表5。所有混凝土梁试验结果。

3.2.1负载与混凝土梁的挠度

负载之间的关系和中跨所有中说明了混凝土梁的挠度图6。根据这些发现,中跨在第一剪切裂纹混凝土梁变形值cb0 - 2.8, hfcb0 - 2.8, hfcb0.24 - 2.8, hfcb0.42 - 2.8, hfcb0.42 - 2.3, hfcb0.42 - 1.75和1.56,1.1,1.21,1.09,1.8,和1.74毫米。此外,混凝土梁cb0 - 2.8, hfcb0 - 2.8, hfcb0.24 - 2.8, hfcb0.42 - 2.8, hfcb0.42 - 2.3,和hfcb0.42 - 1.75中跨最大变形值为2.84,3.19,3.89,4.11,4.8,和4.04毫米。是明显的混合FRC梁有或没有横向钢筋变形值显示低于控制光束cb0 - 2.8在同一负载,展示能力的纤维和横向钢筋延迟开裂过程,提高刚度和强度,减少变形值在相同的负载。添加混合纤维,增加横向配筋率,以及降低跨深比导致减少挠度值在相同的负载,由于延迟开裂过程中,改进的刚度和强度,最终显示较低的变形值。然而,减少跨深比减少梁的延性,这不可能inelastically变形没有失败。最高的最大变形报道混合FRC梁hfcb0.42 - 2.8,它包含横向钢筋和混合纤维。这说明混合纤维和横向加固的重要性降低混凝土的脆性,提高其塑性变形能力没有骨折汗et al ., 2021 a;汗et al ., 2021 b;阿巴斯et al ., 2022;阿巴斯和汗,2022年)。

图6

图6。负载之间的关系和中跨混凝土梁的挠度。

3.2.2载荷与应变横向钢筋混凝土梁

载荷和应变值之间的关系在横向钢筋混合FRC包含横向加固梁中说明了图7。横向钢筋的应变值的负荷.003%,.0012%,.002%,和混凝土梁.0017% hfcb0.24 - 2.8, hfcb0.42 - 2.8, hfcb0.42 - 2.3, hfcb0.42分别为- 1.75。而在混凝土梁的破坏载荷应变值hfcb0.24 - 2.8, hfcb0.42 - 2.8, hfcb0.42 - 2.3,和hfcb0.42 - 1.75 .13%, .14%, .13%和.16%分别。研究结果表明横向钢筋的应变值在初始剪切裂纹微不足道,但是明显随着载荷的增加而增加,直到他们达到产量为所有包含横向加固的混凝土梁,解释严重对角剪切裂缝的发生崩溃。

图7

图7。载荷和应变之间的关系在横向钢筋混凝土梁hfcb0.24 - 2.8, hfcb0.42 - 2.8, hfcb0.42 - 2.3, hfcb0.42 - 1.75。

3.2.3载荷与应变的纵向钢筋混凝土梁

图8显示了载荷和应变值之间的关系在纵向钢筋混凝土梁。hfcb0的混凝土梁cb0 - 2.8——2.8, hfcb0.24 - 2.8, hfcb0.42 - 2.8, hfcb0.42 - 2.3, hfcb0.42 - 1.75,纵向钢筋的应变值的负荷.017%,.018%,.034%,.045%,.047%和.054%分别。而对混凝土梁cb0 - 2.8, hfcb0 - 2.8, hfcb0.24 - 2.8, hfcb0.42 - 2.8, hfcb0.42 - 2.3, hfcb0.42 - 1.75,纵向钢筋应变值在破坏载荷.06%,.07%,.09%,物质,物质,和.11%分别。结果表明,纵向钢筋应变产量没有达到混凝土标本,表明挠曲应力不足以影响失效模式,这是由剪切应力控制。

图8

图8。载荷和应变之间的关系在纵向钢筋混凝土梁。

4讨论

4.1开裂模式和失效模式

图9显示了所有的混凝土梁的破坏模式标本。垂直裂缝出现在控制梁的挠曲区域cb0 - 2.8,不含纤维,然后一个对角张力由于剪切裂纹出现在底部的剪切区域向上和传播与荷载的增加,直到达到负载的位置的影响,然后发生了脆性崩溃由于对角剪切裂纹扩大,认识到梁倒塌后不久开始斜剪裂缝,表明低延性。失败之前,观察剥落的外表面混凝土梁在压缩区和扩展以及斜裂纹,表明应用应力超过了混凝土的抗压强度。混合FRC梁hfcb0 - 2.8失败由于对角剪切裂缝的扩大。混合FRC的第一对角剪切裂纹梁hfcb0 - 2.8出现在一个负载20 kN虽然出现在12 kN的负载控制梁,表明纤维的重要性在预防裂纹萌生和传播。更多的剪切和弯曲裂缝出现的混合FRC梁hfcb0 - 2.8比控制梁由于纤维的存在阻止裂缝不断扩大和蔓延,导致高强度压力可以由现有的裂缝的位置转移到它们之间的地区。这将导致新裂缝的发展,提高裂缝的总数(Tahenni et al ., 2016;Alrefaei et al ., 2018;班et al ., 2021)。混合FRC梁hfcb0 - 2.8没有经历重大混凝土剥落,因为纤维提高了刚度和强度。当横向钢筋被添加到混合FRC梁之前,失效机理仍然一样的对角线剪切裂纹引起的崩溃混合FRC hfcb0.42梁hfcb0.24 - 2.8 - 2.8。然而,增加横向配筋率导致更高的剪切强度,较慢的速度剪切裂缝,裂缝,证明的有效性增加横向钢筋在延迟开裂过程,提高混凝土的延性、刚度和剪切强度。失败的混合FRC hfcb0.42梁hfcb0.42 - 2.3 - 1.75发生由于对角剪切裂缝和随后破碎混凝土的压缩区。然而剪切裂缝宽度减小,抗剪强度明显改善了混凝土梁hfcb0.42 - 1.75比混凝土梁hfcb0.42 - 2.3。这是由于大部分剪切被立即转移到支持通过一个斜撑。直接荷载传递的发展,降低跨级深度比和被称为拱作用机理(阿里et al ., 2021;Ebid Deifalla, 2021;Deifalla, 2021 b;李et al ., 2021;Deifalla穆赫塔尔,2022 a;Deifalla和穆赫塔尔,2022 b;周和广域网,2022年)。这种机制抑制裂缝越来越大,延迟箍筋屈服。此外,它还观察到弯曲裂缝开始增加更大、更深的span-to-depth比率下降。这是指拉伸应力的增加引起的挠曲除了纵向钢筋的应变,然而,失效模式仍然斜剪破坏,没有变换的组合剪切挠曲或弯曲故障自纵向钢筋尚未达到屈服。

图9

图9。所有混凝土梁的破坏模式。(一)控制梁的失效模式cb0 - 2.8。(B)混凝土梁的破坏模式hfcb0 - 2.8。(C)混凝土梁的破坏模式hfcb0.24 - 2.8。(D)混凝土梁的破坏模式hfcb0.42 - 2.8。(E)混凝土梁的破坏模式hfcb0.42 - 2.3。(F)混凝土梁的破坏模式hfcb0.42 - 1.75。

4.2使用混合polypropylene-steel纤维的影响

使用混合polypropylene-steel纤维改善最终破解剪切强度,以及延性,在混凝土梁。所示图10最终剪切载荷的值,破解剪切载荷、最大变形、延性和混合FRC梁hfcb0 - 2.8增加了18%,66%,13%,和60%,分别控制光束cb0 - 2.8。延性是混凝土的塑性变形能力没有压裂时受到拉应力超过其强度。它可以计算除以终极变形开裂发生在最终的剪切力的变形发生在开裂剪力(Pakravan et al ., 2016;燕et al ., 2021)。当增加混合纤维,开裂和极限剪切强度增加支持他们的承受能力的宏观和微观裂缝在不同应力水平,延缓开裂过程,提高刚度和强度(Tahenni et al ., 2016;Sivakumar et al ., 2020;伊斯梅尔和哈桑,2021;班et al ., 2021;杨et al ., 2021;陶菲克et al ., 2022)。的增加最终变形和延性值是进一步表明混合纤维的功效降低混凝土的脆性,提高其塑性变形能力没有骨折。表6说明了分析剪切破坏载荷、剪切开裂荷载,最大变形,所有混凝土梁的延性的结果。

图10

图10。使用混合polypropylene-steel纤维的影响。

表6

表6。所有混凝土梁的分析。

4.3使用横向钢筋的影响

横向钢筋极限剪切强度,改善开裂行为,所示的混凝土梁的延性图11。相比,混合FRC梁hfcb0 - 2.8,的值最终剪切荷载,裂缝剪切负载,最大变形和延性混合FRC梁hfcb0.42 - 2.8提高了35%,55%,22%,和11%,分别。此外,最终剪切载荷的值,破解剪切载荷、最大变形、延性增加了12%,19%,6%,和17%,分别从.24% .42%横向配筋率增加。横向钢筋,类似于混合纤维,可以推迟剪切开裂,同时提高抗剪强度和延性(Alrefaei et al ., 2018;托雷斯和Lantsoght, 2019年;杨et al ., 2021)。

图11

图11。使用横向钢筋的影响。

4.4跨深度比的影响

所示图12,最终剪切载荷和裂纹剪切载荷为混合FRC梁hfcb0.42 - 1.75,它有一个跨度1.75深度的比例提高了23%和15%,分别比混合动力FRC的梁hfcb0.42 - 2.3,广度深度比为2.3,71%和62%,分别比混合动力FRC的梁hfcb0.42 - 2.8,广度深度比为2.8。这些发现支持这一事实降低span-to-depth比例大大提高抗剪强度,因为相当大一部分比例的剪切力是直接转移到支持由一个斜撑(拱作用机理)。这种机制降低裂化过程,并同时加强刚度和抗剪强度,导致轻微变形发生在同样的负载。相比之下,混合FRC梁hfcb0.42 - 1.75,广度深度比为1.75,显示在相同的负载和延性变形值最低,他们下降了16%和13%,分别比的混合FRC梁hfcb0.42 - 2.3,广度深度比为2.3,2%和38%,分别比的混合FRC梁hfcb0.42 - 2.8,广度深度比为2.8。这表明尽管降低跨深比增加混凝土的抗剪强度,它有一个不利影响混凝土梁的延性,因为无法承受非弹性变形和倒塌突然一旦第一个对角剪切裂纹出现。

图12

图12。广度深度比的影响。

5有限元模型

15软件ANSYS用于产生一个数值模型,然后与实验结果验证。总共五个有限元模型准确地代表实验HPSFRC梁hfcb0 - 2.8, hfcb0.24 - 2.8, hfcb0.42 - 2.8, hfcb0.42 - 2.3, hfcb0.42 - 1.75。

5.1材料、载荷和边界条件模型

混凝土的定义参数所示表7和包括弹性模量、泊松比、单轴压、单轴开裂,打开剪切,剪切系数。混合FRC梁的非线性行为建模使用所示的应力-应变关系图13,这是源自单向承压抗压强度试验的结果。剪切传递系数的范围通常以0 - 1.0,0表示一个光滑的裂纹(剪切转移的全损)和1.0表示一个粗略的裂纹(无剪切损失转移)。根据(Tahenni et al ., 2021),开启和关闭骨折的剪力传递系数估计,结果是相当接近实验结果。纵向和横向增援建模使用链接180元素。表8代表了插入横向和纵向增援的属性包括弹性模量、泊松比、屈服应力。横向和纵向增援的非线性行为建模基于拉伸试验的结果。距离700 mm的支持,双行节点上钢板的力是表演。两条线的底端梁的节点代表铰链和滚动支持。滚轮支持被限制在Y方向移动,而铰链支持限制移动在X, Y, z方向。钢板是由Link185元素。

表7

表7。混合FRC属性。

图13

图13。混合纤维混凝土的应力-应变曲线。

表8

表8。横向和纵向钢属性。

5.2数值分析程序

数值模拟的软件执行线性解决方案,逐步增加负荷值,分析收敛。当需求没有得到满足,各种解决方案是由修改刚度矩阵。崩溃可以被破解模式、混凝土压应变接近最大,钢筋应变达到屈服,或者non-convergence造成的全损的承载能力。收敛标准在当前调查依赖力和位移。

5.3验证数值模型

有限元与实验输出进行比较来验证实验结果。这是完成了保证混凝土梁的收敛条件合适。图14说明了裂纹模式和失效模式的混合FRC梁基于有限元模型。所有破碎有限元模型类似于混凝土梁的实验项目。弯曲裂纹首先出现在曲地区,其次是剪切挠曲裂缝,最后对角剪切裂缝发起和传播向上45度角向负载应用到梁失败了。有限元模型的失效模式hfcb0 - 2.8是类似的实验,在斜剪裂缝发生,其次是箍筋屈服,导致崩溃。对角线的有限元模型在不同剪切裂纹没有延长,负荷是影响。这可能是因为马镫达到屈服应力在对角剪切裂缝完全完成。这表明有限元模型也表现出不同程度的延性的试验梁的样本,以便形成一个完整的斜裂纹在崩溃之前,但故障模式仍然相同的两个对角线剪切裂纹箍筋屈服紧随其后。关于有限元模型hfcb0.24 - 2.8,显示故障模式表明,增加箍筋改善其延性,这样形成了一个完整的对角线剪切裂缝的支持上边缘,其次是箍筋屈服,这是非常类似的失败行为实验相同。有限元模型的故障模式hfcb0.42 - 2.8从有限元模型之间没有显著性差异hfcb0.24 - 2.8,因为崩溃发生的一个完整的对角线剪切裂纹发生和箍筋达到产量除了清晰剪切挠曲裂缝,因为梁可以忍受更高的负载,因此挠曲应力增加,因此,弯曲裂缝增加,然而,这是无效的在改变失效模式。有限元模型的失效模式和裂缝模式hfcb0.42 - 2.8非常类似于相应的实验样品。 The failure mode of finite element model HFCB0.24-2.3 was very similar to that of finite element model HFCB0.24-2.8, but with more and clearer flexural cracks since the strength of the beam increased as the span to depth ratio decreased, and thus the flexure stresses and flexure cracks increased. This failure and crack pattern were quite similar to the equivalent experimental beam. The failure mode of finite element model HFCB0.42-1.75 was comparable to that of the corresponding experimental beam model, except that the diagonal shear crack did not reach the top edge. This confirms that decreasing the span to depth ratio reduced the ductility of the beam, and thus the stirrup reached yield before a complete diagonal shear crack occurred. Additionally, the experimental one had more concrete crushing at the compression zone although this had no effect on the collapse because it was governed by the diagonal shear crack followed by stirrup yielding.图15显示了有限元与实验比较所有混凝土梁荷载与挠度曲线。有限元荷载高于实验失败负荷29%,19%,18%,13%,6%,混合钢筋混凝土梁hfcb0 - 2.8, hfcb0.24 - 2.8, hfcb0.42 - 2.8, hfcb0.42 - 2.3,分别和hfcb0.42 - 1.75。之间的方差系数有限元和破坏载荷的实验结果是6.5%。所有有限元与实验样品的挠度值似乎几乎等于如图,和载荷和挠度之间的关系似乎是线性的,直到出现裂纹。发生裂缝后,成为非线性的关系与实验样本的挠度值与有限元模型在相同的负载。有限元最大偏差为2%,10%,16%,22%,和23%不到实验混合钢筋混凝土梁的最大挠度hfcb0 - 2.8, hfcb0.24 - 2.8, hfcb0.42 - 2.8, hfcb0.42 - 2.3,分别和hfcb0.42 - 1.75。最大挠度试验结果和有限元结果变异系数为9%。图16比较了有限元与实验load-transverse所有混凝土梁的应变曲线。箍筋的应变值有限元与实验样品都是无关紧要的,直到开裂荷载。后,箍筋的应变急剧增加,直到达到屈服应力。图表明,开裂后的实验样品的应变值负载大于有限元模型的应变值在相同负载。对所有实验和有限元模型,箍筋的应变达到屈服。有限元在失败的横向钢筋应变值分别为15%,6%,12%,1%,和2%低的混合钢筋混凝土梁hfcb0 - 2.8, hfcb0.24 - 2.8, hfcb0.42 - 2.8, hfcb0.42 - 2.3,分别和hfcb0.42 - 1.75相比实验横向钢筋应变值在失败。横向钢筋应变实验结果和有限元结果变异系数7.3%。比较表明,实验和有限元结果完全相关。

图14

图14。失效模式为所有混合FRC梁模型。(一)混凝土梁的破坏模式模型hfcb0 - 2.8。(B)混凝土梁的破坏模式模型hfcb0.24 - 2.8。(C)混凝土梁的破坏模式模型hfcb0.42 - 2.8。(D)混凝土梁的破坏模式模型hfcb0.42 - 2.3。(E)混凝土梁的破坏模式模型hfcb0.42 - 1.75。

图15

图15。实验和数值载荷挠度曲线混合FRC梁:(一)hfcb0 - 2.8,(B)hfcb0.24 - 2.8,(C)hfcb0.42 - 2.8,(D)hfcb0.42 - 2.3,(E)hfcb0.42 - 1.75。

图16

图16。实验和数值load-transverse钢筋应变曲线混合FRC梁:(一)hfcb0 - 2.8,(B)hfcb0.24 - 2.8,(C)hfcb0.42 - 2.8,(D)hfcb0.42 - 2.3,(E)hfcb0.42 - 1.75。

6与ACI

混合polypropylene-steel纤维钢筋混凝土梁的抗剪强度计算在这一节中使用ACI的规定。有限元的验证和实验结果证明,通过比较他们ACI方程。见图17的名义抗剪强度Vn可以计算为名义由于混凝土抗剪强度的总和风投,由于横向钢筋名义抗剪强度与根据ACI318 (ACI 318 - 19日,2019年),由于混凝土名义抗剪强度计算的最小:

V_{c} = 0.17 λ \sqrt{f_{c}^{'}} b_{w} d (2)

V_{c} = 0.66 λ ρ^{1 / 3} \sqrt{f_{c}^{'}} b_{w} d (3)

V_{c} = 0.42 λ \sqrt{f_{c}^{'}} b_{w} d (4)

$λ$ 是正常体重的换算系数等于1混凝土和高强混凝土。 $f_{c}^{'}$ 圆柱形混凝土的抗压强度。 $ρ$ 是纵向钢筋的面积比混凝土的截面面积 $b_{w} d 。$

图17

图17。流程图使用ACI剪切强度计算。

获得等效抗压强度的校正因子的标准数据集是由ECP203 (2018年项目203 - 18日)如下:

f_{c u} = 1.25 f_{c}^{'} (5)

在哪里 $f_{c u}$ 是立方混凝土极限抗压强度。

由于横向钢筋名义抗剪强度计算如下:

V_{年代} = \frac{{一个}_{v} f_{y}}{年代} d (6)

${一个}_{v}$ 横向钢筋的面积。 $f_{y}$ 是横向钢筋的屈服强度。 $ρ$ 横向钢筋之间的间距。

表9显示了数值比较,实验和ACI预测值混合polypropylene-steel纤维钢筋混凝土梁的抗剪强度。ACI结果表现出剪切能力的最低价值对于所有混合FRC梁数值表现出最大的价值。所示图18,ACI的结果为剪切能力低于实验结果23%,21%,15%,25%,18%,混凝土梁hfcb0 - 2.8, hfcb0.24 - 2.8, hfcb0.42 - 2.8, hfcb0.42 - 2.3,分别和hfcb0.42 - 1.75。另一方面,ACI结果剪切能力不到41%的数值结果,33%,27%,34%,22%,混凝土梁hfcb0 - 2.8, hfcb0.24 - 2.8, hfcb0.42 - 2.8, hfcb0.42 - 2.3,分别和hfcb0.42 - 1.75。ACI和实验之间的方差系数受剪承载力结果是4.8%,而9.2% ACI和数值之间的剪切能力的结果。这表明混合polypropylene-steel纤维钢筋混凝土梁的抗剪承载力预测的ACI是合适的,然而,ACI低估了抗剪强度。ACI的计算是保守与实验或数值结果相比,尤其是混合FRC梁横向配筋率较低或更低的span-to-depth比率(等于或小于2.3)。

表9

表9。实验、数值和ACI,结果所有梁的剪切破坏载荷。

图18

图18。对比实验、数值和ACI结果所有混凝土梁的剪切破坏载荷。

7结论

混凝土的剪切行为元素是一个两难的境地。本研究调查了高强度混凝土梁钢筋的剪切行为与混合polypropylene-steel纤维。具体类型、横向配筋率和广度深度比是研究参数影响剪切行为。以下关键的发现是浓缩的理论和实践研究:

1。实验HFRHSC梁span-to-depth比率大于2.3失败由于显著的对角剪切裂缝,而混凝土梁span-to-depth比率等于或小于2.3失败由于对角剪切裂缝混凝土的压碎紧随其后。这是因为减少span-to-depth比例改变了剪切阻力行为从桁架拱作用,从而控制的失败是更倾向于struts的抗压强度。

2。添加混合polypropylene-steel纤维高强度混凝土梁抗剪能力改善,最大变形和延性,以及延迟裂纹萌生了大约18%,66%,60%,和13%,分别。这是由于混合polypropylene-steel纤维的能力抵御宏观和微观裂缝在不同的应力水平,从而延缓开裂过程,提高刚度和强度,减少脆性,增加塑性变形而不断裂。

3所示。增加横向钢筋高强混凝土梁与混合polypropylene-steel纤维和纵向钢筋在压缩区改善防止裂纹萌生和传播的能力,以及增加了抗剪强度和延性比单独添加混合纤维,抗剪能力,开裂荷载,最大变形、延性和混合纤维增强高强度混凝土梁横向钢筋,35%,55%,22%,和高11%,分别比混合纤维增强高强度没有横向钢筋混凝土梁。

4所示。减少HFRHSC梁span-to-depth率从2.8到1.75剪切能力和开裂荷载增加了约22%和11%,分别,然而,最大变形和延性降低了约2%和38%,分别。这是因为负载直接传输到支持span-to-depth比率下降,延迟开裂的发生和提高抗剪强度而负面影响的能力可塑性变形和延性,使混凝土的行为更加脆弱。

5。15 HFRHSC梁模型的计算结果与ANSYS软件与实验结果显示良好的相关性;然而,数值解高估了剪切能力。平均值和方差系数之间的剪切能力的实验和数值结果.86%和6.5%,分别。

6。ACI的计算是保守与实验或数值结果相比,尤其是对混合纤维增强高强度混凝土梁横向配筋率较低或更低的span-to-depth比率。ACI和实验之间的方差系数受剪承载力结果是4.8%,而9.2% ACI和数值之间的剪切能力的结果。

8未来的研究

1。研究不同的影响span-to-depth比率(1、1.5、3、4)HFRHSC梁的剪切行为。

2。研究不同比例的混合的效应polypropylene-steel纤维(10%,15%,20%,25%)的高强度混凝土梁的剪切行为。

3所示。研究翼缘宽度的影响L-section和丁字断面HFRHSC梁的剪切行为。

4所示。研究HFRHSC梁的弯曲行为。

5。研究了扭转HFRHSC光束的行为。

数据可用性声明

最初的贡献提出了研究中都包含在本文/辅料,可以针对相应的作者进一步询问。

作者的贡献

概念化和AA女士;方法论、MT、马和女士;软件和调查,太;验证、广告;正式的分析,AA和马;资源和数据管理,AE-s;原创作品草稿准备,AA和广告;writing-review和编辑,马女士;可视化、广告;监督、女士和广告; funding acquisition, MS. All authors have read and agreed to the published version of the manuscript.

资金

研究部分由科技部资助的高等教育战略学术领导下的俄罗斯联邦计划的“优先级2030”(协议075-15-2021-1333,日期为2021年9月30日)。

的利益冲突

作者声明,这项研究是在没有进行任何商业或财务关系可能被视为一个潜在的利益冲突。

出版商的注意

本文表达的所有索赔仅代表作者,不一定代表的附属组织,或出版商、编辑和审稿人。任何产品,可以评估在这篇文章中,或声称,可能是由其制造商,不保证或认可的出版商。

引用

阿巴斯,W。,和汗,我m。(2022). Experimental and numerical investigation of flexural behavior of hybrid fiber reinforced high strength incorporating binary and ternary blend of ultra fines.结构42岁的53 - 64。doi: 10.1016 / j.istruc.2022.05.116