高强轻骨料混凝土结构——性能、分析与计算

叶列平, 孙海林, 陆新征

北京: 科学出版社, 2009

高强轻骨料混凝土结构--性能、分析与计算

 

内容简介

本书结合作者近年来的研究成果,对高强轻骨料混凝土的材料力学性能、变形性能、长期受力性能和结构设计计算方法进行了系统全面的研究。全书共九章,包括绪论、轻骨料混凝土的材料性能、梁的正截面受弯性能、梁的斜截面受剪性能、黏结锚固、轻骨料混凝土的收缩和徐变、高强轻骨料混凝土梁的长期变形和预应力轻骨料混凝土梁的预应力损失,以及轻骨料混凝土刚构桥的受力性能等内容。
本书可供从事结构工程和桥梁工程的研究、设计和工程技术人员阅读,也可供广大土建工程技术人员以及大专院校师生参考。

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参考文献

目 录

第一章 绪论
1.1 轻骨料混凝土的定义和类别
1.2 轻骨料混凝土结构工程应用概况
1.3 轻骨料混凝土应用中的问题


第二章 轻骨料混凝土的材料性能

2.1 破坏机理
2.2 抗压强度
2.3 抗拉强度试验研究
2.4 弹性模量
2.5 受压应力-应变关系
2.6 受拉应力-应变关系
2.7 强度换算关系

第三章 梁的正截面受弯性能
3.1 概述
3.2 试验研究
3.3 受弯承载力计算
3.4 小结

第四章 梁的斜截面受剪性能
4.1 概述
4.2 试验研究
4.3 斜向开裂荷载计算分析
4.4 无腹筋梁抗剪承载力计算分析
4.5 有腹筋梁抗剪承载力计算分析
4.6 正常使用状态斜裂缝控制
4.7 小结

第五章 黏结锚固
5.1 概述
5.2 拔出试验
5.3 钢筋内贴片拔出试验
5.4 数值模拟
5.5 小结

第六章 轻骨料混凝土的收缩和徐变
6.1 概述
6.2 收缩试验研究
6.3 徐变试验研究
6.4 小结

第七章 高强轻骨料混凝土梁长期变形
7.1 概述
7.2 长期变形的计算方法
7.3 试验方案
7.4 试验结果及有限元分析
7.5 建议公式

第八章 预应力轻骨料混凝土梁的预应力损失
8.1 概述
8.2 收缩徐变预应力损失的计算方法
8.3 试验研究
8.4 试验结果及有限元分析
8.5 预应力损失计算方法的对比

第九章 轻骨料混凝土刚构桥的受力性能
9.1 概述
9.2 模型试验设计
9.3 预应力张拉及长期加载试验
9.4 加载试验
9.5 有限元分析
9.6 长期性能
9.7 试验研究结论

参考文献

附录A 砂轻混凝土梁抗剪试验资料
附录B 收缩和徐变模型

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参考文献

                                                                                                                                                            第一章 绪论

1.1 轻骨料混凝土基本定义(含类别及用途)

我国《轻骨料混凝土技术规程(JGJ 51-2002)》[]中对轻骨料混凝土的定义为:“用轻粗骨料、轻砂(或普通砂)、水泥和水配制而成的干表观密度不大于1950kg/m3的混凝土”。由普通砂或部分轻砂做细骨料的称为砂轻混凝土,全部由轻砂做细骨料的称为全轻混凝土。1.1 列出了一些国外规范对轻骨料混凝土的定义。

1 .1 轻骨料混凝土定义[]

规范名称

定义

ACI 318-95

(美国)

使用轻骨料并且气干密度不超过1840kg/m3,不使用普通砂的称为“全轻混凝土”,全部细骨料采用普通砂的称为“砂轻混凝土”。

ACI 213-87

(美国)

结构轻骨料混凝土的最小28天圆柱体抗压强度为17.24MPa,气干密度不超过1850kg/m3,全部或部分骨料采用轻骨料。

UNI 7548-part 1

(意大利)

轻骨料混凝土是由轻骨料代替部分或全部普通骨料,轻骨料混凝土的密度不大于1850kg/m3

PN-91/B-06263

(波兰)

由水泥、轻骨料、水、矿物添加剂和化学外加剂配制而成的干表观密度不大于2000kg/m3的混凝土。

ENV 1992-1-4

由颗粒容重小于2000kg/m3的人造或天然轻骨料制成的绝干密度小于2000kg/m3的混凝土。

prEN 206

全部或部分骨料采用轻骨料,干表观密度大于800kg/m3,小于2100kg/m3

关于高强轻骨料混凝土的划分标准,国内外略有区别。文献认为强度等级达到LC30及以上者称为高强轻骨料混凝土;文献[]则定义圆柱体抗压强度fc17.24~27.58MPa的为低强,27.58~41.37MPa的为中强,大于41.37MPa的为高强。根据我国轻骨料混凝土应用的实际情况,强度等级达到LC40及以上者称为高强轻骨料混凝土。

轻骨料可以使用天然轻骨料(如浮石、凝灰岩等)、工业废料轻骨料(如炉渣、粉煤灰陶粒、自燃煤矸石等)、人造轻骨料(页岩陶粒、粘土陶粒、膨胀珍珠岩等)等。目前使用的轻骨料主要是陶粒,与普通骨料(天然密实石子)相比,陶粒的密度小、强度低且弹性模量小。本书主要研究的轻骨料混凝土使用的骨料也为陶粒

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参考文献

                                                                                                  第二章 轻骨料混凝土的材料性能研究

2.1 破坏机理

混凝土的力学性能由下列三个因素决定:骨料的性能、硬化水泥浆体的性能、骨料与水泥石的粘结性能。对于普通混凝土,因为骨料强度大于水泥浆强度,骨料与水泥石的界面区是普通混凝土中的最薄弱环节。而对于轻骨料混凝土,骨料的强度往往是混凝土强度的决定因素。即普通混凝土通常以界面破坏为主,而轻骨料混凝土同时以骨料破坏和界面破坏为主(见 2.1 2.2 )。

2 . 1   普通混凝土的破坏

2 . 2   轻骨料混凝土的破坏

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                                                                                                             第三章 梁的正截面受弯性能研究

3.1 概述

与普通混凝土梁基本一样,轻骨料混凝土梁的正截面受弯承载力的计算同样采用下列基本假定(1)截面应变保持平面;(2)不考虑轻骨料混凝土的抗拉强度;(3)当混凝土压应变ec<0.0022时,混凝土应力与应变关系曲线为抛物线,当压应变ec>0.0022时,应力与应变关系呈水平线,极限压应变ecu0.0033(4)钢筋应力取等于钢筋应变与其弹性模量的乘积,但不大于其强度设计值,受拉钢筋的极限拉应变取为0.01

轻骨料混凝土的极限压应变变化范围较大,文献236个试件的试验结果极限压应变波动在1.816~5.95×10-3范围,平均为3.489×10-3,混凝土强度和压区配筋对混凝土的极限压应变影响不大。混凝土极限压应变取值对抗弯极限承载力的影响并不大,我国《规程》取为3.3×10-3,与普通混凝土一致。

轻骨料混凝土压区应力图形合力点略高于普通混凝土,比较接近于三角形,因此其等效矩形应力图块的受压区高度x与中和轴高度xn的比值b比普通混凝土略小,文献[vii ]建议取值为0.75~0.80,按照《规程》建议的轻骨料混凝土受压应力-应变关系(假定(3))计算得到的b=0.769,等效矩形应力与应力曲线上最大值的比值g=0.963为简化计算,《规程》中实取b=0.75g=1.0

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                                                                                                             第四章 梁的斜截面受剪性能研究

4.1  概述

大量试验表明,轻骨料混凝土梁的抗剪破坏形态,与普通混凝土梁基本一致,可分为三种主要破坏形态:斜拉破坏、剪压破坏和斜压破坏。影响轻骨料混凝土梁抗剪承载力的因素,也与普通混凝土梁相似,主要包括:截面尺寸、配箍率、剪跨比、纵筋配筋率和混凝土强度。另外,加载方式、支承条件、截面形状等对抗剪承载力也有所影响。

轻骨料混凝土与普通混凝土抗剪的主要区别在于:轻骨料混凝土的骨料强度较低,一般沿骨料破坏,破坏面比较光滑,导致骨料咬合力下降,斜裂缝界面剪力传递能力降低。因此,一般认为轻骨料混凝土梁抗剪承载力略低于同强度的普通混凝土梁。

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                                                                                                                                                 第五章 粘结锚固

5.1 钢筋拔出试验

本章通过钢筋拔出试验,考察了LC30LC60级高强页岩陶粒混凝土和粘土陶粒混凝土的强度、钢筋锚固长度、保护层厚度和钢筋直径等因素对粘结锚固性能的影响,并与普通高强混凝土和普通陶粒混凝土的研究结果进行了对比;同时,根据实验结果统计回归得到了特征粘结锚固强度及其相应的滑移。

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                                                                                                       第六章 轻骨料混凝土的收缩和徐变

6.1 概述

6.1.1 收缩和徐变概念

混凝土的收缩变形主要包括浇筑初期的塑性收缩,硬化混凝土的干燥收缩、自生收缩、碳化收缩和温度变化产生的冷缩变形等5[ [viii] ]。塑性收缩是由于混凝土凝固前水化反应失水引起体积减缩造成的;自生收缩是与水泥水化作用产生的毛细管孔隙失水有关;碳化收缩是由于混凝土中各种水化物与空气中CO2发生化学反应所致;干燥收缩是置于未饱和空气中的混凝土因水分散失引起的体积收缩变形,在干燥收缩的同时,还伴随着混凝土的自生收缩;温度收缩是指混凝土随温度下降而发生的变形。在上述5种收缩中,干燥收缩是主要的,本文主要研究的是混凝土干燥收缩。

混凝土的徐变主要包括基本徐变和干燥徐变两种[ [ix] ],基本徐变由密闭试块在压力作用下的总变形扣除加载时的瞬时变形和自收缩得到,干燥徐变为加载裸露试块的总变形扣除瞬时变形和总收缩(包括自收缩和干燥收缩)得到,本文主要研究的是干燥徐变。

影响混凝土收缩和徐变的因素归纳起来包括内部影响因素与外部影响因素两个部分[viii ,ix ] 6.1 给出了影响混凝土徐变的因素,混凝土收缩除了不受荷载条件影响外,其它影响因素与 6.1 相同,可以看出收缩和徐变的影响因素非常复杂,各种因素对混凝土收缩和徐变的影响可以参见文献[viii ,ix ]

评价混凝土徐变性能的指标一般采用徐变系数、徐变度或徐变函数,其中徐变系数比较常用。徐变系数是指混凝土在 时刻加载,到 时刻所发生的徐变变形与瞬时变形的比值,用 表示。

                                                                                                      ( 6 1)

式中, 时刻加载、到 时刻所发生的徐变应变; 时刻加载产生的瞬时应变。

由于瞬时应变取值的不同,徐变系数定义有两种,第一种定义为:

                                                                                               ( 6 2)

式中, 为加载时刻的应力; 为混凝土加载初始时刻的弹性模量。

第二种定义为:

                                                                                              ( 6 3)

式中, 为混凝土28d弹性模量,此时弹性应变取的是同样的初始荷载作用于28d龄期混凝土对应的弹性应变。

关于徐变度和徐变函数的定义见第4章。

6 . 1   徐变影响因素

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                                                                                                  第七章 高强轻骨料混凝土梁长期变形

7.1 引言

国内外进行了大量普通混凝土梁的长期荷载试验和理论研究[ [x] ] [xi] ~][ [xii] ][ [xiii] ][ [xiv] ][ [xv] ][ [xvi] ]。一般用长期挠度增大系数来反映混凝土梁的长期变形大小,其定义为:

                                                                                                                     ( 7 1)

式中, 为梁的长期挠度(包括加载瞬时挠度和长期挠度增量); 为短期加载时梁的初始挠度。

长期挠度增量与初始挠度的比值定义为附加挠度增大系数

                                                                                                               ( 7 2)

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                                                                                                                                            第八章 预应力损失

8.1 引言

预应力损失是预应力混凝土结构计算中的一个关键问题,高估或低估预应力损失,都会对结构的使用性能产生不利影响。一些大跨结构对预应力值较敏感,预应力损失值对反拱等影响很大,因此预应力损失计算应尽可能采用准确方法,以保证建成的结构具有良好的使用性能。

预应力损失可分为瞬时损失(锚固损失、摩擦损失等)和长期损失(即与时间有关的损失)两部分。长期损失是指考虑时间效应所引起的损失,包括混凝土收缩、徐变和预应力钢筋松弛损失。与普通混凝土相比,轻骨料混凝土弹性模量较小,具有较大的收缩应变和徐变应变,可能会产生较大的预应力损失,这是推广应用预应力轻骨料混凝土结构需解决的关键问题。

收缩和徐变引起的预应力损失(简称收缩徐变预应力损失)与加载龄期和环境条件(温度、湿度)有关,并且和预应力松弛等交织在一起,三者很难简单分离,要精确计算十分困难。

美国预应力混凝土协会(PCI)设计手册(1972)建议,轻骨料混凝土构件的预应力损失范围为207~379MPa,而普通混凝土构件的预应力损失范围为172~345MPa[ [xvii] ],可见轻骨料混凝土的预应力损失较大。

张燕坤、宋玉普进行了标准试验条件的陶粒混凝土预应力构件试验研究[错误!未定义书签。],共12根后张预应力混凝土轴心受压构件(其中8根硅灰含量为8%,其余不含硅灰),构件尺寸为100mm×100mm×1000mm,施加预应力龄期分别为10 d30 d,混凝土强度为41.3~48.9MPa,通过试验分析,建议在预应力损失计算中计入加载龄期的影响。

中国建筑科学研究院陈永春等在20世纪80年代初做过3批预应力轴心受压的轻骨料混凝土构件试验,构件尺寸为100mm×120mm×2000mm,主要考虑的因素为不同加载龄期和应力水平,得出基本结论为加载龄期越晚,预应力损失越小;应力水平越高,预应力损失越大[ [xviii] ] 8.1 给出了该文献不同加载龄期的预应力损失对比。

8 . 1   不同加载龄期预应力损失比较[xviii ]

高永孚等在20世纪80年代末实测了12根截面尺寸为120mm×180mm×2000mm的预应力构件的预应力损失[ [xix] ],其中7根为LC48轻骨料混凝土构件,另外5根是为C54的普通混凝土构件。试验结果表明:轻骨料混凝土构件的预应力损失值比同龄期的普通混凝土构件高20%~43%;按《轻骨料混凝土结构设计规程(1982)》[ [xx] ]公式的计算值比试验值高14.7%~23.4%,平均约高20% 8.2 给出了其中轻骨料混凝土构件的试验结果,C-5没有任何非预应力配筋,预应力损失最大;C-3配筋率最高,截面上、下部配筋均为2 20,预应力损失最小;其它各梁按非预应力钢筋配筋率的多少依次位于两条曲线之中,随着非预应力配筋率的增大,预应力损失值降低。

8 . 2   非预应力筋配筋率对预应力损失的影响[xix ]

文献资料中关于LC50级以上的高强轻骨料混凝土构件的预应力损失研究较少,本研究通过高强轻骨料混凝土预应力构件的长期预应力损失试验研究,与规范和文献方法进行对比分析,并结合本文TDAP程序的分析,建议了高强轻骨料混凝土梁收缩和徐变引起的预应力损失的计算公式。

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                                                                                                                  第九章 轻骨料混凝土桥梁性能

9.1 概述

本次轻质混凝土试验桥为云南安宁至楚雄高速公路14号达连坝段K149+200.12轻质混凝土预应力连续刚构跨线桥。本桥为交通部西部科研项目《轻质混凝土用于大跨径桥梁的研究》课题的依托工程,桥梁主体结构中跨跨中段箱梁16m为高强陶粒轻质混凝土,于2004312日浇注完成。桥面铺装、防撞护栏及桥面水沟为高强破碎型陶粒轻质混凝土,该桥桥面总宽:0.1+0.5+4.75+1.05+0.1=6.5m,设计荷载:汽-20,挂-100,人群荷载3.5kN/m2,混凝土强度等级为LC50号,跨径为19m+35m+19m。该桥轮廓见图9.1,主要断面尺寸见图9.2

9.1  桥轮廓

9.2  箱梁截面

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参考文献

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