再生混凝土梁受力性能的分析与研究

发布时间：2016-04-11 17:21

1绪论

1.1选题背景
据统计,建筑废料占我国城市垃圾的比例可高达30%-40%。人们最普遍的处理办法是将建筑垃圾直接运往郊外进行露天堆放或填埋,这样不仅占用了大量的土地,还增加了垃圾清运的费用[1]。与此同时,建筑垃圾在运送和堆放过程中会产生大量的粉尘和灰砂,导致环境污染加重、也给人们的日常生活带来了不便。随着社会的发展,耕地保护和环境保护的多种相关法律法规的陆续颁布实施,使得怎样正确处理和排放建筑垃圾成为各界面临的一项重大难题[2]。许多资料显示:截止到1995年底,日本每年要排放达6400万吨的废弃混凝土[3];西欧的人均废弃混凝土的排放量约0.6-0.9t;而在1998年,香港每天将排放高达32710吨的建筑废弃物。因此,如何正确的处理废旧混凝土是人们需要迫切解决的问题[4]。我国有着悠久的历史文化,许多建筑物已经临近使用年限,各种的城市重建、项目改造和道路翻修等工程的进行,导致了废旧混凝土总量的逐年增多。如果只是单纯的将这些废料运往郊外进行露天堆放或填埋不仅会对环境造成严重的污染,还会浪费资源。为此,我国十分重视废旧混凝土再生利用的研究,将废旧混凝土的资源化处理做为环境保护和可持续发展战略追求的目标之一,并将其列入了国家“十一五”规划项目[5]。此外,混凝土的大量使用增加了天然砂和碌石的总需求。据统计,全世界每年消耗的混凝土总量远大于40亿m3,所需要的天然砂石骨料更是比60-80亿吨还要多[6]。而砂石骨料主要来源于对矿山的大量开采,这就必然会导致生态环境的破坏。因此,利用这些建筑废弃物制备高质量的混凝土越来越成为人们研究的主向,这种“变废为宝”的方法不仅能节约资源还能减少环境污染,是我国提倡的可持续发展战略的体现。
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1.2国内外再生混凝土的研究现状与应用
二战过后,以日本、德国、荷兰等国为代表的国家对废弃混凝土的未来发展前景和回收再利用的方法进行了研究,并对相关项目进行了会晤。为了彰显再生混凝土利用的重要性地位,许多国家制定了相关的法律法规来确保相关研究的顺利进行,并将其视为环境保护和可持续发展的重要措施荷兰是早期研究再生混凝土的代表国家之一。1980年,荷兰就对利用再生混凝土制备素混和钢混等其他类别的混凝土方面制定了规范。其内阁计划截止到2000年,建筑废料的回收率争取达到百分之九十以上。截止到1990年底,丹麦的建筑废料的回收利用率达67.2%以上,相当于在产生的1220万吨的建筑垃圾中,有820万吨可进行回收利用,数据相当可观。为了进一步提高再生混凝土的利用率,在同一年丹麦还对法规进行了修正,修正案指出:可以考虑在适宜的条件下,将再生骨料用于某种特定的结构[12]。再生混凝土的众多应用中,德国主要将其应用在公路上。以萨克森州高速公路为例,以刚性水泥混凝土为主的路面结构,总厚度可达26cm。共分两层,第一层厚7cm,以天然骨料配制的混凝土为主;第二层厚19cm,以再生混凝土为主。此外,德国运用再生混凝土建成了一栋六层框架结构的办公楼,为各国废弃混凝土的回收再利用起到了示范作用[14]。1977年,日本在各地设立了建筑垃圾回收利用工厂,并制定了《再生骨料和再生混凝土使用规范》;1992年,提出了 “控制建,筑副产品排.放、以及建.筑副产品的回收利用”的计划[15];然后在1996年10月,日本制定了 “再生资源法”以推动建筑副产品的回收利用。一系列政策的出台都将为再生混凝土的发展提供依据和保障。据统计资料显示:美国有30多个州将再生骨料应用于公路建设,其中有4个州将其用于底基层,26个州将其用于基层,并有15个州制定了相关规范。包括密歇根州在内的许多州都将实施或已经完成有关再生混凝土应用的项目,并在高速公路中广泛釆用公路水泥混凝上的再生利用[17]。
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2再生混凝土梁承载力的计算分析

再生混凝土的力学性能受再生骨料取代率的影响,而表现出不同程度的差异性,因此为了确定再生混凝土梁受弯承载力的计算公式,有必要将取代率r的影响考虑在内。我们首先将普通混凝土设定为取代率r=0%的特定的再生混凝土,然后参照普通混凝土梁的受弯承载力的计算模式,进行再生混凝土梁的适用公式的推导,这对分析两种混凝土的差异和推动再生混凝土的进一步发展有着深远的影响。本文通过分析了普通混凝土的轴心受压的本构关系和大量的国内外研究情况,首先确定了再生混凝土的曲线,进而依据混凝土规范的规定,以普通混凝土梁受弯和抗剪承载力为基础推导再生混凝土的计算公式。

2.1再生混凝土受压曲线
参照普通混凝土的曲线形式,许多学者均通过试验测试,给出了再生骨料取代率不相同时,再生混凝土的(X-S曲线的近似形状。肖建庄[38]经过多次试验,给出了如图2所示的再生混凝土应力-应变曲线图,图中曲线分别是再生骨料取代率为0%、30%、50%、70%和100%时的曲线图。从图中可以看出曲线大体上也分为上升和下降两段,基本上可确定出比例极限点、临界点、峰值点、拐点和收敛点。随着再生骨料取代率的增加,上升段的曲线斜率越来越小,下降段的曲线斜率越来越大,表明再生混凝土Es降低、材质变脆。从表1-2可以看出,随着骨料取代率的增加,上升段参数a取值十分接近,而下降段参数6的取值呈上升趋势。其中,参数《代表图7所示曲线的初始切线的斜率,再生混凝土的初始弹性模量随着CT取值的减小而越来越小;&与下降段曲线下的面积有关,6的取值越大,下降段斜率就越大,材料的延性越差,材料越脆。
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2.2再生混凝土梁受弯承载力的计算分析
宋新伟[41]通过对8根梁进行加载直至破坏的试验,得到各级荷载作用下,梁跨中截面混凝土的平均应变随梁高变化的分布图,如图8。从图中可以看出,再生混凝土梁由开始加载,直至最后加载结束时的临近破坏,截面上各点的应变近似正比于该点到中性轴的距离。由此可知,再生混凝土平均应变沿梁高基本符合平截面假定。白文辉[33]通过试验研究了 6根不同骨料掺入量和掺入量相同配筋率不同的梁的加载情况,结果得到了梁跨中截面钢筋和混凝土应变沿截面高度的分布规律,很好的验证了平截面假定在再生混凝土梁受弯过程中的正确性。因此,本文通过借鉴平截面假定的内容,提出了几点适用再生混凝土梁正截面计算的几个基本假定:(1)构件的截面从开始受力到最后临近破坏始终保持平面内变形。(2)忽略再生混凝土的抗拉强度。
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3再生混凝土梁受力性能的有限元分析......28
3.1再生混凝土梁受弯性能的有限元分析......28
3.2再生混凝土梁抗剪性能的有限元模拟......39
3.3本章小结......52
4再生混凝土梁的可靠度分析......54
4.1结构可靠度概念与原理简介......54
4.1.1可靠度与可靠指标......54
4.1.2可靠度的计算方法......54
4.2再生混凝土梁受弯承载力的可靠度分析......55
4.2.1再生混凝土抗压强度的统计参数分析......57
4.2.2可靠指标的计算......58
4.3再生混凝土梁抗剪承载力的可靠度分析......62
4.3.1荷载效应和抗力的统计参数分析......62
4.3.2受剪承载力可靠指标的计算......67
4.4本章小结......73
5结论与展望......75
5.1 结论......75
5.2展望......75

4再生混凝土梁的可靠度分析

4.1结构可靠度概念与原理简介

可靠度计算方法根据复杂精确程度的不同分为一次二阶矩方法、二次二阶矩方法和蒙特卡洛方法[55]等。其中一次二阶矩方法中的验算点法是目前可靠度分析中最常用的方法,因此本节采用此算法进行计算。验算点法将功能函数线性化点取在设计验算点,从而提高了 P的计.算精度,并保证了对同一结构问题yS的惟一性。因其经系统改进后作为结构安全度联合委员会(JCSS)的文件附录推荐给土木工程界,故也称其为JC法[56]。通过对非线性功能函数在验算点处进行展开来计算可靠指标,根据以上分析我们假设C30再生混凝土的立方体抗压强度和轴心抗压强度的分布参数见表26,其中工况1表示与普通混凝土具有类似离散性的情形;工况2是根据上述情况①所进行的模拟;工况3则是根据上述情况②所进行的模拟;各分布类型的概率密度函数如图29所示。本节重点分析再生混凝土梁受弯承载力受各种因素的影响程度,即可分为两种情况进行分析:①再生混凝土的离散性与普通混凝土类似,即工况1的情形时,在不同骨料取代率下各因素对可靠指标的影响计算;②再生混凝土的离散性较大时,即工况2、3的情形时,不同骨料取代率下强度离散性对可靠指标的影响。

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结论

本文结合国内外有关再生混凝土梁的的受弯和抗剪性能试验,主要对再生混凝土梁进行了承载力的计算分析、有限元的模拟分析和承载力的可靠度分析,最后得出以下结论:
(1)以《混凝土结构设计规范》为基础推导出的含有参数再生骨料取代率r在内的再生混凝土梁的抗弯承载力计算式,经试验验证具有一定的适用性。
(2)以塑性理论为基础,给出了考虑开裂影响的再生混凝土梁受剪承载力的表达式,其中无腹筋梁和有腹筋梁的承载力公式存在一定的差别。但经相关的试验数据与计算结果的对比发现,两者的吻合度较高,理论推导式具有一定的合理性。
(3)利用ABAQUS有限元软件对再生混凝土梁的受弯过程进行模拟。结果发现:梁受弯过程中,跨中挠度随着取代率r的增加呈增长趋势;且梁破坏时的跨中挠度、极限承载力的计算值大于试验值,而开裂荷载的模拟计算值略微小于试验结果。
(4)通过ABAQUS软件模拟再生混凝土梁的抗剪过程发现:再生混凝土梁的抗剪承载力和跨中挠度随着再生粗骨料取代率〃的增加而有不同程度的降低。再生混凝土梁的抗剪性能大体上随着纵筋配筋率的增大而有所提高,但当配筋率增大到足以形成超筋梁时,其对再生混凝土梁抗剪性能的影响不再明显。
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参考文献(略)

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本文编号：37494