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活性粉末混凝土梁受力性能及设计方法研究

李莉  
【摘要】: 1993年,法国Bouygues实验室以Pierre Richard为首的研究小组研制出了活性粉末混凝土(Reactive powder concrete,简称RPC),它是由级配石英砂、水泥、活性矿物掺合料、高效减水剂、钢纤维以及水按一定级配搅拌成型后在一定养护条件下结硬的新型混凝土材料。它具有高强度、高韧性、高耐久性等优点,有一定的应用前景。 由于活性粉末混凝土与普通混凝土的组成成分有很大差别,其力学性能必存在不同于普通混凝土的自身特点。由于活性粉末混凝土力学性能有其自身特点,活性粉末混凝土构件的承载力计算以及活性粉末混凝土梁板的刚度及裂缝计算也一定不同于普通混凝土构件,超静定活性粉末混凝土梁板的塑性内力重分布性能也会不同于超静定普通混凝土梁板。因此,研究活性粉末混凝土的优化配比及活性粉末混凝土的力学性能,探索活性粉末混凝土简支梁及连续梁的受力性能及设计计算理论是必要的。为此本文开展了如下几方面工作: 首先,完成了59组活性粉末混凝土配合比试验,探索了各组分掺量对活性粉末混凝土强度和流动度的影响规律。试验结果表明水胶比是影响活性粉末混凝土强度和流动度的最关键因素,在一定范围内,强度随水胶比增大而降低,流动度随水胶比增大而提高;活性粉末混凝土中掺加的石英砂、硅灰、钢纤维越多,流动度越差,而在一定限度内矿渣粉掺量增多会提高其流动度;石英砂、硅灰、矿渣粉掺量与强度的关系存在饱和点;钢纤维掺量在1%~4%范围内时,强度随其掺量的增加而提高;由于活性粉末混凝土中掺有大量硅灰、矿渣等活性掺合料,温度为200oC压力为1.5MPa的高压高温养护可以激发掺合料的活性,因此较其他养护方式更容易获得较高强度。以59组RPC配合比试验结果为基础并参考鲍罗米公式,初步提出了活性粉末混凝土优化配合比设计建议公式,可供活性粉末混凝土配合比设计参考使用。 其次,通过对100mm×100mm×300mm的轴心抗压强度为100MPa左右的活性粉末混凝土棱柱体的轴心抗压试验和40mm×40mm×160mm棱柱体的轴心抗拉试验,得到所研究活性粉末混凝土的轴心抗压强度、轴心抗拉强度、峰值应力点对应的应变、弹性模量、泊松比等力学性能指标,获得了所研究活性粉末混凝土轴心受压和轴心受拉应力-应变关系全曲线,并以此为基础拟合得到了所研究活性粉末混凝土轴向受压和轴向受拉应力-应变关系方程。试验结果表明,所研究活性粉末混凝土的弹性模量为4.12×104 N/mm 2,泊松比为0.22,峰值压应力对应的应变为3560με,峰值拉应力对应的应变为249με,受压应力-应变关系曲线下降段对应于0.5 f c的压应变为5500με~7300με。其峰值压应力对应的应变明显高于普通混凝土峰值压应力对应的应变(相同抗压强度的普通高强混凝土峰值压应力对应的应变约为2440με),在受压应力-应变关系曲线下降段对应于0.5 f c的极限压应变也明显高于普通高强混凝土的压应变(约为3800με);活性粉末混凝土受压应力-应变曲线在应力为0.6~0.7 fc之前为弹性工作阶段。 第三,完成了6根活性粉末混凝土简支梁受力性能试验。试验结果表明,当配筋率不大于4.3%时,截面抵抗矩塑性影响系数随配筋率的增大而线性增大,参照国标《混凝土结构设计规范》中截面高度对塑性系数影响的考虑方法,提出了所考察活性粉末混凝土梁截面抵抗矩塑性系数随配筋率和截面高度变化的计算公式。基于所考察活性粉末混凝土受拉应力-应变关系曲线方程,计算得到试验梁截面受拉区活性粉末混凝土拉应力对正截面承载力的贡献后(随着配筋率不同,拉区活性粉末混凝土的拉应力对梁正截面承载力的贡献约为15%~40%),假定拉应力在截面受拉区均匀分布,且合力作用点在受拉区正中,拟合得到了所考察活性粉末混凝土梁正截面承载力简化计算公式所需的受拉区活性粉末混凝土拉应力折减系数取值。通过纯弯区段受压区活性粉末混凝土压应变实测值和活性粉末混凝土受压应力-应变曲线方程,以及裂缝所在截面受拉钢筋应变实测值,拟合得到了使用荷载作用下钢筋拉应变和受压边缘活性粉末混凝土压应变的计算公式,提出了活性粉末混凝土梁刚度和裂缝计算公式。 最后,制备了5根钢筋活性粉末混凝土两跨连续梁,完成了每跨跨中单点集中加载试验。考察了试验梁从开裂、中支座控制截面受拉纵筋屈服、跨中控制截面受拉纵筋屈服直至达到承载能力极限状态的全过程。由于活性粉末混凝土梁受压边缘极限压应变不低于5500με,明显高于普通混凝土梁受压边缘的极限压应变3300με,活性粉末混凝土梁的塑性铰所经历的塑性过程相对于普通混凝土梁长,塑性转角要大,弯矩调幅幅度明显增大。基于试验结果建立了承载能力极限状态下的中支座两侧等效塑性铰长度计算公式,分别提出了以中支座控制截面相对塑性转角和中支座相对受压区高度为自变量的弯矩调幅计算公式。为活性粉末混凝土连续梁塑性设计提供了参考依据。


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