《纤维混凝土结构》课件

1、纤维混凝土结构研究生专业选修课1纤维混凝土结构 研究生专业选修课第一章 绪论第二章 纤维混凝土的组成材料及其 性能第三章 纤维混凝土增强机理第四章 钢纤维混凝土的配制与施工第五章 钢纤维混凝土基本性能第六章 钢纤维混凝土本构模型和强 度理论第七章 钢纤维混凝土结构设计2纤维混凝土结构 研究生专业选修课第一章 绪论1.1 纤维混凝土的定义与分类1.2 纤维混凝土的特性1.3 纤维混凝土的工程应用1.4 纤维混凝土的发展前景1.5 WHUT主持和参加的本领域研 究项目与研究成果3纤维混凝土结构 研究生专业选修课1.1 纤维混凝土的定义与分类定义 纤维增强混凝土（FRC, Fiber Reinfor

2、ced Concrete) 简称纤维混凝土，它是以水泥、砂浆或混凝土为基体，以金属纤维、无机非金属纤维、合成纤维或天然有机纤维为增强材料组成的复合材料。4纤维混凝土结构 研究生专业选修课分类 1. 以其基体不同分 纤维水泥（用于建筑制品，如石棉水泥瓦、板，玻璃纤维水泥墙板等） 纤维砂浆（用于防裂、防渗结构，如聚丙烯纤维抹面砂浆、钢纤维防水砂浆等） 纤维混凝土（用于各类结构构件）纤维轻质混凝土纤维膨胀混凝土纤维高强混凝土依基体混凝土的特征分5纤维混凝土结构 研究生专业选修课分类 2. 以其纤维弹性模量不同分高弹模纤维混凝土低弹模纤维混凝土混杂（混合）纤维混凝土 金属纤维（钢纤维、不锈钢纤维、钢棉

3、等） 无机非金属纤维（石棉、玻璃纤维、碳纤维、陶瓷纤维） 高弹模合成纤维（芳纶纤维、高弹模聚乙烯纤维等）天然有机纤维（纤维素纤维、麻纤维、草纤维等）合成纤维（聚丙烯纤维、聚丙烯腈纤维、尼龙纤维等）两种或两种以上纤维复合使用6纤维混凝土结构 研究生专业选修课分类短纤维增强混凝土（纤维短切、乱向、均匀分布在基体中）连续纤维增强混凝土（纤维以单丝、网、布、束等形式分布于基体中） 3. 以其纤维在基体中分布形式不同分7纤维混凝土结构 研究生专业选修课分类渍浆纤维混凝土（SIFCON, Slurry Infiltrated Fiber Concrete)活性粉末纤维混凝土（RPFC, Reactive

4、Powder Fiber Concrete)纤维增强无宏观缺陷水泥（FRMDFC, Fiber Reinforced Macro-Defect Free Cement)4. 高性能、高含量纤维混凝土将水泥浆或水泥砂浆渗浇到钢纤维堆体中的一种高强度、高韧性复合材料硅粉、石英粉或石英细砂和细短钢纤维碳化硅纤维或芳纶纤维无空洞和初始微裂缝等8纤维混凝土结构 研究生专业选修课1.2 纤维混凝土的特性混凝土材料的优点：原材料容易获得耗能和成本相对较低成型和施工相对简便结构坚固耐用、承载力高、稳定性良好 （钢筋增强和预应力技术的采用）结构的抗震性能和耐久性可满足要求（有效的抗震设计和防护措施）9纤维混凝土

5、结构 研究生专业选修课混凝土材料的弱点：抗拉强度低，易开裂韧性差(toughness)延性(ductility)和抗疲劳(fatigue)性能较低存在收缩(shrinkage)和徐变(creep)变形混凝土的改性研究混凝土开裂后继续维持一定抗力的变形能力，通常用与-或p-曲线下的面积有关的参数来衡量10纤维混凝土结构 研究生专业选修课纤维混凝土材料的特性（1）：高弹模纤维混凝土用于钢筋混凝土和预应力混凝土结构构件抗拉强度、弯拉强度、抗剪强度、抗冲切强度、局部受压强度和抗扭强度显著提高；延缓裂缝出现，降低裂缝宽度；提高构件裂后刚度，提高构件延性；11纤维混凝土结构 研究生专业选修课纤维混凝土材料

6、的特性（2）：降低早期收缩裂缝、温度裂缝和长期裂缝裂后变形性能明显改善（弯曲韧性、压缩韧性、极限应变有所提高）收缩变形和徐变变形降低抗压疲劳、抗弯拉疲劳性能提高12纤维混凝土结构 研究生专业选修课纤维混凝土材料的特性（3）：抗冲击、抗爆炸性能显著提高耐磨性、耐空蚀性、耐冲刷性、抗冻融性和抗渗性有不同程度提高耐腐蚀性和耐老化性与纤维品种和基体特性有关如：耐碱性环境的碳纤维、石棉纤维、耐碱玻璃纤维等如：水泥石和细集料料的保护可使基体内部纤维（耐紫外线性能差的合成纤维、易锈蚀的钢纤维）不老化13纤维混凝土结构 研究生专业选修课纤维混凝土材料的特性（4）：某些特殊纤维配置的混凝土，其热学性能、电学性能

7、、耐久性能有所变化。石棉水泥板的绝热性能、耐久性能优良碳纤维混凝土导电性能优良，具有一定“压阻效应”低熔点合成纤维混凝土在火灾中可降低混凝土的爆裂14纤维混凝土结构 研究生专业选修课石棉纤维水泥制品发展历史和应用概况1879年问世，1900年，奥地利人发明哈谢克法生产石棉水泥板标志着石棉水泥走向工业化生产主要用于波纹瓦、平板瓦、贴墙板、隔热板、绝缘板、下水管道、电缆管等需采取控制石棉粉尘污染措施15纤维混凝土结构 研究生专业选修课玻璃纤维水泥制品发展历史和概况1957年由前苏联彼尤科维奇提出，1964年出版关于玻璃纤维混凝土的专著。应用的最大障碍是：普通玻璃纤维在硅酸盐水泥石的碱环境中易腐蚀而

8、性能下降。耐碱玻璃纤维的开发、降低水泥基材中的含碱量推动了玻璃纤维水泥制品的应用。16纤维混凝土结构 研究生专业选修课玻璃纤维水泥制品主要应用领域玻璃纤维水泥波纹板、平板瓦、玻璃纤维水泥墙板、空心墙板、保温复合墙板、永久模板、玻璃纤维水泥管、管衬、现浇空心楼板的圆孔内模等；中国建材科研院开发的玻璃纤维壳体粮仓结构自重轻、成本低，应用前景良好。17纤维混凝土结构 研究生专业选修课钢纤维混凝土发展历史用途最广、用量较大1910年，由 H.F.Porter 提出1963年，J.P.Romualdi 和 J.B.Batson关于纤维混凝土增强理论研究报告发表（中国最早提出本版观点）18纤维混凝土结构

9、研究生专业选修课钢纤维混凝土发展历史在我国的研究和应用开始于20世纪70年代，自1986年至今，已召开九届纤维水泥与纤维混凝土学术会议（武汉、大连、南京、南昌、郑州、重庆等地）；FRC-10会议已于2004年11月在上海同济大学召开19纤维混凝土结构 研究生专业选修课1.3 纤维混凝土的工程应用石棉纤维水泥制品玻璃纤维水泥制品钢纤维混凝土合成纤维混凝土20纤维混凝土结构 研究生专业选修课钢纤维混凝土相关规程和行业标准（1）：钢纤维混凝土试验方法 CECS 13:89钢纤维混凝土结构设计与施工规程 CECS 38:92纤维混凝土结构技术规程 CECS 38:92 修订稿，2003.12通过评审，

10、现已颁布21纤维混凝土结构 研究生专业选修课钢纤维混凝土相关规程和行业标准（2）：钢纤维混凝土 JG/T 3064-1999（中国建筑工业行业标准）铣削钢纤维混凝土应用技术规程 DBJ08-59-97（上海市标准）22纤维混凝土结构 研究生专业选修课钢纤维混凝土主要应用领域（1）：铺面工程：公路路面、桥面、机场道面、码头铺面和工业建筑地面等。 提高面板结构的抗裂性、弯拉强度、 弯曲韧性、耐冲击、耐疲劳性能23纤维混凝土结构 研究生专业选修课钢纤维混凝土主要应用领域（2）：房屋和桥梁结构、水工结构、特种结构 梁、叠合梁的裂缝控制、抗剪增强 复杂应力区（悬挑结构、闸门门槽、 大坝孔口）的增强 抗震

11、框架节点、牛腿、剪力墙的连梁的抗剪增强 筒仓、烟囱的裂缝控制 桩基承台的抗剪、抗冲切增强24纤维混凝土结构 研究生专业选修课钢纤维混凝土主要应用领域（3）：交通隧道、输水隧洞等钢纤维喷射混凝土衬砌、支护防水防渗结构 刚性防水屋面、地下室刚性防水层、储水池等预制构件 预制桩桩尖、桩顶，大管桩、铁路轨枕、道路井盖25纤维混凝土结构 研究生专业选修课钢纤维混凝土主要应用领域（4）：军事工程掩体、防空洞、防护门等修补加固工程大坝坝面修补，路面局部修补或罩面， 梁、板、柱、墩的加固26纤维混凝土结构 研究生专业选修课钢纤维混凝土应用实例(1)：高层建筑 福州华福大厦 地上31层，地下2层，八层顶转换层大

12、梁全部采用钢纤维混凝土500m3，使用剪切扭曲型钢纤维近40吨，钢纤维掺量1%。建成后，效果良好，抗剪能力约提高45%。27纤维混凝土结构 研究生专业选修课 福州中美大厦 地上28层，地下2层，框架-剪力墙中筒结构，内框架梁高仅270mm，梁宽2000mm，为特型宽扁梁。为保证柱周边板带的抗冲切能力，设计中将板带梁在柱上交汇的方块处加厚为400mm形成柱帽，柱帽处采用钢纤维混凝土。28纤维混凝土结构 研究生专业选修课柱帽(加厚为400mm)框架柱特型宽扁梁270mmx2000mm中美大厦SFRC柱帽29纤维混凝土结构 研究生专业选修课钢纤维混凝土应用实例(2)：铁路隧道工程西康线椅于山隧道工程

13、采用湿喷钢纤维混凝土a. 钢纤维混凝土抗压、抗拉、抗剪强度大，具有 很强的支护功能;b. 施工简便（一台喷射机和搅拌机），机动灵活， 可在高空或狭小工作区间向任意方向施工薄壁 结构; c. 减少施工粉尘; d. 钢纤维混凝土外有的粗糙具有降低噪音的功能。30纤维混凝土结构 研究生专业选修课钢纤维混凝土应用实例(3)：预制构件上海等地预应力管桩和预制方桩的生产 在桩头或装尖部分加入钢纤维，增强桩的抗捶击性能和贯穿能力31纤维混凝土结构 研究生专业选修课合成纤维混凝土发展历史1965年由S.Goldfein提出用聚丙烯纤维作为混凝土的掺合料，用于美军军工防爆结构1971年英国制定有关聚丙烯纤维混凝

14、土制作管子、管件和薄板的国家标准我国于20世纪90年代初开始研究和应用32纤维混凝土结构 研究生专业选修课合成纤维混凝土主要应用领域桥面、路面和地面耐磨性改善外墙抹面、防水屋面、水池、渠道、水工建筑物等抗渗性、抗冻性改善隧洞、护坡的喷射混凝土支护、衬砌高弹模纤维如芳纶纤维、高弹模聚乙烯纤维、高弹模尼龙纤维，用于混凝土的增韧，以提高抗冲击和抗疲劳性能33纤维混凝土结构 研究生专业选修课1.4 纤维混凝土的发展前景钢纤维混凝土结构（SFRC)钢纤维高性能混凝土(SIFCON,SIMCON等)合成纤维及混杂纤维混凝土碳纤维混凝土及陶瓷纤维混凝土连续纤维和纤维增强聚合物混凝土34纤维混凝土结构 研究生

15、专业选修课纤维增强聚合物混凝土 ( FRP, Fiber Reinforced Polymer )玻璃纤维碳纤维芳纶纤维聚合物连续纤维组成环氧树脂其它高强度高粘结性树脂35纤维混凝土结构 研究生专业选修课纤维增强聚合物混凝土 ( FRP, Fiber Reinforced Polymer )纤维聚合物布(Cloth)纤维聚合物网(Mesh)纤维聚合物板(Board)纤维聚合物筋(Bar) 分类36纤维混凝土结构 研究生专业选修课应用独立建造轻型结构用于混凝土结构和砌体结构的补强加固作为筋材和网材代替钢筋，建造混凝土结构和预应力混凝土结构如:过街天桥如:碳纤维片材（CFRC）如:碳纤维棒材37纤

16、维混凝土结构 研究生专业选修课1.5 WHUT主持和参加的研究项目与研究成果（1） 碳纤维布加固砌体结构墙片、独立柱的试验研究 （2003武汉市重点攻关项目、2003武汉市青年科技晨光计划项目）钢纤维增强钢筋混凝土(SFRC)桩基承台的试验研究和非线性有限元分析 （CECS 38:92编制和修订项目）38纤维混凝土结构 研究生专业选修课1.5 WHUT主持和参加的研究项目与研究成果（2）在役历史建筑砌体结构的碳纤维片材抗震加固研究 （2004湖北省自然科学基金项目）CFRP加固钢筋砼框架结构的试验研究和非线性有限元动力分析 （横向课题）39纤维混凝土结构 研究生专业选修课1.5 WHUT主持和

17、参加的研究项目与研究成果（3） 上下层布式钢纤维砼路面的应用研究 （湖北省交通厅建设项目）纤维聚合物快速修复桥面板技术应用研究 （交通部攻关项目）40纤维混凝土结构 研究生专业选修课第二章 纤维混凝土的组成材 料及其性能2.1 纤维品种及其性能2.2 基体分类及其性能41纤维混凝土结构 研究生专业选修课2.1 纤维品种及其性能纤维品种（依弹性模量大小分）纤维基本性能低弹模纤维（纤维弹模 基体弹模）42纤维混凝土结构 研究生专业选修课表2.1 低弹模纤维基本性能纤维品种密度(g/cm3)直径(um)弹模(Gpa)抗拉强度(Mpa)极限延伸率(%)熔点(oC)聚丙烯纤维(PP)0.91158049

18、27070079170聚酰胺纤维(PA)1.16550264009001320224聚丙烯腈纤维(PAN)1.1812601619400950911240聚乙烯醇纤维 (PVA)1.30101616207008505.58聚酯纤维(PET)1.381414.56501100714257纤维素纤维1.210300500102020043纤维混凝土结构 研究生专业选修课表2.2 高弹模纤维基本性能纤维品种密度(g/cm3)直径(um)弹模(Gpa)抗拉强度(Mpa)极限延伸率(%)钢纤维7.8510010002003801300330玻璃纤维2.781570801500350028蛇纹石石棉2.5

19、50.0230164200180023角闪石石棉3.370.120196350023碳纤维1.71.9720380240045001.22.5碳化硅纤维2.55200210250030001.3硼纤维2.641035000.81.2芳纶纤维1.41.5101569140280032002.14.4高弹模聚乙烯纤维0.973080100150035003444纤维混凝土结构 研究生专业选修课低弹模纤维的特点：在基体硬化初期，对基体有明显约束作用；开裂后，在持久高应力作用下，产生较大的变形，从而使复合体变形显著增加，很难起到微筋材的作用；纤维泊松比较大，在受到拉伸作用时，横截面急剧变小，丧失与基体

20、的粘结力。45纤维混凝土结构 研究生专业选修课高弹模纤维的特点：明显改善基体的强度和韧性，从而可用于半承重制品，甚至用于承重结构复合体裂后变形性能明显改善，韧性、极限应变均有所提高46纤维混凝土结构 研究生专业选修课2.2 基体分类及其性能基体类别密度(g/cm3)弹模(Gpa)抗压强度(Mpa)抗拉强度(Mpa)极限延伸率(%)水泥浆20221025203036100500水泥砂浆222325355301.5350150普通混凝土2324.5253520501.5350150高强混凝土2324.53550501002.74.550150超高强活性粉末混凝土2.52.6506017023010

21、2047纤维混凝土结构 研究生专业选修课保证复合材料质量的重要条件：纤维在基体中分布均匀纤维与基体很好的粘结保证措施：控制基体的颗粒尺寸（过多过大，阻碍纤维分布均匀；过少过小，导致基体过分收缩）增大纤维与基体接触的比表面积，改善纤维表面和形状，改善拌合和制作工艺48纤维混凝土结构 研究生专业选修课第三章 纤维混凝土增强机理3.1 概述3.2 复合材料力学理论3.3 纤维间距理论3.4 纤维混凝土的增韧效果及评定方法3.5 纤维临界体积率和最小体积率 （自学内容）49纤维混凝土结构 研究生专业选修课3.1 概述纤维对基体的作用阻裂作用增强作用增韧作用50纤维混凝土结构 研究生专业选修课阻裂作用指

22、纤维对新拌混凝土早期收缩裂缝和硬化后收缩裂缝的产生和扩展的阻碍作用。增强作用主要为对抗拉强度的提高，以pt为控制破坏的如弯拉强度（抗折强度）、抗剪强度也随之提高。增韧作用韧性指材料在各种受力状态下进入塑性阶段保持一定抗力的变形能力。纤维混凝土优良的韧性性能适于需要有较大变形适应能力的结构（如弹性地基上的板、围岩的支护等）51纤维混凝土结构 研究生专业选修课3.2 复合材料力学理论3.2.1 单向增强理论3.2.2 考虑纤维不连续的影响3.2.3 纤维的方向有效系数3.2.4 纤维分散均匀性的影响3.2.5 开裂阶段纤维粘结性能的影响复合材料力学混合律法则： 复合材料的强度和弹性模量等性能符合复

23、合体内各组分性能的弹性叠加原理52纤维混凝土结构 研究生专业选修课3.2.1 单向增强理论基本假定基体为各向同性匀质材料纤维沿受力方向均匀平行排列纤维与基体变形协调一致，无相对滑移和错动53纤维混凝土结构 研究生专业选修课 复合材料受力简图54纤维混凝土结构 研究生专业选修课根据弹性叠加原理有：式中，Ffc、 Ff 、Fm分别表示复合体、纤维、基体受的力。55纤维混凝土结构 研究生专业选修课根据材料力学原理，经推导可得：式中，、 E、分别表示应力、弹性模量和体积率。结论：当纤维掺量较低情况下，复合体的强度和弹性模量的提高是有限的。56纤维混凝土结构 研究生专业选修课3.2.2 考虑纤维不连续的

24、影响不连续纤维一维排列纤维混凝土的受力状态f 假定纤维沿受力方向平行均匀分布，考虑某一个截面上的受力。57纤维混凝土结构 研究生专业选修课式中，lf 、df 纤维长度、直径 纤维与基体间粘结应力平均值 l 有效粘结长度系数计算截面上纤维粘结长度平均值（0.5lf+0) / 2 = lf /4式中，lf 、df 纤维长度、直径 纤维与基体间粘结应力平均值 l 有效粘结长度系数58纤维混凝土结构 研究生专业选修课因此可得：59纤维混凝土结构 研究生专业选修课3.2.3 纤维的方向有效系数 通常，纤维在混凝土中的排列和分布是随机的：纤维一维定向分布纤维二维定向或乱向分布纤维三维乱向分布如连续玻璃纤维

25、增强墙板玻璃纤维布增强水泥基复合板、短纤维拌合料制作的薄板大多数纤维混凝土结构构件60纤维混凝土结构 研究生专业选修课纤维方向与复合体受力方向一致增强效率最佳 纤维方向与复合体受力方向垂直增强效率最小61纤维混凝土结构 研究生专业选修课纤维方向有效系数 所有纤维沿纤维方向上的受力在复合体受力方向上投影之和与同体积纤维按复合体受力方向定向排列时的受力之和的比值。fF62纤维混凝土结构 研究生专业选修课（1）第一种纤维分布模型纤维一维定向排列时纤维二维随机分布时纤维三维随机分布时63纤维混凝土结构 研究生专业选修课yxordyzxd纤维二维、三维分布模型64纤维混凝土结构 研究生专业选修课 二维随

26、机分布时，假定纤维在圆平面上的任一位置取向概率相同。x轴为复合体受力轴，纤维与x轴夹角为，于是，在/2象限内，纤维落在角的概率为： 而这点的纤维增强效率为：(2/)dcos，此时/2象限内的平均增强效率，即方向系数为：65纤维混凝土结构 研究生专业选修课 三维随机分布时，纤维落在与x轴成角位置上的概率为图中球台侧面面积与半球面积之比，即： 对应的纤维增强效率为：sindcos，则：66纤维混凝土结构 研究生专业选修课（2）第二种纤维分布模型 假定纤维分布的概率分别为、位置上的概率相等，于是有：zyx 纤维三维分布模型 II67纤维混凝土结构 研究生专业选修课 讨论：1. 两种模型均很难用试验验

27、证；2. 纤维方向受试模边壁、骨料界面、浇注振捣、重力效应等因素影响，分布随机性大，很难准确计算出；3. 上述模型可为考虑纤维的增强效果提供一个分析依据。68纤维混凝土结构 研究生专业选修课3.2.4 纤维分散均匀性的影响纤维分散均匀性对增强效果的影响： （以受弯试件为例） 纤维多分布在受拉区 增强效果良好 纤维分布密度均匀 增强效果良好69纤维混凝土结构 研究生专业选修课小林一辅提出用统计理论表示纤维分布均匀程度的方法（分散度 ）纤维分布测定分块图纤维分布均匀时，纤维集中到某一分块上，其余各块为零时，70纤维混凝土结构 研究生专业选修课影响纤维分散度的因素：纤维过于细长带有不利于分散的弯钩纤

28、维体积率过高（当 f 1.5%时，纤维分散度开始随 f 增加而降低）骨料粒径偏大拌合物坍落度太低拌合投料顺序和方法不当71纤维混凝土结构 研究生专业选修课纤维分散度对纤维混凝土强度的影响 以分散度影响系数 表示纤维分散状态对混凝土受力性能的影响，则：72纤维混凝土结构 研究生专业选修课3.2.5 开裂阶段纤维粘结性能的影响纤维混凝土开裂前的应力：基体开裂后：（纤维从基体中拔出）（纤维被拉断） 式中：k考虑基体开裂后强度下降系数， 73纤维混凝土结构 研究生专业选修课纤维粘结力与基体强度和纤维的形状及界面特性有关，故：基体抗拉强度与纤维粘结效能有关的系数，与纤维品种及形状有关74纤维混凝土结构

29、研究生专业选修课3.3 纤维间距理论1963年，由J. P.Romualdi和 B. Batson提出建立在线弹性断裂力学基础上基本思想： 混凝土内部有尺度不同的微裂缝、孔隙和缺陷，在施加外力时，孔、缝部位产生大的应力集中，引起裂缝的扩展，最终导致混凝土破坏。钢纤维掺入脆性基体后，有效提高复合材料受力前后阻止裂缝引发和扩展的能力，达到纤维对基体增强、增韧的目的。75纤维混凝土结构 研究生专业选修课Romualdi的纤维约束模型裂开趋势S纤维间距；a裂缝半宽对裂缝尖端产生反向应力场，降低裂缝尖端应力集中程度拉力纤维76纤维混凝土结构 研究生专业选修课纤维掺入使裂缝尖端产生相反的应力强度因子，总应

30、力强度因子降为：复合材料实际应力强度因子 无纤维时应力强度因子纤维掺入产生的相反的应力强度因子沿纤维方向施加的均匀拉应力 纤维对混凝土裂后附加应变的阻力在纤维与基体界面上产生的最大剪应力SFRC临界应力强度因子77纤维混凝土结构 研究生专业选修课若设 ，则纤维混凝土抗拉强度 为：材料发生断裂破坏与裂缝形状有关的常数定向长纤维平均间距Romualdi的观点： SFRC的强度只由纤维的平均间距控制78纤维混凝土结构 研究生专业选修课纤维平均间距取决于纤维的排列分布纤维的方向性纤维平均间距与体积率的关系： 一维排列： 二维排列： 三维排列：79纤维混凝土结构 研究生专业选修课 基于纤维间距理论的抗拉

31、强度公式 Sc钢纤维产生增强效果的纤维间距上限值 K由纤维粘结强度决定的常数； 对钢丝切断的直纤维，K=4.5 对薄板剪切钢纤维， K=5.780纤维混凝土结构 研究生专业选修课 结论：1. 纤维间距低于Sc，纤维的增强效果才得以发挥，即 f 太低，纤维对抗拉强度起不到改善作用。2. 增强效果与 成正比，与 成反比，与纤维和基体的粘结强度成正比。3. 在一定程度上低估了f 的作用。81纤维混凝土结构 研究生专业选修课3.4 纤维混凝土的增韧效果及评定方法3.4.1 纤维混凝土的韧性3.4.2 弯曲韧性的评定方法82纤维混凝土结构 研究生专业选修课3.4.1 纤维混凝土的韧性定义：基体开裂后继续

32、维持一定抗力的变形能力，通常用与应力（荷载）应变（变形）曲线下的面积有关的参数来衡量。纤维的增韧效果83纤维混凝土结构 研究生专业选修课SFRC受拉、受弯受拉区基体开裂纤维继续承担拉力，基体裂缝面间尚有残余应力随裂缝开展，基体缝间残余应力减小，而纤维具有较大的变形能力可继续承担拉力纤维被拉断或从基体中拔出纤维的增韧效果84纤维混凝土结构 研究生专业选修课有关强度和韧性的名词抗折强度( modulus of rupture )抗弯强度弯拉强度(bending strength, flexural strength)弯曲强度抗弯韧性受弯韧性弯曲韧性( bending toughness, flex

33、ural toughness)85纤维混凝土结构 研究生专业选修课3.4.2 弯曲韧性的评定方法三分点加载小梁(100100350或400mm)试验评定方法日本土木学会标准 JSCE G552美国材料试验学会标准 ASTM C1018欧洲规范 EF-NARC美国规范 ASTM C152086纤维混凝土结构 研究生专业选修课荷载 P/KN挠度 /mml/150T韧度指数计算简图韧度指数:试件宽、高试件跨度 JSCE G552标准87纤维混凝土结构 研究生专业选修课韧度比 韧度指数与初裂弯拉强度 fftm,cr的比值88纤维混凝土结构 研究生专业选修课 ASTM C1018-97标准 以初裂挠度的

34、3倍、5.5倍和10.5倍前P曲线下面积，对初裂时P曲线下面积的比值为韧性系数I5、 I10、 I20。对理想弹塑性材料， I5=5、 I10=10、 I20=20对理想脆性材料， I5=1、 I10=1、 I20=1对SFRC，越接近理想弹塑性材料的值，则增韧效果越好89纤维混凝土结构 研究生专业选修课A1A290纤维混凝土结构 研究生专业选修课下周自学内容：第四章 钢纤维混凝土的配制与施工原材料（钢纤维、混凝土原材料、钢筋）SFRC配合比设计SFRC施工（搅拌、运输、浇筑和养护）SFRC质量检验91纤维混凝土结构 研究生专业选修课第五章 钢纤维混凝土基本性能5.1 钢纤维混凝土物理力学性能

35、5.1.1 钢纤维混凝土拉伸性能5.1.2 钢纤维混凝土弯曲性能5.1.3 钢纤维混凝土抗压性能5.1.4 钢纤维混凝土抗剪性能5.1.5 钢纤维混凝土抗折疲劳特性5.1.6 钢纤维混凝土徐变和收缩性能92纤维混凝土结构 研究生专业选修课第五章 钢纤维混凝土基本性能5.2 钢纤维混凝土耐久性5.2.1 钢纤维混凝土耐腐蚀性能5.2.2 钢纤维混凝土抗冻性93纤维混凝土结构 研究生专业选修课5.1 钢纤维混凝土的物理力学 性能5.1.1 钢纤维混凝土的拉伸性能SFRC拉伸变形与破坏特征SFRC轴心受拉应力-应变理论曲线SFRC抗拉强度计算模式94纤维混凝土结构 研究生专业选修课 SFRC拉伸变形

36、与破坏特征混凝土基体受力前后裂缝变化的四个阶段：收缩裂缝裂缝的受力引发裂缝稳定扩展裂缝不稳定扩展 应强调指出，钢纤维对混凝土的作用决非限于裂后阶段，在受力和初裂之前，钢纤维已通过抑制混凝土基体收缩，减少与缩小了裂缝源的数量和尺度95纤维混凝土结构 研究生专业选修课SFRC因钢纤维的阻裂效应，使上述四个阶段的特征发生明显变化，差异幅度与以下因素有关：纤维特性（ f 、df、lf /df、品种、外形等）混凝土基体特性（组成材料性能、基体强度等级）纤维-基体相对体积含量纤维-基体的界面粘结性能96纤维混凝土结构 研究生专业选修课 SFRC轴心受拉应力-应变理论曲线f =2.0%f =1.5%f =1

37、.0%f =0.5%f =0fft(Mpa)10-697纤维混凝土结构 研究生专业选修课SFRC轴心受拉应力-应变理论曲线分析当f 增大 ，初裂应变、初裂强度、极限应变、极限强度均相应提高，应力-应变曲线下包面积增大当f =0.5%2%，荷载达峰值后，并非突然下降，而有一个缓慢下降的过程，从而提高了韧性。98纤维混凝土结构 研究生专业选修课 SFRC轴心受拉应力-应变理论曲线特征点SFRC抗拉峰点强度、峰点应变，经统计表示为:SFRC软化段剩余应力值，经统计表示为: SFRC抗拉峰点强度基体混凝土峰点强度曲线软化段反弯点对应的应力99纤维混凝土结构 研究生专业选修课 SFRC抗拉强度计算模式按

38、复合材料力学理论，纤维间距理论的模式（纤维从基体中拔出）（基体开裂后） 纤维方向有效系数纤维分散度影响系数纤维有效粘结系数100纤维混凝土结构 研究生专业选修课与普通混凝土衔接的计算模式，即影响系数法 SFRC抗拉强度设计值同强度等级混凝土基体抗拉强度设计值 钢纤维对混凝土抗拉强度的影响系数钢纤维含量特征参数101纤维混凝土结构 研究生专业选修课钢纤维对混凝土抗拉(弯拉)强度的影响系数钢纤维品种纤维外形基体强度ttm钢丝切断型端钩形C20C450.761.13C50C801.031.25钢板剪切型平直形C20C450.420.68C50C800.460.75异形C20C450.550.79C5

39、0C800.630.93钢锭铣削型月牙形C20C450.700.92C50C800.841.10熔抽异型C20C450.520.73C50C800.620.91102纤维混凝土结构 研究生专业选修课5.1.2 钢纤维混凝土弯曲性能纤维混凝土抗弯性能最能反映出纤维的增强、增韧效果弹性地基上的板式结构如路面、机场道面、码头铺面、工业地面等，均以弯拉强度（抗折强度、抗弯强度、折断模量）为设计依据103纤维混凝土结构 研究生专业选修课5.1.2 钢纤维混凝土弯曲性能 钢纤维混凝土弯曲断裂模型 钢纤维混凝土典型的荷载-挠度曲线 钢纤维混凝土的弯曲韧性 SFRC弯拉强度计算模式104纤维混凝土结构 研究生

40、专业选修课 钢纤维混凝土弯曲断裂模型105纤维混凝土结构 研究生专业选修课 钢纤维混凝土与素混凝土典型的荷载-挠度曲线106纤维混凝土结构 研究生专业选修课 钢纤维混凝土的弯曲韧性(a)(b)材料的强度高，但延性低材料的强度和延性都高时，才具有较高的韧性材料的延性高，但强度低107纤维混凝土结构 研究生专业选修课分析：韧性是材料强度和延性的综合韧性为材料或结构从荷载作用到失效为止吸收能量的能力；钢纤维改变了混凝土的脆性特征，使其在受力与破坏过程中能做更多的功SFRC诸多优异性能的产生是钢纤维对混凝土强化与韧化的综合效果108纤维混凝土结构 研究生专业选修课 SFRC弯拉强度计算模式按复合力学理

41、论，纤维间距理论的模式各种文献给出的经验系数 k1和 k2有一定差别，一般有： k1 = 0.9160.970 k2 = 2.414.92 表示基体对钢纤维混凝土的贡献取决于纤维有效系数及其与基体界面粘结状况或109纤维混凝土结构 研究生专业选修课与普通混凝土衔接的计算模式，即影响系数法 SFRC设计弯拉强度或弯拉强度标准值 同强度等级混凝土设计弯拉强度或弯拉强度标准值 钢纤维对混凝土弯拉强度的影响系数钢纤维含量特征参数110纤维混凝土结构 研究生专业选修课5.1.3 钢纤维混凝土抗压性能钢纤维对混凝土抗压强度和弹性模量的影响远不如抗拉、抗折那样明显钢纤维的掺入能否提高抗压强度及其提高幅度的大

42、小主要取决于混凝土基体强度的高低及其相应的界面强化程度111纤维混凝土结构 研究生专业选修课5.1.3 钢纤维混凝土抗压性能 基体混凝土强度等级对抗压强度的影响 SFRC轴压应力-应变全曲线 SFRC的抗压强度指标和强度等级112纤维混凝土结构 研究生专业选修课 基体混凝土强度等级对抗压强度的影响混凝土强度等级不高时（C20C30), 当f 由02%，抗压强度基本无影响，基体混凝土C20以下时，抗压强度甚至随f 增大而有所降低；基体混凝土强度等级较高时（C50C90），当 f 由02%，抗压强度随f 增大而提高；当f =2%，基体混凝土为C80时，抗压强度提高20%以上；当高强混凝土基体掺入0

43、20%的硅灰取代水泥后，抗压强度随f 增大而提高的幅度更显著，有时可提高30%以上。基体强度低，钢纤维掺入后增多了界面薄弱层，f 越大，界面薄弱层越多混凝土基体强度提高，钢纤维和水泥基界面区强化在设计钢纤维高强混凝土结构时，在充分发挥其抗拉、抗折能力的同时，也可考虑其抗压能力增强的作用 113纤维混凝土结构 研究生专业选修课基体混凝土强度等级对抗压强度的影响基体混凝土强度等级钢纤维掺量SFRC抗压强度普通混凝土（C20C30）随f 增大（02%）基本无影响，甚至降低高强混凝土（C50C90）随f 增大（02%）提高超高强混凝土（掺入020% 硅灰取代水泥）随f 增大（02%）提高幅度更大114

44、纤维混凝土结构 研究生专业选修课 SFRC轴压应力-应变全曲线10-3ffc(Mpa)bc(临界点)de115纤维混凝土结构 研究生专业选修课 SFRC轴压应力-应变全曲线的四个 不同阶段弹性阶段( ob段 ) 峰值应力50%以前裂缝稳定发展阶段( bc段 ) 峰值应力50%80%裂缝失稳扩展阶段（c点后） 峰值应力80%90%后破坏阶段（e点后）dcbe116纤维混凝土结构 研究生专业选修课 f 对SFRC轴压应力-应变全曲线的影响10-6f = 0f = 1%f = 2%f = 3%ffc(Mpa)117纤维混凝土结构 研究生专业选修课随f 增加，SFRC轴心受压-曲线的变化特征 1. 峰

45、点应力虽有差异, 但差异不大 2. 峰点应变和临界点应变明显提高 3. e点应变值，尤其是曲线下包围 面积（即压缩韧性)显著增大118纤维混凝土结构 研究生专业选修课 钢纤维混凝土的抗压强度指标和强度等级SFRC的立方体抗压强度标准值和强度等级，按混凝土结构设计规范（GB50010-2002）规定的方法确定SFRC的轴心抗压强度标准值和设计值 119纤维混凝土结构 研究生专业选修课 SFRC轴心抗压强度标准值和设计值强度种类CF20CF25CF30CF35CF40CF45ffck13.416.720.123.426.829.6ffc9.611.914.316.719.121.1强度种类CF50

46、CF55CF60CF65CF70CF75CF80ffck32.435.538.541.544.547.450.2ffc23.125.327.529.731.833.835.9120纤维混凝土结构 研究生专业选修课5.1.4 钢纤维混凝土抗剪性能钢筋混凝土构件中，抗剪承载力主要靠箍筋和弯起筋承担，横向钢筋多了，工程投资多，施工不方便，尤其对薄壁、抗震结构和复杂形状的特种结构，采用SFRC是提高结构抗剪能力的有效途径121纤维混凝土结构 研究生专业选修课5.1.4 钢纤维混凝土抗剪性能钢纤维混凝土承剪荷载-变形曲线钢纤维混凝土剪切破坏特征钢纤维混凝土抗剪强度计算模式122纤维混凝土结构 研究生专业

47、选修课 钢纤维混凝土承剪荷载-变形曲线f = 0%f = 1%f = 2%123纤维混凝土结构 研究生专业选修课钢纤维混凝土剪切破坏特征 混凝土受剪开裂后，纤维不是顺力方向拔出，而是与受力方向成一角度，增大了纤维拔出过程中的锚固作用，推迟了剪切破坏过程，明显提高抗剪承载力 在剪切荷载作用下，裂缝首先在剪切面中部出现，随剪切荷载增大，裂缝向上、下延伸，直至贯通而破坏124纤维混凝土结构 研究生专业选修课 钢纤维混凝土抗剪强度计算模式按复合力学计算模式（混合律法则）在试验基础上，经回归分析得：钢纤维混凝土抗剪强度普通混凝土抗剪强度 仅适用于普通强度等级混凝土125纤维混凝土结构 研究生专业选修课用

48、影响系数法计算模式 钢纤维对混凝土抗剪强度影响系数，经统计分析得126纤维混凝土结构 研究生专业选修课5.1.5 钢纤维混凝土抗折疲劳特性钢纤维混凝土的疲劳过程，即在反复荷载作用下裂缝引发、扩展、回复，再引发、扩展、回复的循环过程。在每一循环中，将不同程度地引起裂缝宽度和高度的变化，最终导致结构破坏疲劳过程中的损伤程度和持续时间主要取决于组成材料的结构、界面特性，即原生裂缝的尺度、数量及在重复荷载作用下阻止裂缝引伸与发展的能力127纤维混凝土结构 研究生专业选修课5.1.5 钢纤维混凝土抗折疲劳特性钢纤维混凝土抗折疲劳特性试验钢纤维混凝土抗折疲劳方程钢纤维混凝土与普通混凝土分层复合结构的疲劳方

49、程128纤维混凝土结构 研究生专业选修课 钢纤维混凝土抗折疲劳特性试验试验方法（三分点加荷）100mm100mm400mm(或500)150mm150mm550mm(道路用)三分点加荷加荷方式P129纤维混凝土结构 研究生专业选修课抗折疲劳试验主要参数荷载循环特征值：应力比：荷载作用频率：通常取120Hz（为观测方便，低应力比时，频率取高些；高应力比时，频率取低些）抗折疲劳强度抗折强度道路用SFRC，取=0.1；对SFRC 轨枕等特种制品，取=0.2130纤维混凝土结构 研究生专业选修课 钢纤维混凝土抗折疲劳方程 -抗折疲劳方程模式或用疲劳应力表示式中：N疲劳次数（疲劳寿命）131纤维混凝土结

50、构 研究生专业选修课综合系数法抗折疲劳方程计算模式 为保证99.7%的保证率，减去三倍回归系数的标准差后得到： 式中：Ne设计使用年限内，路面或机场道面 所经受的设计疲劳荷载循环次数，按现关规范确定 分别适用于民用机场、军用机场、公路和码头铺面132纤维混凝土结构 研究生专业选修课 钢纤维混凝土与普通混凝土分层复合结构的疲劳方程拉区钢纤维混凝土层为1/3，经三分点加荷疲劳试验，经回归分析后得：式中：分层钢纤维混凝土复合结构 的应力比133纤维混凝土结构 研究生专业选修课5.1.6 钢纤维混凝土徐变和收缩 性能 此部分内容自学134纤维混凝土结构 研究生专业选修课5.2 钢纤维混凝土耐久性 此部

51、分内容自学 5.2.1 钢纤维混凝土耐腐蚀性 5.2.2 钢纤维混凝土抗冻性135纤维混凝土结构 研究生专业选修课第六章 钢纤维混凝土本构模型和强度理论6.1 混凝土和SFRC本构关系和强度准则的研究概况6.2 SFRC在混凝土结构复杂应力区的应用6.3 混凝土和SFRC多轴应力状态下通用破坏准则的建立6.4 SFRC的内时损伤本构模型136纤维混凝土结构 研究生专业选修课6.1 混凝土和SFRC本构关系和强度 准则的研究概况6.1.1 引言6.1.2 混凝土本构模型的类型6.1.3 混凝土的强度准则6.1.4 钢纤维混凝土本构关系和 强度理论的研究 137纤维混凝土结构 研究生专业选修课6.

52、1.1 引言材料本构性能的研究是结构理论研究和工程设计的基础所采用的材料本构关系的精度极大程度决定着计算结果能否正确地反映结构行为的实际情况所用本构关系的理论水平往往体现着工程设计水平的高低，采用较为符合实际的本构关系可以获得更为经济、合理的设计。138纤维混凝土结构 研究生专业选修课混凝土材料的本构关系反映了混凝土的基本力学特性，是研究和建立混凝土及钢筋混凝土结构承载力、裂缝和变形理论的依据。结构构件从使用阶段到破坏阶段全过程截面的应力分布、挠度及变形，超静定结构的内力重分布，塑性铰的极限转角，预应力损失及构件的延性和恢复力特性等问题的分析，都与混凝土材料的应力-应变状态函数有关。139纤维

53、混凝土结构 研究生专业选修课随着计算机技术的飞速发展和有限元分析方法（SAP、ADINA、ANSYS等分析软件)在工程中的广泛应用，混凝土的本构关系曲线更成为重要依据，特别是曲线下降段，对于钢筋混凝土构件的全过程非线性分析，极限状态下的截面应力分布，高层建筑结构的延性和恢复力特性等有较大的影响。140纤维混凝土结构 研究生专业选修课6.1.2 混凝土本构模型的类型混凝土在单轴单调反复荷载以及双轴、三轴荷载作用下的众多本构模型，其表达形式差别很大，计算结果和适用范围各有区别，但基本上可以解决现有结构计算的要求。 141纤维混凝土结构 研究生专业选修课分别以弹性力学、塑性力学、断裂力学、不可逆热力

54、学、损伤力学等理论为基础，混凝土的本构模型可分为以下六类：线弹性模型非线弹性模型塑性模型塑性断裂模型内时模型损伤模型 142纤维混凝土结构 研究生专业选修课在这些研究成果中有代表性的模型有： Umemura(1951)、Hognestad(1951)、 Young(1955)、Tulin(1964) 、 Alexander(1965)、Shah(1966)、Kokushu(1966)、CEB/FIP(1970)、Popovics(1971)、Sargin(1971)、Kent(1971)、Cohu(1972)、Okushima(1974)、Chen-chen(1977)、Wang(1978)、

55、Suzuki(1978)、Buyukozturk(1979)、 过镇海（1979）、王起玉（1979）、林大炎（1981）、Chen-hnobrich(1981)、Hsieh-Ting-Chen(1982)、Han-Chen(1985)、俞茂宏（1991）等，143纤维混凝土结构 研究生专业选修课 上述这些模型均由试验数据资料回归得到。至今，还没有一个公认通用的混凝土本构模型，只能根据结构工程和分析对象的受力特点、应力范围和计算精度的要求等加以选择。目前，在工程实践中应用最多的是基于试验结果拟合的非线弹性类模型。 144纤维混凝土结构 研究生专业选修课6.1.3 混凝土的强度准则建立混凝土强度

56、准则的目的就是尽可能地概括不同受力状态下混凝土的强度破坏条件。对于不同情况，如初裂、屈服、极限强度等都可定义为破坏，对于混凝土强度准则来说，一般是指极限强度而言。145纤维混凝土结构 研究生专业选修课古典强度理论有：1682年Mariotto提出的最大拉应变理论1876年Rankine提出的最大拉应力理论1864年Tresca提出的最大剪应力理论1900年提出的Mohr-Coulomb理论1913年Von Mises提出的统计平均剪应力理论1952年提出的Drucker-Prager理论 古典强度理论的计算式中只包含一个或两个参数，破坏曲面形状简单，只适用于某种特定材料，一般不适用于混凝土复杂

57、的破坏条件。146纤维混凝土结构 研究生专业选修课混凝土的多轴强度问题大量混凝土三轴强度试验数据描绘主应力空间破坏包络面根据曲面几何特征，建立数学表达式，即混凝土的破坏准则 这些准则来自试验结果的回归分析，计算混凝土的多轴强度具有足够的准确性，也能满足工程应用的要求。147纤维混凝土结构 研究生专业选修课6.1.4 钢纤维混凝土本构关系和强度理论的研究大连理工大学赵国藩、空军工程学院章文纲、程铁生首先进行了单调轴拉、轴压荷载下钢纤维混凝土应力-应变全过程的试验研究。铁道部科学研究院在1988-1990年间开展了钢纤维混凝土基本强度规律的试验研究，钢纤维混凝土在单轴和多轴应力状态下变形规律的试验

58、研究。大连理工大学开展了三轴应力状态下钢纤维混凝土、钢纤维轻骨料混凝土的变形、强度特性及本构模型的试验研究。 148纤维混凝土结构 研究生专业选修课 上述研究中，具有一定的代表性和适用性的有大连理工大学宋玉普、赵国藩教授等人提出的：钢纤维混凝土的内时损伤本构模型复杂应力状态下普通混凝土和钢纤维混凝土的通用破坏准则149纤维混凝土结构 研究生专业选修课6.2 SFRC在混凝土结构复杂应力区的应用复杂应力应力的多向性，各点应力呈二维、三维状态，并且各点主应力方向不同应力的不均匀性，沿各个方向上应力变化梯度较大应力的不确定性，在不同荷载组合下，各点的应力方向、大小也不相同150纤维混凝土结构 研究生

59、专业选修课钢纤维在基体中呈三维乱向分布，沿每个方向都有增强、增韧效果容易浇筑成型，比钢筋更能适应于各种复杂的结构形式限制混凝土裂缝的作用优于钢筋钢纤维用于混凝土结构复杂应力区是非常有利的151纤维混凝土结构 研究生专业选修课复杂应力区采用钢纤维混凝土增强的有：受弯构件的抗剪抗震框架节点混凝土结构局部受压区板和桩基承台的抗剪、抗冲切预应力混凝土轨枕梁托和牛腿建筑物和构筑物的孔口应力集中区核反应堆压力容器和安全壳水工大体积混凝土按混凝土多轴 强度理论设计按试验得出的半经验半理论公式设计152纤维混凝土结构 研究生专业选修课6.3 混凝土和SFRC多轴应力状态下 通用破坏准则的建立 八面体正应力、剪

60、应力与Lode角概念 1octr32oct等倾面偏平面octahedron 八面体153纤维混凝土结构 研究生专业选修课 八面体应力与该点主应力的关系如下：Lode角为： 154纤维混凝土结构 研究生专业选修课 多轴应力下混凝土的强度破坏准 则表示方法 方法一：用三个主应力1、2、3为坐标轴的空间破坏曲面来表达(图a)方法二：用以八面体正应力oct、八面体剪应力oct为坐标轴的拉、压子午线来表示(图b)155纤维混凝土结构 研究生专业选修课图a 空间破坏包络面 图b 偏平面123132 混凝土的空间破坏包络面和偏平面156纤维混凝土结构 研究生专业选修课偏平面上的强度包络线为三折对称，由夹角6