分形几何在500MPa钢筋混凝土梁的试验研究及分形分析
|
摘要
建筑结构的开裂问题一直以来都是国内外有关专家学者关注的课题之一。随着《混凝土结构设计规范》(GB50010-2002)的颁布和实施,HRB400 (新Ⅲ级钢)钢筋已经作为主导钢筋推广并应用于工程结构。然而对500MPa(Ⅳ)钢筋作为抗剪箍筋研究刚刚起步,可能会出现过宽的斜裂缝而不能满足结构的适用性和耐久性的要求。高强度箍筋混凝土结构在正常使用阶段能否满足适用性和耐久性的要求,一直是工程应用关注的问题之一。
本文通过对8根高强度箍筋混凝土T形截面梁的试验研究,分析了高强钢筋混凝土梁在集中荷载作用下斜裂缝产生和发展过程及开裂模式,并在此基础上重点讨论了不同的影响因素,主要分析了加载方式、混凝土强度、钢筋强度对试验梁的开裂、裂缝宽度、挠度等的影响,讨论了试验梁在使用荷载阶段能否满足最大裂缝宽度限值的要求。
同时,在试验的基础上,利用已有的试验数据和裂缝图用分形几何理论对试件中斜裂缝的出现、发育以及演化分布特征进行分析。结果表明:分形理论对斜裂缝自相似性有很好的量化关系,对高强箍筋钢筋混凝土梁受剪斜裂缝有很好预测。
最后本文通过对8根HRB400和8根500MPa在集中荷载作用下高强箍筋T形截面简支梁的试验研究对比,借助于试验中不同荷载下阶段裂缝分布图,运用分形理论对试件中混凝土裂缝开展各阶段的斜裂缝密度、剪力、挠度与分形维数的关系进行分析对比。研究表明:两种高强钢筋混凝土构件都有很好的稳定性,有很好的推广应用前景,同时分形维数与剪力、挠度、以及裂隙化程度具有明确的量化关系丰富了本试验的研究。
Construction structure dehiscence question is always one of topics which the domestic and foreign concerned experts pay attention. Along with "Concrete structure Design Standard" (GB50010-2002) promulgation and implementation, HRB400 (newⅢsteel) steel bar has already been the led steel bar to promote and to apply in the engineering structure. However , 500 MPa (Ⅳ) steel bar as anti-cut the stirrup research just to start, it possibly could appear the width slanting crack which can not to be able to satisfy the structure serviceability and durable request. Whether does the high strength stirrup concrete structure satisfy the serviceability and durable request in the normal operational phase is always one of project application matters of concerning.
The article made eight high strength stirrup concrete T the shape section beams experimental study, and analyzed that reinforced concrete beam produce crack with the developing process and the dehiscence pattern under the centralism load, and mainly discussed the different influence factor in this foundation and analyzed the influence of experimented beam dehiscence, the crack opening, the deflection and so on under the load way, the concrete intensity, the steel bar intensity to, discussed whether experimented beam satisfy the biggest crack opening limiting value in the use load stage.
At the same time, in the experimental foundation, using the existing data and crack chart to analyse the sample in the slanting crack appearance, the growth as well as the evolved distribution characteristic with the fractal geometry theory. The result indicated that, The fractal theory has the very good quantification relations to the slanting crack from the similarity, to excel in stirrup reinforced concrete beam sheared in inclined crack forecast.
Finally this article compared experimental study of 8 HRB400 and 8 500 MPa high strength stirrup T shape section simple beam under centralism load function. with the aid of the stage crack distribution map in the experiment under the different load, with the fractal theory carries the slanting fracture density, the shearing force, the amount of deflection and the fractal dimension relations on the analysis contrast, which is from the concrete crack developing various stages of the sample. The research indicated that, Two kind of high strength reinforced concrete component all has the very good stability and promoted application prospect, at the same time the fractal dimension and the shearing force, the amount of deflection, as well as the crevasse degree has the explicit quantification relations which enriched this experimental research.
本文通过对8根高强度箍筋混凝土T形截面梁的试验研究,分析了高强钢筋混凝土梁在集中荷载作用下斜裂缝产生和发展过程及开裂模式,并在此基础上重点讨论了不同的影响因素,主要分析了加载方式、混凝土强度、钢筋强度对试验梁的开裂、裂缝宽度、挠度等的影响,讨论了试验梁在使用荷载阶段能否满足最大裂缝宽度限值的要求。
同时,在试验的基础上,利用已有的试验数据和裂缝图用分形几何理论对试件中斜裂缝的出现、发育以及演化分布特征进行分析。结果表明:分形理论对斜裂缝自相似性有很好的量化关系,对高强箍筋钢筋混凝土梁受剪斜裂缝有很好预测。
最后本文通过对8根HRB400和8根500MPa在集中荷载作用下高强箍筋T形截面简支梁的试验研究对比,借助于试验中不同荷载下阶段裂缝分布图,运用分形理论对试件中混凝土裂缝开展各阶段的斜裂缝密度、剪力、挠度与分形维数的关系进行分析对比。研究表明:两种高强钢筋混凝土构件都有很好的稳定性,有很好的推广应用前景,同时分形维数与剪力、挠度、以及裂隙化程度具有明确的量化关系丰富了本试验的研究。
Construction structure dehiscence question is always one of topics which the domestic and foreign concerned experts pay attention. Along with "Concrete structure Design Standard" (GB50010-2002) promulgation and implementation, HRB400 (newⅢsteel) steel bar has already been the led steel bar to promote and to apply in the engineering structure. However , 500 MPa (Ⅳ) steel bar as anti-cut the stirrup research just to start, it possibly could appear the width slanting crack which can not to be able to satisfy the structure serviceability and durable request. Whether does the high strength stirrup concrete structure satisfy the serviceability and durable request in the normal operational phase is always one of project application matters of concerning.
The article made eight high strength stirrup concrete T the shape section beams experimental study, and analyzed that reinforced concrete beam produce crack with the developing process and the dehiscence pattern under the centralism load, and mainly discussed the different influence factor in this foundation and analyzed the influence of experimented beam dehiscence, the crack opening, the deflection and so on under the load way, the concrete intensity, the steel bar intensity to, discussed whether experimented beam satisfy the biggest crack opening limiting value in the use load stage.
At the same time, in the experimental foundation, using the existing data and crack chart to analyse the sample in the slanting crack appearance, the growth as well as the evolved distribution characteristic with the fractal geometry theory. The result indicated that, The fractal theory has the very good quantification relations to the slanting crack from the similarity, to excel in stirrup reinforced concrete beam sheared in inclined crack forecast.
Finally this article compared experimental study of 8 HRB400 and 8 500 MPa high strength stirrup T shape section simple beam under centralism load function. with the aid of the stage crack distribution map in the experiment under the different load, with the fractal theory carries the slanting fracture density, the shearing force, the amount of deflection and the fractal dimension relations on the analysis contrast, which is from the concrete crack developing various stages of the sample. The research indicated that, Two kind of high strength reinforced concrete component all has the very good stability and promoted application prospect, at the same time the fractal dimension and the shearing force, the amount of deflection, as well as the crevasse degree has the explicit quantification relations which enriched this experimental research.
引文
[1]中华人民共和国建设部，GB50010-2001，混凝土结构设计规范．北京：中国建筑工业出版社，2002
[2] B．Barr,Research Results on Special Concrete in the UK，Proceedings of 5th Conference onConcrete，Prague，CSSR Sept，1990，p4-6
[3]聂建国，沈聚敏．钢筋混凝土梁的斜裂缝宽度．建筑结构．1994，6：33~36
[4]邵卓民．钢筋砼剪、扭构件的软化桁架理论(I)．土木工程学报
[5]过镇海．钢筋混凝土原理．北京：清华大学出版社，1999
[6]赵国藩，李树瑶，廖婉卿．钢筋混凝土结构的裂缝控制．北京：海洋出版社，1991年
[7]F．Leonhardt，R．Walther，Schuversuche an Plattenbalken mit unterschiedlicher Schubbewehrung，Berlin，1963
[8]过镇海等．科学研究报告集(第三集)北京：清华大学出版社，1981：l-17
[9]姚振钢，刘祖华．建筑结构试验，上海：同济大学出版社，1996，P8～128
[10]吴智敏，“混凝土I型裂缝静、动态断裂特性研究”大连理工大学学位论文，1993
[11]卢建峰，蒋永生，梁书亭，“高强钢筋高强混凝土梁刚度的试验研究”，东南大学学报，Vol．26，l996(6B)，PP．109一ll4
[12]谢和平等，分形几何一数学基础应用,重庆大学出版社，1991年
[13]王菘，“斜向水平荷载作用下钢筋混凝土框架柱试验研究及有线元分析”，[硕士学位论文]，天津：天津大学，2002
[14]刘康，“混凝土灌芯纤维增强石膏板抗震性能的试验研究及有限元分析”，[硕士学位论文]，天津：天津大学，2002
[15]F．Leonhardt，R．Walther,”Schuversuche an Plattenbalken mit unterschiedlicher Schubbewehmng'’，Berlin，1963．
[16]丁大钧．试论钢筋混凝土构件裂缝力学机理．土木工程学报，1983，16(1)：41～47
[17]谭品峰，王铁成，戎贤，田爱勇，“HRB400高强钢筋在混凝土构件中的应用研究”，河北工业大学学报，2004(2)，PP．41—43
[18]张利梅，赵顺波，黄承逵，“预应力高强混凝土梁抗裂度和裂缝宽度试验研究”，建筑结构，2004(8)，PP．45—48
[19]金琰，劳幼坡，康谷贻，“集中荷载作用高强钢筋混凝土梁斜裂缝的出现与发展”，建筑结构，2003(1)．PP．15-16
[20]Wittmann F H“Fracture Toughness and Fracture Energy of Concrete”，Elsevier Science Publisher,TheNetherlands，1986．PP．629—694．
[21]Klj C．Owang，E．Wollmb S．M．Kulkami and S．EShah,“Prediction of Cracking Response ofReinforcedConcrete Tensile Members”，Journal ofStructural Engineering，Vol．123，No．1，January,1997，PP．70-78
[22]Fariborz Barzegar and Srinivas Maddipudi．“Three—Dimensional Modeling ofConcrete Structures．I：PlainConcrete”，Journal ofStructural Engineering，Vol．123，No．10，October 1997，PP．1339-1346
[23]Kamel BEN Amara．“Griffith Energy Balance Model for Crack．Growth Prediction．in ReinforcedConcrete”，Journal ofEngineering Mechanics，Vol．122，No．7，July 1996．PP．683—689．
[24]董春敏．均布荷载下高强钢筋混凝土粱抗剪性能研究．天津大学硕士学位论文，2003
[25]谭品峰．集中荷载作用下高强钢筋混凝土梁抗剪性能研究．天津大学硕士学位论文，2003
[26]王新宁．HRB400钢筋混凝土梁抗弯性能的试验研究及有限元分析．天津大学硕士学位论文，2003
[27]姜宁辉，蒋永生，陈德文．配有高强钢筋的高强混凝土梁抗裂与裂缝宽度验算，建筑结构，1998，4：24~27
[28]梁书亭，蒋永生，姜宁辉．高强钢筋高强混凝土梁裂缝宽度验算方法的研究．南京：南京建筑工程学院学报，1998，2：10～15
[29] D梁书亭，蒋永生，姜宁辉，“高强钢筋高强混凝土梁裂缝宽度验算方法的研究”，南京建筑工程学报，1998(2)，PP．10-15
[30]赵国藩，赵顺波．钢筋钢纤维混凝土梁斜裂缝宽度计算方法，建筑结构，1998，7：39~42
[31]郦世平，杨博铭．粘结在钢筋砼构件裂缝控制中的重要意义．工程建设与设计，1999，3：10～13
[32]金琰．钢筋混凝土梁斜向承载力的研究．天津：天津大学硕士论文，2000年
[33]金琰，苏幼坡，康谷贻．斜裂缝宽度计算及新规范受剪承载力能否满足斜裂缝宽度的讨论．建筑结构，2003，33(1)：12～14
[34]肯尼斯·法尔科内[英]，分形几何中的技巧，东北大学出版社，1999年
[35]谢和平等，星积分形曲面及其维数[J]．应用数学利力学，1997．11
[36]王铁成等，混凝十结构裂缝状态及其扩展的分形几何解析[J]．大连理工大学学报，1997．8：77-81
[37]陈瑜等，分形在混凝土损伤表面的应用及其分数维的计算方法探讨．2004．10
[38]谢和平，岩石混凝土损伤力学[M]．徐州，中围矿业大学出版社，1990年：111—115
[39]孙丽风．分形几何方法模拟混凝土材料的裂纹扩展．[J]青岛建筑工程学报．1998．287—91
[40]谢和平等，混凝土损伤断裂的分形特征，跨世纪的工程力学，1996．12
[41]K．H．Tan and H．Y．Lu shear behavior of large reinforced concrete deep beams and code comparisons，ACIStructural Journal，1996．5：693-702
[42]U．SchneiderU．Diederichs．Detection of cracks by mercury penetration measurements，Fracture Mechanicsofconcrete．1983．Elsevier science publishers B．V Amsterdam、Netherlands．207-225
[43]Mandelbrot．B．B．The fracture geometry of nature．W．H．Freeman．New York．1992
[44]Hsu T T Getal． Microcracking of plain concrete and the shape of stre strain cul—x2 J A(71，1998(a)
[45]Kaptan M F“Crack propagation and the fracture of concrete”，Journal of the American ConcreteInstitute，1961，58(5)，PP．591—610．
[46]Cox H L．"A general introduction to fracture mechanics”，Mechanical Engineering PublicationsLimited，London，1 978．
[47]Mindess S．“The cracking and fracture ofconcrete：an annotated bibliography 1928—1981”．
[48]Wittmann F H"，FractureMechanics of Concrete”，Elsevier Science Publishers，The Netherlands，1983，PP．539-661．
[49]Mindess S．“The cracking and fracture ofconcrete：an annotated bibliography 1982-1985”
[50]Wittmann F H“Fracture Toughness and Fracture Energy of Concrete”，Elsevier Science Publisher，TheNetherlands，l986，PP．629-694．
[51]Wittmann F H“Fracture Toughness and Fracture Energy of Concrete”，Elsevier SciencePublishers，TheNetherlands，1986pp．363-374．
[52]Kesler C E，Naus D J，Lott J L．，“Fracture mechanics．its applicability to concrete”，The Society ofMaterials Science．1972：PP．113-124．
[53]Strange P C and Bryant A H．“Experimental tests on concrete fracture”，Journal of the EngineeringMechanics Division，ASCE，1979，105(2)，PP．337—342．
[54]Swartz S E，Huang and Hu K K．”Crack growth and fracture in plain concrete．static versus fatigue loading”．Fatigue of Concrete Structures，The American Concrete Institute，Detroit，Michigan，1982，PP．47-59．
[55]Zararis and George Ch．Papadakis：Diagonal shear failure and size effect in RC beams without webreinforcement．Journal of structural engineering，July，2001．733～742
[56]Alexander Placas and Paul E．Regan：Shear Failure of Reinforced Concrete Beams．ACI Journal，Jul—Aug1984
[2] B．Barr,Research Results on Special Concrete in the UK，Proceedings of 5th Conference onConcrete，Prague，CSSR Sept，1990，p4-6
[3]聂建国，沈聚敏．钢筋混凝土梁的斜裂缝宽度．建筑结构．1994，6：33~36
[4]邵卓民．钢筋砼剪、扭构件的软化桁架理论(I)．土木工程学报
[5]过镇海．钢筋混凝土原理．北京：清华大学出版社，1999
[6]赵国藩，李树瑶，廖婉卿．钢筋混凝土结构的裂缝控制．北京：海洋出版社，1991年
[7]F．Leonhardt，R．Walther，Schuversuche an Plattenbalken mit unterschiedlicher Schubbewehrung，Berlin，1963
[8]过镇海等．科学研究报告集(第三集)北京：清华大学出版社，1981：l-17
[9]姚振钢，刘祖华．建筑结构试验，上海：同济大学出版社，1996，P8～128
[10]吴智敏，“混凝土I型裂缝静、动态断裂特性研究”大连理工大学学位论文，1993
[11]卢建峰，蒋永生，梁书亭，“高强钢筋高强混凝土梁刚度的试验研究”，东南大学学报，Vol．26，l996(6B)，PP．109一ll4
[12]谢和平等，分形几何一数学基础应用,重庆大学出版社，1991年
[13]王菘，“斜向水平荷载作用下钢筋混凝土框架柱试验研究及有线元分析”，[硕士学位论文]，天津：天津大学，2002
[14]刘康，“混凝土灌芯纤维增强石膏板抗震性能的试验研究及有限元分析”，[硕士学位论文]，天津：天津大学，2002
[15]F．Leonhardt，R．Walther,”Schuversuche an Plattenbalken mit unterschiedlicher Schubbewehmng'’，Berlin，1963．
[16]丁大钧．试论钢筋混凝土构件裂缝力学机理．土木工程学报，1983，16(1)：41～47
[17]谭品峰，王铁成，戎贤，田爱勇，“HRB400高强钢筋在混凝土构件中的应用研究”，河北工业大学学报，2004(2)，PP．41—43
[18]张利梅，赵顺波，黄承逵，“预应力高强混凝土梁抗裂度和裂缝宽度试验研究”，建筑结构，2004(8)，PP．45—48
[19]金琰，劳幼坡，康谷贻，“集中荷载作用高强钢筋混凝土梁斜裂缝的出现与发展”，建筑结构，2003(1)．PP．15-16
[20]Wittmann F H“Fracture Toughness and Fracture Energy of Concrete”，Elsevier Science Publisher,TheNetherlands，1986．PP．629—694．
[21]Klj C．Owang，E．Wollmb S．M．Kulkami and S．EShah,“Prediction of Cracking Response ofReinforcedConcrete Tensile Members”，Journal ofStructural Engineering，Vol．123，No．1，January,1997，PP．70-78
[22]Fariborz Barzegar and Srinivas Maddipudi．“Three—Dimensional Modeling ofConcrete Structures．I：PlainConcrete”，Journal ofStructural Engineering，Vol．123，No．10，October 1997，PP．1339-1346
[23]Kamel BEN Amara．“Griffith Energy Balance Model for Crack．Growth Prediction．in ReinforcedConcrete”，Journal ofEngineering Mechanics，Vol．122，No．7，July 1996．PP．683—689．
[24]董春敏．均布荷载下高强钢筋混凝土粱抗剪性能研究．天津大学硕士学位论文，2003
[25]谭品峰．集中荷载作用下高强钢筋混凝土梁抗剪性能研究．天津大学硕士学位论文，2003
[26]王新宁．HRB400钢筋混凝土梁抗弯性能的试验研究及有限元分析．天津大学硕士学位论文，2003
[27]姜宁辉，蒋永生，陈德文．配有高强钢筋的高强混凝土梁抗裂与裂缝宽度验算，建筑结构，1998，4：24~27
[28]梁书亭，蒋永生，姜宁辉．高强钢筋高强混凝土梁裂缝宽度验算方法的研究．南京：南京建筑工程学院学报，1998，2：10～15
[29] D梁书亭，蒋永生，姜宁辉，“高强钢筋高强混凝土梁裂缝宽度验算方法的研究”，南京建筑工程学报，1998(2)，PP．10-15
[30]赵国藩，赵顺波．钢筋钢纤维混凝土梁斜裂缝宽度计算方法，建筑结构，1998，7：39~42
[31]郦世平，杨博铭．粘结在钢筋砼构件裂缝控制中的重要意义．工程建设与设计，1999，3：10～13
[32]金琰．钢筋混凝土梁斜向承载力的研究．天津：天津大学硕士论文，2000年
[33]金琰，苏幼坡，康谷贻．斜裂缝宽度计算及新规范受剪承载力能否满足斜裂缝宽度的讨论．建筑结构，2003，33(1)：12～14
[34]肯尼斯·法尔科内[英]，分形几何中的技巧，东北大学出版社，1999年
[35]谢和平等，星积分形曲面及其维数[J]．应用数学利力学，1997．11
[36]王铁成等，混凝十结构裂缝状态及其扩展的分形几何解析[J]．大连理工大学学报，1997．8：77-81
[37]陈瑜等，分形在混凝土损伤表面的应用及其分数维的计算方法探讨．2004．10
[38]谢和平，岩石混凝土损伤力学[M]．徐州，中围矿业大学出版社，1990年：111—115
[39]孙丽风．分形几何方法模拟混凝土材料的裂纹扩展．[J]青岛建筑工程学报．1998．287—91
[40]谢和平等，混凝土损伤断裂的分形特征，跨世纪的工程力学，1996．12
[41]K．H．Tan and H．Y．Lu shear behavior of large reinforced concrete deep beams and code comparisons，ACIStructural Journal，1996．5：693-702
[42]U．SchneiderU．Diederichs．Detection of cracks by mercury penetration measurements，Fracture Mechanicsofconcrete．1983．Elsevier science publishers B．V Amsterdam、Netherlands．207-225
[43]Mandelbrot．B．B．The fracture geometry of nature．W．H．Freeman．New York．1992
[44]Hsu T T Getal． Microcracking of plain concrete and the shape of stre strain cul—x2 J A(71，1998(a)
[45]Kaptan M F“Crack propagation and the fracture of concrete”，Journal of the American ConcreteInstitute，1961，58(5)，PP．591—610．
[46]Cox H L．"A general introduction to fracture mechanics”，Mechanical Engineering PublicationsLimited，London，1 978．
[47]Mindess S．“The cracking and fracture ofconcrete：an annotated bibliography 1928—1981”．
[48]Wittmann F H"，FractureMechanics of Concrete”，Elsevier Science Publishers，The Netherlands，1983，PP．539-661．
[49]Mindess S．“The cracking and fracture ofconcrete：an annotated bibliography 1982-1985”
[50]Wittmann F H“Fracture Toughness and Fracture Energy of Concrete”，Elsevier Science Publisher，TheNetherlands，l986，PP．629-694．
[51]Wittmann F H“Fracture Toughness and Fracture Energy of Concrete”，Elsevier SciencePublishers，TheNetherlands，1986pp．363-374．
[52]Kesler C E，Naus D J，Lott J L．，“Fracture mechanics．its applicability to concrete”，The Society ofMaterials Science．1972：PP．113-124．
[53]Strange P C and Bryant A H．“Experimental tests on concrete fracture”，Journal of the EngineeringMechanics Division，ASCE，1979，105(2)，PP．337—342．
[54]Swartz S E，Huang and Hu K K．”Crack growth and fracture in plain concrete．static versus fatigue loading”．Fatigue of Concrete Structures，The American Concrete Institute，Detroit，Michigan，1982，PP．47-59．
[55]Zararis and George Ch．Papadakis：Diagonal shear failure and size effect in RC beams without webreinforcement．Journal of structural engineering，July，2001．733～742
[56]Alexander Placas and Paul E．Regan：Shear Failure of Reinforced Concrete Beams．ACI Journal，Jul—Aug1984