超低溫環(huán)境下預(yù)應(yīng)力混凝土材料及結(jié)構(gòu)性能試驗研究

近年來，隨著國家對能源需求的不斷增長，引進(jìn)和生產(chǎn)LNG（Liquefied Natural Gas，即液化天然氣，是將在常壓下為氣態(tài)的天然氣冷卻至-165℃，使之凝結(jié)成液體）對優(yōu)化我國的能源結(jié)構(gòu)，有效解決能源供應(yīng)安全、生態(tài)環(huán)境保護(hù)，實現(xiàn)經(jīng)濟(jì)和社會的可持續(xù)發(fā)展發(fā)揮重要作用。 本次課題在成功研制超低溫試驗降溫保溫裝置、試驗測試儀表設(shè)備的基礎(chǔ)上，系統(tǒng)的研究了超低溫下混凝土力學(xué)性能變化機(jī)理、超低溫下鋼絞線力學(xué)性能、超低溫下鋼絞線與混凝土的粘結(jié)性能、超低溫下混凝土的熱應(yīng)變與收縮徐變、超低溫下鋼絞線線膨脹系數(shù)與應(yīng)力松弛、超低溫下混凝土構(gòu)件預(yù)應(yīng)力損失,并且進(jìn)一步開展了超低溫下有粘結(jié)以及無粘結(jié)預(yù)應(yīng)力混凝土梁的試驗研究以及有限元分析,該課題還探究了低溫及凍融循環(huán)作用下鋼筋混凝土軸心受拉構(gòu)件裂縫開展情況并進(jìn)行了有限元分析。 經(jīng)過四年的研究，本課題為超低溫環(huán)境下預(yù)應(yīng)力混凝土材料及結(jié)構(gòu)性能的研究積累了大量的數(shù)據(jù)，并取得了一定的成果：低溫下隨著含水率的提高，混凝土的抗壓強(qiáng)度不斷增加；抗凍劑摻量為2%時，可使混凝土的抗壓強(qiáng)度得到提高；飽水狀態(tài)下混凝土低溫穩(wěn)定階段熱應(yīng)變率大于自然狀態(tài)下混凝土，混凝土低溫穩(wěn)定階段熱應(yīng)變率小于常溫階段；低溫下溫度對混凝土收縮的影響不明顯，但混凝土的徐變隨著溫度降低而顯著減小，且隨溫度降低徐變更快趨于穩(wěn)定；鋼絞線瞬間線膨脹和平均線膨脹系數(shù)隨著初始應(yīng)力的增大而增大，隨著溫度的降低而減?。讳摻g線應(yīng)力松弛隨著溫度的降低而減小，且其松弛速率也隨著溫度的降低而減??；在材性試驗和構(gòu)件試驗的基礎(chǔ)上，提出了低溫下預(yù)應(yīng)力損失的計算方法；且研究了超低溫下鋼絞線的力學(xué)性能，建立了低溫下預(yù)測鋼絞線力學(xué)性能的數(shù)值模型；隨著溫度的降低，鋼絞線與混凝土間平均粘結(jié)強(qiáng)度增大；隨著溫度的降低，預(yù)應(yīng)力混凝土梁的開裂荷載、屈服荷載以及極限荷載逐漸增大，且預(yù)應(yīng)力混凝土梁的剛度有一定的提高；提出了一種能夠模擬有粘結(jié)以及無粘結(jié)預(yù)應(yīng)力混凝土梁低溫下結(jié)構(gòu)性能的有限元計算方法；低溫條件下鋼筋混凝土軸心受拉構(gòu)件的平均裂縫間距較常溫條件的平均裂縫間距有所增加。 2100433B

存儲LNG（液化天然氣）、液氧、液氮等超低溫液體的儲罐和超低溫冷庫的設(shè)計自主化，以及預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)在嚴(yán)寒地區(qū)的安全使用，要求掌握預(yù)應(yīng)力混凝土在超低溫環(huán)境下的材料性能和結(jié)構(gòu)性能。本項目通過在超低溫環(huán)境下的系列試驗，研究超低溫環(huán)境下混凝土力學(xué)性能增強(qiáng)機(jī)理和凍融損傷機(jī)理，提出混凝土最佳配合比建議；研究造成預(yù)應(yīng)力損失的主要因素及超低溫對其影響規(guī)律，建立預(yù)應(yīng)力損失計算公式；研究預(yù)應(yīng)力混凝土梁在超低溫環(huán)境下的結(jié)構(gòu)性能及凍融循環(huán)對其結(jié)構(gòu)性能的影響，提出預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)在超低溫環(huán)境下的設(shè)計計算方法和遭受超低溫凍融循環(huán)后的受損模型。研究成果將促進(jìn)預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)在超低溫環(huán)境下的安全廣泛應(yīng)用，為制定LNG儲罐及類似低溫結(jié)構(gòu)的設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)提供有力的技術(shù)支持。

LNG等低溫儲罐的設(shè)計自主化，以及混凝土結(jié)構(gòu)在嚴(yán)寒地區(qū)的安全使用，要求掌握鋼筋混凝土材料在超低溫環(huán)境下的力學(xué)和結(jié)構(gòu)性能。本項目將通過一套完整的試驗方案，對鋼筋（包括鋼絞線）、混凝土材料在超低溫環(huán)境下的材料性能進(jìn)行系統(tǒng)研究，分析低溫對鋼筋混凝土材料力學(xué)性能及結(jié)構(gòu)性能的影響機(jī)理；建立混凝土、鋼筋及鋼絞線在低溫環(huán)境下力學(xué)性能模型及相互間粘結(jié)性能模型；并通過鋼筋混凝土構(gòu)件和預(yù)應(yīng)力混凝土構(gòu)件在低溫環(huán)境下的結(jié)構(gòu)性能試驗，驗證及修正材料性能模型。本項目的研究將有助于我國建立一套比較完整的、獨(dú)立的低溫環(huán)境下鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)體系，提升我國在大型低溫儲罐設(shè)計領(lǐng)域的國際地位，促進(jìn)混凝土結(jié)構(gòu)在超低溫環(huán)境下更加安全可靠的應(yīng)用。

近年來，由于液化天然氣越來越受到青睞，超低溫下鋼筋混凝土的性能研究越來越受到國內(nèi)學(xué)者的重視。國內(nèi)學(xué)者的研究主要集中于對國外相關(guān)文獻(xiàn)的歸納總結(jié)，國內(nèi)相關(guān)試驗的具體數(shù)據(jù)相當(dāng)有限；而國外研究資料因年代久遠(yuǎn)，且具有保密性，實際的試驗數(shù)據(jù)很難獲得。 本次課題在成功研制超低溫試驗降溫保溫裝置、試驗測試儀表設(shè)備的基礎(chǔ)上，系統(tǒng)的研究了超低溫下鋼筋混凝土材料的力學(xué)性能，其內(nèi)容主要包括超低溫下混凝土、鋼筋和鋼絞線的材料性能，超低溫下鋼筋與混凝土、鋼絞線與混凝土的黏結(jié)性能，超低溫下箍筋約束短柱、鋼筋混凝土梁、預(yù)應(yīng)力混凝土梁等構(gòu)件的受力性能。除此之外，該課題還探究了超低溫凍融下混凝土的強(qiáng)度、鋼筋與混凝土黏結(jié)性能退化情況。 經(jīng)過三年的研究，本課題為超低溫鋼筋混凝土材料性能的研究積累了大量的數(shù)據(jù)，并取得了一定的成果：混凝土的抗壓強(qiáng)度隨著溫度的降低有顯著的提高，尤其是在20℃~-120℃范圍內(nèi)基本成線性提高，但在-120℃之下的溫度點(diǎn)則變化較小；混凝土的劈裂抗拉強(qiáng)度隨溫度的降低而提高，但其提高的程度要與抗壓強(qiáng)度的提高不成比例；超低溫環(huán)境下，混凝土峰值應(yīng)變逐漸降低，近似呈線性關(guān)系，實測0.5fc處的割線模量線性增大；隨著溫度的降低，鋼筋和鋼絞線的屈服強(qiáng)度和極限抗拉強(qiáng)度都有不同程度的提高，鋼筋的塑性降低，但鋼筋彈性模量變化不大；鋼筋、鋼絞線與混凝土的極限黏結(jié)強(qiáng)度隨溫度的降低而增大，并于-120℃達(dá)到峰值；不同低溫環(huán)境下，鋼筋、鋼絞線與混凝土極限黏結(jié)強(qiáng)度受到溫度、相對保護(hù)層厚度、錨固長度等參數(shù)的影響；同一低溫下，箍筋約束混凝土峰值應(yīng)變隨配箍特征值的增大呈線性增大，而彈性模量隨配股特征值變化不大；低溫條件下混凝土峰值應(yīng)變減小，脆性增大，而通過增加體積配箍率可以適當(dāng)提高混凝土的峰值應(yīng)變和延性系數(shù)；隨著溫度的降低，鋼筋混凝土梁及預(yù)應(yīng)力混凝土梁的開裂荷載、極限荷載均有所增大，但延性降低，梁正截面計算的平截面假定成立，可按考慮溫度效應(yīng)后的規(guī)范公式計算鋼筋混凝土梁的承載力等值；較常規(guī)凍融循環(huán)，超低溫凍融循環(huán)損傷作用更大，-80℃時大約增加1倍，且損傷程度有隨溫度的降低而加重的趨勢，但在循環(huán)次數(shù)較少的情況下，對高強(qiáng)混凝土影響相對較??；超低溫凍融循環(huán)對鋼筋與混凝土黏結(jié)強(qiáng)度的削弱程度要大于對混凝土強(qiáng)度的影響。 2100433B

第1章 緒論

1.1 預(yù)應(yīng)力材料

1.1.1 混凝土材料

1.1.2 預(yù)應(yīng)力筋

1.1.3 非預(yù)應(yīng)力筋

1.1.4 型鋼

1.2 預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)分類與特點(diǎn)

1.2.1 預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)分類

1.2.2 預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

1.3 預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)耐久性能

1.3.1 應(yīng)力狀態(tài)下混凝土碳化性能

1.3.2 非預(yù)應(yīng)力鋼筋銹蝕的結(jié)構(gòu)性能

1.3.3 預(yù)應(yīng)力鋼筋銹蝕的結(jié)構(gòu)性能

1.4 預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)疲勞性能

1.4.1 混凝土疲勞性能

1.4.2 非預(yù)應(yīng)力鋼筋疲勞性能

1.4.3 預(yù)應(yīng)力鋼筋疲勞性能

1.4.4 預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)疲勞性能

本章小結(jié)

參考文獻(xiàn)

第2章 超高強(qiáng)混凝土

2.1 超高強(qiáng)混凝土的配制

2.1.1 原材料要求

2.1.2 配合比的設(shè)計

2.1.3 超高強(qiáng)混凝土的拌制

2.2 超高強(qiáng)混凝土的性能測試

2.2.1 力學(xué)性能測試

2.2.2 力學(xué)性能分析

本章小結(jié)

參考文獻(xiàn)

第3章 纖維增強(qiáng)超高強(qiáng)混凝土

3.1 鋼纖維超高強(qiáng)混凝土

3.1.1 鋼纖維超高強(qiáng)混凝土的配制

3.1.2 抗壓強(qiáng)度

3.1.3 劈裂抗拉強(qiáng)度

3.1.4 拉壓比

3.2 高彈模PVA纖維超高強(qiáng)混凝土

3.2.1 高彈模PVA纖維超高強(qiáng)混凝土的配制

3.2.2 抗壓強(qiáng)度

3.2.3 劈裂抗拉強(qiáng)度

3.2.4 拉壓比

本章小結(jié)

參考文獻(xiàn)

第4章 自密實再生骨料混凝土

4.1 力學(xué)性能

4.1.1 混凝土強(qiáng)度與混凝土類型對力學(xué)性能的影響

4.1.2 粉煤灰摻量和再生骨料特性對力學(xué)性能的影響

4.2 抗?jié)B性能

4.2.1 吸水性試驗

4.2.2 水滲透性試驗

4.2.3 氯離子滲透性試驗

本章小結(jié)

參考文獻(xiàn)

第5章 鋼絞線的腐蝕與疲勞

5.1 試驗概況

5.2 試驗結(jié)果分析

5.2.1 靜力拉伸試驗

5.2.2 疲勞試驗

本章小結(jié)

參考文獻(xiàn)

第6章 預(yù)應(yīng)力混凝土梁的腐蝕與疲勞

6.1 試驗概況

6.1.1 試件設(shè)計與制作

6.1.2 加速腐蝕裝置

6.1.3 加載方案與測點(diǎn)布置

6.2 靜載試驗結(jié)果分析

6.2.1 試驗過程與破壞形態(tài)

6.2.2 荷載-撓度曲線

6.2.3 鋼筋與混凝土應(yīng)變變化規(guī)律

6.2.4 平截面假定驗證

6.2.5 裂縫發(fā)展規(guī)律

6.3 有限元分析

6.3.1 單元選取

6.3.2 材料本構(gòu)關(guān)系

6.3.3 模型建立

6.3.4 計算結(jié)果分析

6.4 疲勞試驗結(jié)果及分析

6.4.1 破壞形態(tài)

6.4.2 跨中撓度-循環(huán)次數(shù)曲線

6.4.3 鋼筋應(yīng)變發(fā)展規(guī)律

6.4.4 受壓區(qū)混凝土殘余應(yīng)變發(fā)展規(guī)律

6.4.5 裂縫發(fā)展規(guī)律

6.4.6 疲勞壽命與疲勞強(qiáng)度

6.5 疲勞損傷全過程分析

6.5.1 靜載過程非線性受力分析

6.5.2 材料的疲勞本構(gòu)模型

6.5.3 材料疲勞破壞準(zhǔn)則

6.5.4 疲勞過程非線性分析流程

6.5.5 疲勞過程計算結(jié)果分析

本章小結(jié)

參考文獻(xiàn)

第7章 預(yù)應(yīng)力超高強(qiáng)混凝土梁

7.1 試驗設(shè)計

7.1.1 試驗?zāi)康?

7.1.2 試件設(shè)計與制作

7.1.3 加載裝置與加載制度

7.1.4 觀測內(nèi)容與測點(diǎn)布置

7.2 試驗結(jié)果及分析

7.2.1 破壞模式和裂縫形態(tài)

7.2.2 荷載-撓度曲線

7.3 預(yù)應(yīng)力超高強(qiáng)混凝土梁受剪承載能力分析

7.3.1 彈性剛度分析

7.3.2 影響受剪能力的因素

7.3.3 試驗結(jié)果與規(guī)范計算值的對比分析

7.3.4 受剪承載力建議計算公式

本章小結(jié)

參考文獻(xiàn)

第8章 預(yù)應(yīng)力型鋼超高強(qiáng)混凝土梁

8.1 試驗設(shè)計

8.1.1 試驗?zāi)康?

8.1.2 試件設(shè)計與制作

8.1.3 加載裝置與加載制度

8.1.4 觀測內(nèi)容與測點(diǎn)布置

8.2 試驗結(jié)果及分析

8.2.1 破壞模式和裂縫形態(tài)

8.2.2 試驗梁的開裂荷載和極限荷載

8.2.3 荷載-撓度曲線

8.3 預(yù)應(yīng)力型鋼超高強(qiáng)混凝土梁受剪承載能力分析

8.3.1 影響受剪能力的因素

8.3.2 我國現(xiàn)行設(shè)計方法的比較

8.3.3 受剪承載力建議計算公式

8.4 有限元計算

8.4.1 單元選取

8.4.2 預(yù)應(yīng)力處理

8.4.3 模型建立

8.4.4 模型求解

8.4.5 計算結(jié)果分析

8.5 內(nèi)置型鋼對結(jié)構(gòu)性能的影響

8.5.1 變形研究

8.5.2 剪切延性分析

8.6 循環(huán)荷載對預(yù)應(yīng)力型鋼超高強(qiáng)混凝土梁受剪性能影響

8.6.1 試驗?zāi)康?

8.6.2 試件設(shè)計和制作

8.6.3 加載裝置與加載制度

8.6.4 觀察內(nèi)容與測點(diǎn)布置

8.6.5 試驗結(jié)果與分析

本章小結(jié)

參考文獻(xiàn)2100433B