钢衬钢筋混杂纤维砼压力管道的阻裂机理及设计方法研究

The exceeded crack-control problem of surrounding concrete cracks have occurred in the engineering application of the steel lined reinforced concrete pipe, which has seriously reduced the safety and durability of the penstock structure of hydropower station. Adding hybrid fiber to pipe surrounding concrete will innovate a new pipe form in which steel liner and hybrid fiber reinforced concrete combine to bear load, which will provide a new way to solve the crack-control problem of steel lined reinforced concrete pipe..Hybrid fiber reinforced concrete tensile test will be carried out and the tensile equivalent constitutive models of hybrid fiber reinforced concrete will be constructed. Based on indoor tests and mesoscopic numerical simulation technology, study on the quantitative relationship between the factors of fiber types and content and the crack-control performance index of hybrid fiber concrete will be carried out, hybrid coupling effect of different fibers will be analysed and the hybrid fiber concrete mechanism against crack for steel lined reinforced concrete pipe will be explored. Then design the method for steel lining reinforced hybrid fiber concrete pipe and determine the strategy for selecting the type and quantity of hybrid fiber, establish the limit state equation of corresponding pipe and put forward the applicable safety assessment method of bearing capacity and the crack width prediction model. All of these studies will provide theoretical basis and technical support for solving the crack-control problem of steel lined reinforced concrete pipe.

钢衬钢筋混凝土压力管道在工程运行中暴露出来的外包砼裂缝宽度超限问题，严重影响了水电站压力管道结构的安全和耐久性。本项目提出在其外包混凝土中掺入混杂纤维，从而形成新的钢衬与钢筋混杂纤维混凝土联合承载的管道形式，将为解决钢衬钢筋混凝土压力管道限裂问题提供一种新的途径。.本项目将开展钢筋混杂纤维混凝土拉伸试验，构建不同纤维类型、不同纤维掺量下钢筋混杂纤维混凝土受拉的等效本构模型；基于室内试验和细观数值模拟技术，研究纤维类型、掺量等因素与混杂纤维混凝土限裂性能指标的定量关系，分析不同纤维对基体砼改性作用的混杂耦合效应，揭示混杂纤维混凝土对钢衬钢筋砼管道的阻裂机理；开展混杂纤维混凝土应用于钢衬钢筋砼管道的设计方法研究，研究混杂纤维的选型及掺量策略，建立相应管道结构的极限状态方程，提出适用的承载力安全评估方法与裂缝宽度预测模型。研究成果将为解决钢衬钢筋混凝土压力管道的限裂问题提供理论基础和技术支持。

（1）考虑钢-聚丙烯混杂纤维掺入后的影响，根据复合材料力学理论，构建了适用于配筋钢-聚丙烯混杂纤维混凝土构件的最大裂缝宽度计算公式。.（2）设计并开展了一系列的钢-聚丙烯混杂纤维混凝土、钢-纳米混杂纤维混凝土、钢-玄武岩混杂纤维混凝土及钢-聚乙烯醇混杂纤维混凝土立方体抗压试验、轴向拉伸试验，研究了不同混杂纤维类型和掺量对混杂纤维混凝土立方体抗压强度、初裂荷载的影响规律，研究了混杂纤维的掺入对混凝土开裂过程及裂缝形态的影响，分析了钢筋应力与混杂纤维混凝土裂缝宽度之间的定量关系，研究了混杂纤维掺量对裂缝宽度的影响规律；对钢纤维混凝土和纳米纤维混凝土的微观结构开展电镜扫描分析，研究了不同的钢纤维和纳米纤维掺量对纤维混凝土微观结构形貌的影响；基于试验结果，分析了混杂纤维掺量对钢-玄武岩混杂纤维混凝土弹性模量、峰值强度、峰值应变的影响规律，建立了基于纤维特征值的钢-玄武岩混杂纤维混凝土弹性模量、峰值强度、峰值应变等计算公式和单轴受拉本构模型；完成钢-聚乙烯醇混杂纤维混凝土微观孔结构气体吸附分析，研究了钢-聚乙烯醇混杂纤维混凝土的微观孔结构与抗裂性能的关系。.（3）基于随机骨料模型和纤维投递算法，建立符合实际的骨料形状、级配以及纤维体积率的钢-玄武岩混杂纤维混凝土细观数值模型，实现了钢-玄武岩混杂纤维混凝土细观模型的参数化建模，并通过与室内试验结果对比分析，验证了细观数值模型的稳定性；开展钢-玄武岩混杂纤维混凝土轴向拉伸的细观数值试验，分析了不同纤维掺量的钢-玄武岩混杂纤维混凝土单轴拉伸的破坏过程，分析了钢-玄武岩混杂纤维的掺入对裂缝形态特征、开裂过程以及裂缝宽度等方面的影响规律，建立强度损失函数，研究了钢-玄武岩混杂纤维混凝土在局部开裂状态下的强度损失规律，以及钢-玄武岩混杂纤维掺入对钢-玄武岩混杂纤维混凝土裂后力学性能的影响。