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粉煤灰对钢筋混凝土梁短期刚度的影响探究

时间:2020-07-27 来源:北京建筑大学 本文字数:7122字
作者:王攀 单位:北京建筑大学
  摘  要
  
  粉煤灰已经是当今世界上来源最丰富,使用最广泛的混凝土矿物掺合料之一,粉煤灰的使用不仅可以节省资源,而且可以提升混凝土的多种性能。目前来说,对于粉煤灰混凝土基本性能的研究已经相当成熟,我们在将粉煤混凝土应用在结构工程中时,要考虑到粉煤灰对结构的承载力安全和使用性能的影响。而粉煤灰对混凝土弹性模量、钢筋和混凝土直接的粘结性能和荷载作用下的抗裂性能都有直接的影响,这都影响到结构的刚度。带裂缝工作的钢筋混凝土梁的短期刚度计算也一直是结构设计中的重难点,我国《混凝土结构设计规范》(GB50010-2010)中的短期刚度公式是上世纪 70 年代规范课题组在试验基础上分析得出的。在工程材料性能高速发展的今天,规范短期刚度公式对于粉煤灰混凝土的适用性还值得讨论。因此本文研究粉煤灰对钢筋混凝土梁短期刚度的影响。


粉煤灰对钢筋混凝土梁短期刚度的影响探究
 
  
  本文将通过试验研究、理论推导和软件模拟三种方式对粉煤灰钢筋混凝土梁的短期刚度进行研究,试验研究通过对梁受弯使用阶段短期刚度进行了测算,以及讨论了梁的内力臂系数、受压区高度系数、混凝土受压区综合系数、裂缝不均匀系数等以验证规范公式对粉煤灰刚度混凝土梁短期刚度的适用性。理论推导部分给出了两种计算钢筋混凝土梁和粉煤灰钢筋混凝土短期刚度的新方法。其一,通过对规范短期刚度公式的简化,得到影响此方法中影响梁短期刚度的两个主要因素,然后通过对数据的线性回归分析,得到了新公式。其二,根据弯矩-曲率图形,基于混凝土受压区弹性假定,求出梁特征弯矩值和特征曲率,得到了新的短期刚度公式。软件模拟采用 Abaqus 模拟分析,对比试验和模拟的荷载-挠度曲线,以及特征弯矩时刻混凝土和钢筋应变等基本信息,确定了 Abaqus 模拟分析的可靠性,然后分析不同替代率粉煤灰的荷载-挠度曲线,探究粉煤灰对梁短期刚度的影响。
  
  通过以上分析可以得到以下主要结论:粉煤灰替代率在 20%左右时,可以提升梁的短期刚度,粉煤替代率在 40%左右时,对梁短期刚度影响不大。规范公式在计算 40%粉煤灰替代率梁短期刚度时,计算值偏低,可能是过高的体现了强度的影响,而过低的忽略了弹性模量的影响,对此,本文给出了适合与 40%粉煤灰钢筋混凝土梁短期刚度规范修正公式。本文给出的基于刚度解析法的刚度折减法计算梁短期刚度公式比规范公式更简洁,基本误差小,给出的基于弹性理论的刚度图形解析法与试验十分吻合,并且与其他文献试验也较吻合,能满足设计使用需求。使用 Abaqus 模拟分析和试验值比较吻合,证明了试验的可靠性,通过 Abaqus 模拟分析粉煤灰对梁短期刚度的影响与试验一致。
  
  关键词:  粉煤灰;短期刚度;开裂;钢筋混凝土梁;规范公式。
  
  Abstract
  
  Fly ash is  one  of the  most abundant and  widely used  concrete mineral admixtures in the world.  The  use  of  fly  ash  can  not  only  save  resources,  but  also  improve  the  performance  of concrete. At present, the research on the basic performance of fly-ash concrete is quite mature. When  we  apply  the  fly-ash  concrete  in  the structural  engineering,  we  should  consider  the influence of  Fly-ash on the  bearing  capacity  safety and  service performance  of the  structure. Fly ash has a direct impact on the modulus of elasticity of concrete, the bond performance of reinforcement and  concrete and the  crack resistance under load,  which all  affect the  stiffness of  the  structure.  The  calculation  of  short-term  stiffness  of  reinforced  concrete  beams  with cracks  has  always  been  a  key  and  difficult  point  in  the  structural  design.  The  short -term stiffness  formula in the  code  for  design  of  concrete  structures ( GB50010-2010) in China  was analyzed  and  obtained  by  the  research  group  of  the  code  in  the  1970s  on  the  basis  of experiments.  With  the  rapid  development  of  engineering  material  performance,  the applicability  of  short-term  stiffness  formula  of  the  code  to  fly  ash  concrete  is  still  worth discussing. Therefore, this paper studies the influence of fly ash on the short-term stiffness ofreinforced concrete beams.
  
  In  this  paper,  the  short-term  stiffness  of  flyash  reinforced  concrete  beams  is  studied  by three  ways  of  experimental  research,  theoretical  derivation  and  software  simulation.  The experimental  research  is  based  on  the  calculation  of  the  short-term  stiffness  of  the  beams  in the  bending  stage,  and  discusses  the  internal  force  arm  coefficient,  the  height  coefficient  of the  compression  zone,  the  comprehensive  coefficient  of  the  concrete  compression  zone,  the coefficient  of  the  crack  nonuniformity,  etc.  of  the  beams  to  verify  the  formula  of  the  code Applicability  of  short-term  stiffness  of  concrete  beams  with  coal  ash  stiffness.  In  the theoretical  derivation  part,  two  new  methods  for  calculating  the  short -term  stiffness  of reinforced  concrete  beams  and  fly  ash  reinforced  concrete  are  given.  Firstly,  by  simplifying the  short-term  stiffness  formula  of  the  code,  two  main  factors  influencing  the  short-term stiffness  of  the  beam  in  this  method  are  obtained,  and  then  the  new  formula  is  obtained  by linear  regression  analysis  of  the  data.  Secondly,  according  to  the  moment  curvature  graph, based  on  the  elastic  assumption  of  concrete  compression  zone,  the  characteristic  moment value  and  the  characteristic  curvature  of  the  beam  are  calculated,  and  a  new  short -term stiffness  formula  is  obtained.  The  software  simulation  uses  ABAQUS  simulation  analysis, compares the load deflection curve of test and  simulation, as  well as the  basic information  of concrete  and  reinforcement  strain  at  the  moment  of  characteristic  bending  moment, determines the  reliability of  ABAQUS  simulation analysis, then analyzes the load  deflection curve  of  fly  ash  with  different  substitution  rate,  and  explores  the  influence  of  fly  ash  on  the short-term stiffness of beam.
  
  Through  the  above  analysis,  we  can  get  the  following  main  conclusions:  when  the replacement rate of fly ash is about 20%, it can improve the short -term stiffness of the beam, and  when  the  replacement  rate  of  fly  ash  is  about  40%,  it  has  little  effect  on  the  short -term stiffness  of  the  beam.  When  calculating  the  short-term  stiffness  of  40%  fly  ash  replacement rate beam, the calculation value of the code formula is low, which may reflect the influence of strength  if  it  is  too  high,  but  ignore  the  influence  of  elastic  modulus  if  it  is  too  low.  For  this reason, this paper gives the code correction formula suitable for the short -term stiffness of 40% fly  ash  reinforced  concrete  beam.  The  stiffness  reduction  method  based  on  the  stiffness analysis  method  given in  this  paper is  more  concise than the  standard  formula  in  calculating the  short-term  stiffness  of  beams,  and  the  basic  error  is  small.  The  stiffness  graph  analysis method based on the elastic theory given in this paper is very consistent with the test, and it is also  consistent  with  the  test  in  other  literature,  which  can  meet  the  design  use  requirements.The results  of  ABAQUS  simulation analysis are in good agreement  with  the test data,  which proves  the  reliability  of  the  test.  The  influence  of  fly  ash  on  the  short -term  stiffness  of  the beam is consistent with the test.
  
  Keywords:   Fly  ash;  short  term  stiffness;  cracking;  reinforced  concrete  beam;  code formula.
  
  第1章  绪论
 
  
  1.1、课题背景及研究的目的和意义。
  
  1.1.1、研究背景。

  
  水泥混凝土是当今世界上使用量最大,使用最广泛的建筑材料,如今已成为人类社会生活和文化生活的基础[1]。随着社会的进步,就我国来说水泥产量来说,已经从建国初期1950年的290万吨,到2018年的21.77亿吨[2],近半个世纪我国的水泥产量就增长了750多倍,且还有继续增长的趋势。于此同时,在水泥的生产过程中,会消耗大量的资料、能源并且排放大量的二氧化碳(CO2),一氧化氮和二氧化氮(NOx),二氧化硫(SO2)等有害气体及粉尘,这些气体也是引起温室气体,酸雨的主要因素。据研究调查水泥生产是全球二氧化碳排放的相对重要来源,约占全球工业二氧化碳排放量的4.5%[3],每生产一吨水泥排放约一吨二氧化碳[4]。
  
  绿色可持续发展是人类最迫切的问题,到2009年2月,一共有183个国家(超过全球排放量的61%)通过了《京都议定书》[5],承诺限制或减少二氧化碳的排放。
  
  2016年3月17号。我国发布了《十三五规划纲要》,纲要明确指出在今后五年将绿色理念作为发展的主基调[6],坚持绿色发展,建筑行业更应首当其冲。吴忠伟院士就指出混凝土的生产及施工技术必从传统粗放生产经营方式,向大量节约资源,减轻地球环境负荷及维护生态平衡的具有最新、最高技术水平的生产经营方式发展[7]。
  
  粉煤灰的使用正好符合绿色发展的理念,粉煤灰本身就是工业废料,使用粉煤灰能减少粉煤灰掩埋或直接排放造成的土地或空气污染,粉煤灰本身作为一种胶凝材料,粉煤灰的使用能减少混凝土中水泥的使用,因此能变废为宝,节约资料,保护环境,此外工程中用粉煤灰的售价通常也比水泥低,使用粉煤灰能够降低工程成本。此外,我国的粉煤灰产量高,使用率低,据统计我国粉煤灰的库存量至少有25亿吨,而且在未来几年里还在以每年5.6~6.1亿吨的速度增加[8]。因此提高粉煤灰综合利用意义重大。
  
  我国现有规范短期刚度计算公式是规范课题组在上世纪70年代根据实验归纳总结来的,多年来规范版本的修改始终沿用至今[9][10][11][12]。但是随着时代的进步,现在得钢筋混凝土建筑材料都得到了极大的发展,钢筋从原来的HRB235,HRB335变成现在HRB400或者更高,混凝土从原来的普通混凝土到现在得各种矿物掺合料和各种外加剂。
  
  随着高性能混凝土的发展和普及,中国混凝土应用技术的变化很大,商品混凝土开始大规模的使用,混凝土泵送高度开始不断提高,混凝土的平均强度大大提高,混凝土耐久性慢慢被重视和关注。混凝土重要原材水泥品质也发生了极大的改变,我国水泥各有关参数和性质变化的历程和趋势与国外的相似。特点是增加C3S、C3A、细度趋向于细,因而强度尤其早期强度和弹性模量不断提高[13]。近十年混凝土的发展趋势是:高标号、超标号、高早强和大坍落度。更高强度的钢筋的使用,可以减小用钢量,节约经济。同时这也带来了另外一方面的问题,在相同的设计荷载作用下,若配筋率和普通钢筋一样,将出现超筋,因此,只能减小用钢量,减小配筋率,由于高强钢筋抗拉强度较大,要使其屈服,对应的应变较大,变形较大,而混凝土抗拉能力较低,裂缝宽度将增大。我们知道钢筋混凝土梁开裂高度的增加,对钢筋混凝土梁的抗弯刚度将产生影响。梁开裂后刚度的退化取决于梁裂缝的扩展,而掺加粉煤灰能够提高试验梁的开裂荷载和极限荷载,提高梁刚度,可以有效抑制裂缝的发展[ 14]。考虑到规范公式是个半理论半经验公式,所以现行规范中的短期刚度公式对粉煤灰钢筋混凝土梁是否仍然适用,还值得探讨。
  
  1.2.1、研究意义。
  
  我国是资源大国,也是能源消费大国。其中,每年电力发电需要消耗几亿至十几亿吨煤,电力行业是生产粉煤灰的主要来源,平均每消费2吨煤可生产1吨煤灰。粉煤灰基建筑材料由于其良好的性能和环境友好性,具有替代普通硅酸盐水泥的巨大潜力。在过去的几十年里,建筑业更高的可持续发展标准大大促进了绿色建材的发展。到目前为止,寻找建筑材料可持续性解决方案的一大趋势是使用粉煤灰部分或全部替代硅酸盐水泥。因此提升粉煤灰在结构工程的应用,探究粉煤灰混凝土的使用性能,以及对规范公式的适用性进行分析有很大的研究意义。
  
  1.2、粉煤灰混凝土国内外研究现状。
  
  据估计,全球普通硅酸盐水泥(OPC)生产对温室气体排放的贡献约为每年13.5亿吨,约占全球大气温室气体排放总量的7%[15],特别是那些在腐蚀性环境中建造的,在20至30年后开始恶化,即使它们的设计使用寿命超过50年[16]。为了生产环境友好型混凝土,Mehta[17]建议使用更少的自然资源,更少的能源,并尽量减少二氧化碳的排放。他把这些短期的努力归为工业生态学。降低材料消耗率,可以达到降低工业副产品有害影响的长期目标。根据上述观点,生产更环保混凝土的努力之一,是用粉煤灰等副产品材料部分替代混凝土中的OPC含量。
  
  国际上,20世纪初,粉煤灰的研究和利用开始进行[18],20世纪30年代,针对粉煤灰在混凝土中的应用开始开展了较为系统的研究。此后,德国、美国等国越来越重视和发展粉煤灰的研究和应用[19]。20世纪40年代,第一篇对含粉煤灰混凝土性能的最全面研究文献发表了,为粉煤灰在混凝土中的应用开辟了道路[20],粉煤灰混凝土的第一个主要用途是美国垦务局报告的马坝。1958年,美国陆军工程兵团在萨顿大坝的施工中使用了粉煤灰混凝土[21]。20世纪50年代,我国开始开展粉煤灰的科研和应用工作。目前关于粉煤灰混凝土的研究已经比较深入,粉煤灰混凝土也广泛地应用于各种工程中。
  
  1.2.1、适宜掺量粉煤灰混凝土。
  
  关于在混凝土中掺入粉煤灰的较为适宜的掺量,Thomas MDA[22]和Song HW[23]等人认为粉煤灰替代胶凝材料替代率低于25%常用于混凝土中,因为它能够为混凝土提供显着的益处,例如长期强度的提高、水化热的降低、抗氯离子侵蚀的提高和工作性的提高。且Yoo S W[24]认为在大批量商品混凝土生产中,粉煤灰替代率大于30%时存在质量控制困难、早期强度低等缺点。徐刚[25]认为混凝土中粉煤灰的含量通常为水泥基粘合剂质量的15%到30%。李红君[26]认为:II级粉煤灰掺量不宜超过水泥用量的20%,I级粉煤灰掺量不宜超过水泥用量的30%。尹宁[27]认为粉煤灰取代率存在一个最佳值,关于劈裂抗拉强度为25%,关于拉压比为30%。肖佳[28]认为粉煤灰掺量23%、矿粉掺量10%的混凝土为较佳配合比。汪冬冬[29]通过试验发现:在粉煤灰掺量20 %时, 综合各项力学性能指标都优于普通混凝土。所以通常可以认为20%~30%为粉煤灰混凝土的最适宜掺量。
  
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  1.2.2  大掺量粉煤灰混凝土
  1.2.3  碱激发粉煤灰混凝土
  1.2.4  粉煤灰替代骨料混凝土.
  1.3  粉煤灰钢筋混凝土梁弯曲性能国内外研究现状
  1.4  粉煤灰对混凝土力学性能影响
  1.4.1  粉煤灰对混凝土弹性模量的影响.
  1.4.2  粉煤灰对钢筋和混凝土粘结与抗裂性能性能的影响
  1.5  粉煤灰分类
  1.5.1  F类粉煤灰与C类粉煤灰
  1.5.2  I、II、III级粉煤灰
  1.6  研究方法与内容
  1.7  本章小结
  
  第2章  钢筋混凝土梁短期刚度公式的研究.
  
  2.1  各国混凝土结构设计规范短期刚度公式
  2.1.1  我国规范的短期刚度计算公式
  2.1.3  欧洲规范(Eurocodc2和CEB-FIP MC90)
  2.1.4  俄罗斯规范(SP52-101)
  2.2  国内外学者给出的短期刚度计算公.
  2.3  短期刚度公式的对比分析
  2.3.1  基本方法对比
  2.3.2  计算思路对比
  2.3.3  开裂对梁刚度影响的考虑方法对比.
  2.3.4  对比总结
  2.4  本章小结
  
  第3章  试验 研究
  

  3.1  试验概况
  3.1.1  研究变量
  3.1.2  试验梁设计
  3.1.3  混凝土配合比设计与材料性能
  3.1.4  试件制作与处理.
  3.1.5  加载方案与基本力学性能试验方法
  3.2  试验结果与分析
  3.2.1  基本力学性能试验结果与分析
  3.2.2  受弯基本性能分.
  3.2.3  梁的裂缝分析
  3.2.4  梁的短期刚度分析
  3.3  本章小结
  
  第4章  短期刚度理论分析
  
  4.1  基于刚度解析法的刚度系数折减法
  4.1.1  公式推导
  4.1.2  误差分析
  4.2  基于弹性理论的刚度图形解析法
  4.2.1  公式推导
  4.2.2  误差分析
  4.3  本章小结.
  
  第5章  ABAQUS 模拟分析
  
  5.1  ABAQUS模拟与实测对比.
  5.1.1  模型建立
  5.1.2  混凝土损伤塑性模型(CDP 模型)参数的选取.
  5.1.3  结果分析
  5.2  ABAQUS对粉煤灰钢筋混凝土梁的分析.

  结   论

  本文通过对适宜工程结构应用的两种粉煤灰替代率钢筋混凝土梁进行受弯性能分析,探究粉煤灰钢筋混凝土梁的基本受弯性能,和粉煤灰对梁短期刚度的影响,以及对规范短期刚度公式在粉煤灰钢筋混凝土梁适用性进行了分析,并给出了修正公式。并且通过理论推导和分析给出了两种计算梁短期刚度的新公式,为短期刚度的计算提供了新思路和新方法,最后通过Abaqus软件模拟分析并对比试验结果。可以得出以下结论:

  1.粉煤灰钢筋混凝土梁与普通混凝土梁在基本受弯性能,和裂缝形态上差异不大,在28d下,掺入20%~40%粉煤灰并不会使梁承载力有太大的影响,能满足工程早期强度需求。

  2.粉煤灰替代率在20%左右时,可以提升梁的短期刚度,粉煤替代率在40%左右时,对梁短期刚度影响不大。

  3.规范公式在计算40%粉煤灰替代率梁短期刚度时,计算值偏低,可能是过高的体现了强度的影响,而过低的忽略了弹性模量的影响,对此,本文给出了适合与40%粉煤灰钢筋混凝土梁短期刚度规范修正公式。

  4.本文给出的基于刚度解析法的刚度折减法计算梁短期刚度公式比规范公式更简洁,基本误差小,给出的基于弹性理论的刚度图形解析法与试验十分吻合,并且与其他文献试验也教吻合,能满足设计使用需求。

  5.使用Abaqus模拟分析和试验值比较吻合,证明了试验的可靠性,通过Abaqus模拟分析粉煤灰对梁短期刚度的影响与试验一致。

  参考文献

  原文出处:王攀. 粉煤灰钢筋混凝土梁短期刚度研究[D].北京建筑大学,2020.
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