常温下再生混凝土梁抗弯性能的试验研究与分析.pdf

江 苏建筑 2 0 1 2年第 6期 ( 总第 1 5 2期 ) l 3 常温下再生混凝土梁抗弯性能的试验研究与分析 黄 正 徐 明 ( 东南大学土木工程学院， 江苏南京 2 1 0 0 9 6 ) 摘 要】 通过试验研究了3 根再生骨料替代率分别为0 ， 5 0 和 l 0 o 的钢筋混凝土梁， 得到了不同替代率下混凝土梁 的常温抗弯性能 ， 并结合 试验 数据及相关规范 ， 对再生混凝 土梁在常温下的承 栽力、 跨 中挠度进行 了分析和探 讨 对比 了普 通 混凝 土 梁 与再 生混 凝 土 梁 的 差 异 。 关键词】 再生混凝土； 试验研究； 常温； 抗弯性能 中图分类 T U 3 1 7 【 文献标识码】 A 【 文章 - 1 o o 5 6 2 7 0 ( 2 0 1 2 ) 0 6 0 0 1 3 0 2 Ex p e r i me n t a l St u dy a n d Ana l y s i s o n Fl e x ur a l Be ha v i o r o f Re c y c l e d Ag g r e g a t e Co n c r e t e Be a ms a t Ro o m Te mpe r a t ur e HUANG Z h e n g XU Mi n g ( S c h o o l o f C i v i l E n g i n e e r i n g ， S o u t h e a s t U n i v e r s i t y ， N a n j i n g J i a n g s u 2 1 0 0 9 6 C h i n a ) Ab s t r a c t ：T h r o u g h t h e e x p e r i me n t wh i c h s t u d i e s t h r e e r e i n f o r c e d c o n c r e t e b e a ms o f d i ff e r e n t s u b s t i t u t i o n r a t e ( 0 ， 5 0 a n d 1 O O ) o f t h e r e c y c l e d a g g r e g a t e ， t h e fl e x u r a l b e h a v i o r o f r e i nfo r c e d c o n c r e t e b e a ms w i t h d i f f e r - e nt s u b s t i t u t i o n r a t e a t r o o m t e mpe r a t u r e i s g o t Us i n g t he t e s t r e s u l t a n d s o me r e l a t e d c o d e s ，t h e no r ma l s e c t i o n c a p a c i t y a n d mi d - s p a n d e fl e c t i o n a r e a n a l y z e d I n t h i s wa y ，t h e d i f f e r e n c e b e t w e e n n o r mal c o n c r e t e a n d r e c y c l e d a g g r e g a t e c o n c r e t e h a s b e e n c o mp a r e d Ke y wo r d s ：r e c y c l e d c o n c r e t e ； e x p e r i me n t a l s t u d y ； r o o m t e mp e r a t u r e ； fl e x u r a l b e h a v i o r O 引言 随着我国经济的高速发展 许多危房旧房在不断地拆 除 如果能够充分利用拆 除后 的废弃混凝土 。 则既节约 了大 量的 自然资源 ， 又保护 了环境 。 将废弃混凝土进行加工处理 后重 新利用到新拌混凝土中去 成 为新拌混凝土 中的骨料 这就是再 生骨料混凝土( 简称再生混凝土 ) 技术1 】 。 目前 对于再生混凝土材料性能 的研究 已经不少 但对 于再生 混凝 土构件 方面 的研究 则不 多 本 文试 图通 过对 O 5 0 及 1 0 0 3种再 生骨 料替 代率 的足尺 钢筋混 凝土 梁进 行常温抗 弯试验和理论探讨 为今后再生混凝土梁 的 抗 弯设计 提供 依据和参 考 1 材料性能 根 据上海 再 生混凝 土规程 。 预配制 强度等级 为 C 3 0 的再生混凝 土拌制混凝土后每个配合 比预留 3 个 立方体 试块用作立方体抗 压强度的测定 同时对 钢筋混凝 土梁中 的钢 筋留样测试 。得 到材料 的力 学性 能见表 1 。 2 构 件 设 计 根据替代率 的不 同 共设计 了 3根构件 。 其截 面尺寸 、 配筋 、 长度都相 同， 梁的具体 尺寸和配筋参数详见图 1 。 3 试验 结果分析 表 l 材 料 的 力 学 性 能 越 整 让 、垃 蔓 让 t， 一 L l 夺盈 肚盈 黉 盐冲 l 一 I 1 | 干 图 l 混凝土 梁设计及加载方案 示意 图 3根混凝土梁均 为适 筋破坏 。 破 坏过程经历 了弹性 、 开 裂 、 屈 服 和 破 坏 4个 阶段 。 有关承载力 的试验数据如表 2所示 。( 注 ： N C B是普通 收稿E t 1 2 0 1 2 0 9 1 7 作者简介】 黄 正 ， ( 1 9 9 0 - ) ， 东 南 大 学 土 木 工 程 学 院 ， 博 士 研 究 生 。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 1 4 江苏建筑 2 0 1 2年第 6期 ( 总第 1 5 2期 ) 混 凝 土 梁 、 R C B 5 0是 替 代 率 为 5 0 的 再 生 混 凝 土 梁 、 R C B 1 0 0是替代率 为 1 0 0 的再生混凝土梁 ) 表 2 实测值 与理论值 的比较 表 2中的理论极限弯矩是根据 混凝 土结 构设 计规范 G B 5 0 0 1 0 2 0 1 0 ) 咐 算 的 。 公式为 ： 帆 - f b x ( h o - 争) A ( 口 ) 其 中混凝土受压 区高度按下列公式确定 I b x A - f ， A 将试验 测得 的立 方体抗压强度 转换为轴 心抗压 强度 再将钢 筋的屈服强度 等已知数值带入公式 即可得再 生混 凝 土 的 理论 极 限 承 载 力 从 表 2我们 可以看 出 普通混凝土 的实测极 限弯矩 比 理论极 限弯矩大 约高 出 l 3 7 。 替代率为 5 0 的再生混凝 土梁实测值 也大于理论值 不过相 比于普通混凝土 。 其 高出 理论值 的幅度要 小一些 。 大约为 3 4 。 而替代率为 1 0 0 的 再生混凝土梁 其实测值反而小于理论值， 大约比理论值小 5 7 计算结果偏于不安全。由此可见 混凝土梁中再生骨 料的替代率越高 ， 其抗 弯承载力越低 。 混凝土结构设计规 范 中正截 面承载力的公 式不再适用 于再生 混凝 土 ， 为 了保 证与普通混凝土有相 同的安全系数 即实测值高于理论值 1 3 7 可以得 出如表 3的折减 系数 。 有关跨 中挠度 的试验数据如 图 2所示 。 表 3 承载力计算公式折减系数 再生 骨料 替代率 公式折减 系数 O 5 O 1 o o 1 0 0 0 9l O 8 3 e 0 5 l u l ，20 25 30 35 40 45 50 De f I e c t bn【 mm) 图 2 混凝土梁荷载一 挠度 曲线 从 图 2中可以看 出 再生混凝 土梁 的抗 弯刚度要小于 普 通混凝土 。 且随着再生骨料替代率 的提高而 降低 在正常 使 用状 态下 ，替代 率为 5 0 的再生 混凝 土梁刚 度折 减为 6 0 9 0 替代 率 为 1 0 0 的再 生 混凝 土 梁 刚度 折减 为 5 5 一 8 5 。 根据 混凝 土结构设计规范 G B 5 0 0 1 0 2 0 1 0 ) ， 混凝土 短 期刚度 的理论计算公式为 ： 鼯 对 于普通 C 3 0混凝 土 = 3 0 0 0 0 MP a = 2 0 1 MP a 。再 生混 凝土的弹性模 量和标准抗拉 强度 已有学 者进行过一 定的研究。 肖建 庄【 I 】在 再 生混 凝土 一书 中提 出以下 回归公 式 。一 0 7 5 r + 2 2 +3 _ 4 7 一 一 再生粗骨料取代率为 r 时 的混凝土 弹性模量 ： 厂c 。厂 再 生混 凝土立方 体抗 压强度。 肖建庄嘲 还 通过再生混 凝土单轴抗拉 试验 得到再 生混 凝土抗拉强度与立方体抗压强度 的关系 车 厂c ( 0 2 4 - 0 0 6 r ) 利 用以上公 式 可以得到不 同替代率混 凝土的理论荷 载一 挠度曲线 如 图 3 图 5所示 。 由图 3 一 图 5可知 。普通混凝土在 正常使用状态 时 其 理论计 算挠度可以很好的模拟实际情况。根据 肖建庄提 出 25 2 0 喜 量 1 0 5 0 E 至 E 三 图 3 N C B荷载一 挠度 曲线 0 5 1 0 1 5 2 0 2 S 3 0 3 5 4 O 4 5 5 0 S 5 l i e c ( mm) 图 4 RC B 5 0荷 载 一 挠 度 曲线 kc 由t 【mmJ 图 5 R C B 1 0 o荷载一 挠度 曲线 ( 下转 第 3 3页 ) 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 江苏建筑 2 0 1 2年第 6期 ( 总第 1 5 2 期 ) 3 3 为是结 构将 膜应 变能快速转换 成弯曲应变能的过程闻 。 此风 力发 电机组 的塔 架是薄壁 圆筒 结构 塔 顶有 叶轮和机舱等 大型部件 。 塔架成为受压构件 作用在塔顶 的轴 向压力 会产 生对塔架各截面 的弯矩 随着塔顶所受压力的逐步增加 。 塔 架抵抗横 向变形 的能力会逐渐下降 它 的总体刚度也将趋 向于零 ， 使 塔架丧失稳定性。由于风力发电机组运行时 。 塔 架在外载荷 的作用下将 出现横 向的挠动 当塔架所受外 载 荷达到某一特定值时 弯矩的增大会导致塔架某一截 面超 出其屈 服极 限。 即产生 局部失稳 ， 使得塔架 发生破坏 ， 从 而 出现安全事故m 。因此必 须考 虑塔 架的稳定 性。 塔 架的稳定 性分析 就是为 了确保 塔顶在某些 特定 的外 载荷作用下 塔 架所有截面的屈 曲是否超 出其屈服极限 是否使得塔架发 生 破 坏 。 4 塔筒设计 要点 塔 架是风力发 电机组 的主要承重结构尤其是 大型风 力 发电机组。 其高度一般都在数十米以上。 当风力机运行时。 塔架受 力状 态极 为复杂。 这些 载荷 通常包括 风载荷、 机组 自 重 以及 由机组 重心偏 移引起的偏 心力矩等 在这些载荷的 共 同作用于下， 塔架 因疲劳而失效 的情 况较 为少见 而它的 顶端产 生过 大的位移( 挠度) ， 引起 机组的激烈振动， 最终导致 机组不 能正 常运行 的事例却是较 多的。因此， 塔架的刚度将 直接影 响风力机 的整体稳定性 和动态特性 在设 计塔架的 过程 中刚度计算 就成 为风 力机稳定 性计算 以及振 动计算 中 一 项重要 的内容 计算大 型风力发 电机组塔 架刚度的关键 是要计算 出其运 行过 程中在各 种载荷作 用下其顶端所产生 的位移 即挠度 作用于变截 面塔架结构上 的风 载荷 一般应按 随着高 度系数而变化 的倒梯形非均布载荷计算 。但 由于变截 面塔 架结构 的截面随着高度 的增加。 其截面却 相应 减小。 因而， 实 际上 受到 的风载荷 也随着迎 风面积 的减少 而相应 的减 小 故可将风载荷近似地 当作均布载荷来处理 。 风力发 电机塔 架作 为一 种特 殊的高 耸钢结 构形式 其 许用的刚度条件 目前 国内尚无此方面的标准和规范 。根据 经验， 要确保风力机的正常运行， 建议将塔架许用挠度田控 制在塔架总高度 L的 0 5 0 8 的范围内较 为合适 。 5 结 语 本 文对 典型的锥筒式海上风力发电塔架的塔筒进行分 析。讨论 了风力发电机承载部件一 塔 简的受力分析 特点 。 与 陆地塔 简的不同之处。 介绍了塔筒分析设 计方法 。 总结 了有 限元模 型建立的简化方法 以及此类锥形塔 简设 计分析时 应考虑 的一 些关 键问题， 供设计人员参考。 参 考 文 献 【 1 】1 R Y AN KJ A S ON C H y d r o g e n s t o rag e i n wi n d tu r b i n e t o we 田 I n t e rna ti o n a l J o u mM o f h y dro g e n E n e r g y ， 2 0 0 4 ， 2 9 ( 1 2 ) ： 1 2 7 7 1 2 8 8 【 2 】 陆萍 有限元软件在风 力发 电塔架结构分析的应 用 】 农 业机报， 2 0 0 0 ， 3 1 5) ： 1 1 6 1 1 7 【 3 】 李斌 风力发 电锥 筒型塔 架的模态分析U 】 内蒙古科技 大 学学报 2 0 0 9 【 4 】 赵荣珍 水平轴风力发 电塔 架的振动模 态分析 】 兰州理 工大学学报 2 0 0 9 【 5 5祝 恩淳 ， Ma n d a l P 轴压 圆柱薄壳的屈 曲分析 】 土木工程 学报 ， 2 0 0 1 ， 3 4 ( 6 ) ： 1 8 2 2 【 6 】 王泽军 锅炉结构有限元分析【 M】 北京： 化学工业出版 社 。 2 0 0 5： 1 5 3 1 6 3 【 7 】G MJ o s e l i n He r b e ， S I my a n ， E S r e e v a l s a n ， S Ra j a p a n a n A r e fie w o f e n e r g y t e c h n o l o e s 】 Re n e wa b l e a n d S u s t a i n a b l e ， En e r g y I Le fie ws ， 2 0 07 ( 上接 第 1 4页 ) 的再生混凝土 弹性模量与抗拉强度计算公式 ， 并利用 混凝 土结 构设 计规 范 给 出的刚度 计算 公式 ， 替 代率 为 5 0 的 再生混 凝土梁与 替代率为 1 0 0 的再生混凝 土梁 利用 以 上公式和参数 。 理论 计算 值均明显小于实测值 ， 计算结 果偏 于不安全 。说明再生混凝土的刚度衰减速度要 明显大 于普 通混凝土 ， 因此如需 继续使用 规范 推荐的公式 ， 必须 予以 修正 。 4 结语 ( 1 ) 再 生混 凝土梁正截面承载力小于普通混凝土 ， 利用 现 行规 范的设 计方 法计算 再生混 凝 土梁极 限受弯 承 载力 时 ， 需要乘 以相应 的折减 系数 。 折减系数随替代率 的升高而 降低 。 且大致呈线性变化 。由于梁跨 中弯矩大 ， 对于再生混 凝土梁 ， 如 在跨 中部分使 用普通混 凝土进行 浇筑 ， 则可 以在 一 定程度上提高梁 的极限承载力 。 ( 2 ) 再生混凝土梁 的抗弯 刚度小 于普通混凝 土梁 。 综合 考虑再生混凝土弹模的降低 以及抗拉强度的降低后 利用 规 范 推荐的公式 ， 再 生混凝土梁 的挠度计算值 仍然小于 实测值 结果偏 于不安全 。 参考文献 【 1 】肖建庄 再生混凝土 【 h 量 】 北京：中国建筑工业出版社。 20 08 【 2 】 GB 5 0 0 1 0 2 0 1 0混凝土结构设 计规 范 【 s 】 北京： 中国建 筑 工业 出版 社 2 0 1 1 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m