U形外包钢再生块体混凝土梁的受弯及耐火性能研究

发布时间：2020-10-11 15:43

　　 再生块体混凝土是废旧混凝土循环利用的一条有效途径。课题组前期已对再生块体混凝土的徐变性能、常温和冻融后力学性能,以及再生块体混凝土构件的基本力学行为和抗震、耐火性能进行了初步探索。在此基础上,为进一步拓展再生块体混凝土构件的形式,本文针对U形外包钢再生块体混凝土梁,就其受弯性能和耐火性能进行了研究。本文的主要工作包括:1.开展了12根U形外包钢再生块体混凝土梁的受弯试验,考察了废旧混凝土块体取代率、U形外包钢厚度、梁底纵筋配筋率等因素对梁受弯性能的影响;给出了梁受弯承载力的简便计算公式;在总用钢量基本一致的情况下,比较了U形外包钢再生块体混凝土梁和常规钢筋混凝土梁的受弯承载力。研究表明:(1)废旧混凝土块体取代率在0~40%之间变化,对梁的初始刚度、延性特征、受弯承载力、滑移走势、应变发展等均无明显影响;(2)为提高梁的受弯承载力,增配梁底纵筋比增加U形外包钢厚度更为经济有效,同时梁底纵筋还会使梁的屈服前刚度有所提高;(3)梁底配置纵筋可显著减小U形外包钢与内填混凝土之间的相对滑移,此时梁端截面为相对滑移最小的截面;(4)根据塑性理论给出的简便计算公式,可较好地预测此类梁的受弯承载力;(5)在总用钢量基本相同的情况下,U形外包钢再生块体混凝土梁具有与常规钢筋混凝土梁几乎相当的受弯承载力,以及比后者更优的综合性能。2.开展了5根U形外包钢再生块体混凝土梁的明火试验,考察了废旧混凝土块体取代率、梁底纵筋配筋率、防火涂料厚度、荷载比等因素对梁耐火性能的影响,揭示了U形外包钢和内填混凝土之间界面温差的大小及其变化趋势。研究表明:(1)废旧混凝土块体的采用对梁的耐火性能(破坏过程、温度分布、跨中挠度、耐火极限)几乎没有影响;(2)梁底配置纵向钢筋可显著提高梁的耐火极限;(3)U形外包钢腹板中部与内填混凝土之间的热阻,大于U形外包钢底板中部与内填混凝土之间的热阻,界面热阻导致界面两侧存在明显温差(最大可达280℃);(4)随着升温时间的增加,界面温差总体呈现出先逐渐增大而后缓慢降低的趋势,随着防火涂料厚度的增加,界面温差有所减小;3.利用SAFIR软件,建立了可考虑界面热阻的U形外包钢再生块体混凝土梁的有限元模型,对第三章的明火试验进行了数值模拟,考察了界面热阻和内填混凝土,以及防火涂料的导热系数取值方法对梁耐火性能的影响。研究表明:(1)采用本文建立的有限元模型,可较好地预测U形外包钢再生块体混凝土梁的截面温度场、跨中挠度和耐火极限;(2)忽略界面热阻会低估U形外包钢的温度,高估梁的耐火极限,因此有限元计算时应考虑界面热阻的影响,建议U形外包钢腹板与内填混凝土之间的界面热阻,以及U形外包钢底板与内填混凝土之间的界面热阻分别取为0.03 m~2 K/W和0.02 m~2 K/W;(3)内填混凝土的存在可显著延缓U形外包钢的升温速率,增大U形外包钢温度分布的不均匀性,提高梁的高温刚度,明显改善梁的耐火性能。4.通过480种工况的计算分析,揭示了防火涂料厚度、荷载比、U形外包钢截面尺寸、混凝土翼板的有效宽度和厚度、下部配筋系数、混凝土强度等级、U形外包钢和纵筋牌号等参数,对U形外包钢再生块体混凝土梁耐火极限的影响规律,建立了该类梁的耐火极限实用计算公式。研究表明:(1)防火涂料厚度、荷载比、下部配筋系数对梁的耐火极限影响较大,U形外包钢的截面尺寸亦对梁的耐火极限有一定的影响;(2)U形外包钢的高度和宽度对梁耐火极限的影响可合并综合考虑;(3)随着下部配筋系数的增加,梁的耐火极限逐渐增大,二者基本呈现出线性变化的规律,但增大斜率受防火涂料厚度和荷载比的影响;(4)本文建立的耐火极限实用计算公式具有较好的预测精度,可供U形外包钢再生块体混凝土梁的耐火设计参考。5.利用SAFIR软件,开展了具有端部约束的U形外包钢再生块体混凝土梁的耐火性能分析,考察了梁端轴向和转动约束刚度比、防火涂料厚度、梁端受弯承载力比、下部配筋系数、荷载比、U形外包钢截面尺寸等参数,对梁的轴向变形、轴力比、梁端弯矩和跨中挠度的影响。研究表明:(1)与无转动约束梁相比,转动约束梁的耐火性能大幅提升,在一定端部约束条件下不做防火保护也可满足一级耐火要求;(2)随着防火涂料厚度的增加,梁轴向变形和轴力比的峰值增大,但梁端弯矩的峰值点却逐渐降低;(3)梁端受弯承载力比越大,升温前期梁端弯矩也越大,但梁的轴向变形和轴力比以及跨中挠度却反而越小,升温后期正好相反;(4)下部配筋系数越大,升温前期梁的轴向变形、轴力比和跨中挠度反而越小,但升温后期三者都随下部配筋系数的增加而增大;下部配筋系数越大,梁端弯矩的峰值越大;(5)增大U形外包钢的宽度,可使梁的轴向变形和轴力比明显减小,梁端弯矩比却差异不大;随着U形外包钢厚度的增加,梁的轴向变形、轴力比和梁端弯矩均有明显增大,但梁端弯矩比仍然变化不大。
【学位单位】：华南理工大学
【学位级别】：博士
【学位年份】：2019
【中图分类】：TU398.9
【部分图文】：

华南理工大学博士学位论文个因素对梁耐火极限的影响规律，提出了该类梁耐火极限的实用计算公式。（5） 开展了具有端部约束的 U 形外包钢再生块体混凝土梁的耐火性能数值分析，考察了梁端轴向和转动约束刚度比、防火涂料厚度、梁端受弯承载力比、下部配筋系数、荷载比、U 形外包钢截面尺寸等参数对高温下梁的轴向变形、轴力比、梁端弯矩和跨中挠度等的影响。上述几个部分之间的关系见图 1-1。

图 2-2 废旧混凝土块体 图 2-3 试件浇筑Fig.2-2 Demolished concrete lumps Fig.2-3 Casting of specimen试件浇筑前，清除 U 形外包钢内部的灰尘、杂物，保持其内表面干净，以保证外包钢与内填混凝土之间的粘结。与新混凝土混合之前，废旧混凝土块体表面充分湿润。首先将废旧混凝土块体一次性放入 U 形外包钢内部，然后浇筑新混凝土并利工插入式振捣棒充分振捣，直至混凝土浇筑完成，人工收面。图 2-3 为混凝土浇筑件的照片。.2.2 试验加载及量测采用两点对称加载，具体见图 2-4。加载装置由反力架、液压千斤顶、压力传感分配梁等组成。正式加载之前，先预加载 10kN 以检查各类传感器是否正常工作，保试验各部分之间接触良好。正式加载时，每级荷载增量为 10kN，持荷 3min 后通

图 2-2 废旧混凝土块体 图 2-3 试件浇筑Fig.2-2 Demolished concrete lumps Fig.2-3 Casting of specimen试件浇筑前，清除 U 形外包钢内部的灰尘、杂物，保持其内表面干净，以保证外包钢与内填混凝土之间的粘结。与新混凝土混合之前，废旧混凝土块体表面充分湿润。首先将废旧混凝土块体一次性放入 U 形外包钢内部，然后浇筑新混凝土并利工插入式振捣棒充分振捣，直至混凝土浇筑完成，人工收面。图 2-3 为混凝土浇筑件的照片。.2.2 试验加载及量测采用两点对称加载，具体见图 2-4。加载装置由反力架、液压千斤顶、压力传感分配梁等组成。正式加载之前，先预加载 10kN 以检查各类传感器是否正常工作，保试验各部分之间接触良好。正式加载时，每级荷载增量为 10kN，持荷 3min 后通
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本文编号：2836792