摘 要

混凝土和钢筋混凝土结构在现代工程中广泛使用。与普通混凝土、普通的纤维增强水泥基复合材料相比，上世纪90年初出现的超高韧性水泥基复合材料（简称为ECC）具有更高的抗拉强度和延性。本文针对热力、市政等工程中暗沟、排水沟等上面铺设的盖板易破损、使用寿命短等问题，采用ECC材料研制一种新型开孔板。研究的开孔板具体尺寸与目前应用较多的暗沟、排水沟上的盖板相同，即长59.5cm，宽40cm，厚2.8cm，并在板上开3条长20 cm、宽2.5 cm的长方形通孔。采用花岗岩、素混凝土、钢筋增强混凝土、ECC、钢筋增强ECC等5种材料制成开孔板，并进行弯曲承压试验，得出了这5种开孔板的最大承载力、关键部位的应变和竖向位移。结果表明，ECC能显著提升开孔板的承压能力，开孔板的韧性也有很大的提升，ECC能更好的配合钢筋变形。采用ANSYS有限元软件模拟开孔板的力学行为，板开裂过程的模拟结果与试验结果比较一致。

关键词：高韧性水泥基复合材料；开孔板；力学行为

Abstract

Concrete and reinforced concrete structures are widely used in modern engineering structures. Compared with ordinary concrete and conventional fiber-reinforced cement-based composites, ultra high-toughness cementitious composites (referred as ECC), which was invented in the early 90th century, exhibit higher tensile strength and higher ductility. Since the cover plates on municipal engineering culverts, drains etc. often suffer from damages and frequently maintenances, so this paper aims to provide a new type of ECC slab. The size of ECC plate is 59.5 cm (length)×40cm (width)×2.8cm (thickness) with three rectangular holes of 20 cm (length)×2.5cm (width) through thickness. Plates are fabricated using five different kinds of materials such as granite, plain concrete, steel reinforced concrete, ECC and steel reinforced ECC. Then carrying load capacity, strain and displacement upon bending testing are obtained. Results show that ECC can not only significantly improve the bearing capacity of the perforated plate, but also improve toughness. ECC with high-ductility can deform well with steel reinforcement. By means of ANSYS FEM software, the mechanical behavior of these types of perforated plate is simulated. The simulated cracking process and deformation are consistent with the experimental observations.

Key Words：high toughness cementitious composites; numerical simulation; mechanical behaviors

目 录

第1章 绪论 1

1.1 研究背景及意义 1

1.2 ECC结构与数值模拟方面的研究现状 2

1.3本文研究的主要内容 3

第2章 ECC开孔板的制备与测试方法 4

2.1 ECC开孔板和增强钢筋框架的尺寸 4

2.2开孔板制备 4

2.2.1原材料 4

2.2.2试样的制备 4

2.3测试方法 6

2.3.1 测试设备 6

2.3.2 应变片与位移计位置 6

2.3.3 试验装置 8

第3章 几种开孔板弯曲实验的结果与分析 9

3.1 开孔板的位移-载荷分析 9

3.2 开孔板的破坏过程分析 9

3.2.1 花岗岩与素混凝土开孔板 9

3.2.2 钢筋混凝土开孔板 10

3.2.3 ECC板与加筋ECC板 11

3.3 应变结果与初步分析 14

3.4本章小结 16

第4章 开孔板的有限元分析 17

4.1材料的本构关系的选取 17

4.1.1 混凝土与ECC材料的本构模型 17

4.212钢筋的本构模型 17

4.2建模与求解 18

4.2.1 单元的选取 18

4.2.2 实体建模 18

4.2.3 求解 20

4.3结果及分析 20

4.3.1 位移结果 20

4.3.2 开裂模拟 21

第5章 结论与展望 24

5.1 全文总结 24

5.2 展望与建议 24

参考文献 25

致 谢 26

第1章 绪论

1.1 研究背景及意义

预制钢筋混凝土开孔板、花岗岩开孔板和树脂复合材料开孔板大量用于热力、市政及结构工程中暗沟、排水沟等上的盖板（如图1.1所示），其用量大、型式多样、造价便宜、结构简单，但也存在易破裂、使用寿命短等问题。通过实地调查了解到，这类开孔板常常位于马路、树池、人行道上，受车载、支承面变形（如地面拱起）等作用，开孔板破损的情况非常普遍（图1.2所示），给行人、车辆等带来安全隐患，维修频率较高，导致维护成本增加。花岗岩这类脆性材料拉伸强度低，裂纹一旦产生将迅速扩展，板很快发生垮塌。对钢筋混凝土开孔板而言，混凝土开裂后（尤其是在孔的周围），仅靠内埋钢筋承载，而且钢筋已经暴露，易锈蚀，经过一定时间就会导致板的失效。针对这些问题，本文依据高韧性水泥基复合材料（国际上也称为ECC或SHCC材料，本文采用ECC表示）所具有的超高延性（拉伸应变3%以上）、抗冲击、多重细裂纹开裂特性，提出ECC开孔板的方案，以解决现有开孔板易断裂的问题，提高开孔板结构的安全性和耐久性，服务于实际工程。