發(fā)布時(shí)間：2019-12-01 11:18

【摘要】：隨著我國(guó)城市化進(jìn)程的日益加快，由于建筑垃圾所造成的城市污染也日趨嚴(yán)重，而再生混凝土（RAC）作為一種能夠有效利用建筑垃圾的新型建筑材料，符合我國(guó)節(jié)能減排和可持續(xù)發(fā)展的國(guó)家戰(zhàn)略，同時(shí)也是一種能夠節(jié)約不可再生資源、改善城市環(huán)境、推進(jìn)并發(fā)展循環(huán)經(jīng)濟(jì)的有效途徑。然而由于地域性差異，各地區(qū)建筑垃圾來(lái)源不盡相同，導(dǎo)致所制備的普通RAC物理力學(xué)性能差異較大，加之目前對(duì)于普通RAC的研究成果均表明其抗裂能力和延性較差，故本文主要針對(duì)西安地區(qū)的地域特點(diǎn)，在對(duì)不同類(lèi)別廢舊混凝土調(diào)研基礎(chǔ)上，采用人工破碎、機(jī)械破碎、清洗、篩分等加工處理方法，制備了3種不同來(lái)源、不同服役壽命的再生混凝土骨料和普通RAC試塊，并進(jìn)行了相應(yīng)的力學(xué)性能研究。隨后，基于性能增強(qiáng)需要，采用4種不同再生纖維，即聚丙烯三枝抗老化網(wǎng)狀纖維（PPF-1）、改性聚丙烯（粗）TANK纖維（PPF-2）、子午線鋼絲纖維（RSF-1）和尼龍纖維（RNF-2）等，并將其進(jìn)行一元、二元、三元混雜后摻入普通RAC中，制備了相應(yīng)的性能增強(qiáng)再生混凝土（EC-RAC）材料，同時(shí)進(jìn)行了相應(yīng)的力學(xué)性能研究，對(duì)比分析了其性能增強(qiáng)效果。接著，文中還以上述普通RAC和EC-RAC材性試驗(yàn)為基礎(chǔ)，分別設(shè)計(jì)制作了1根普通混凝土，3根普通RAC和2根EC-RAC受彎構(gòu)件以及1根普通混凝土，3根普通RAC和2根EC-RAC柱，并進(jìn)行了相應(yīng)的抗震性能試驗(yàn)。最后，文中還設(shè)計(jì)制作了1個(gè)縮尺比例為1：4的含有多種類(lèi)型的普通RAC和EC-RAC構(gòu)件的框架結(jié)構(gòu)試驗(yàn)?zāi)Ｐ停M(jìn)行了模擬地震振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)研究，得出了一些具有創(chuàng)新意義的研究成果。本文的主要研究工作如下： （1）收集3種不同來(lái)源和不同服役壽命的建筑垃圾，通過(guò)破碎、清洗、篩分等方法，制備了40組再生粗骨料和12組再生細(xì)骨料，進(jìn)行了相應(yīng)的顆粒級(jí)配、表觀密度、孔隙率、含水率、含泥量、氣干及飽和面干狀態(tài)下的壓碎值指標(biāo)等物理力學(xué)性能試驗(yàn)，計(jì)算了顆粒不均勻系數(shù)與曲率系數(shù)，評(píng)價(jià)了再生骨料級(jí)配不均勻性、表觀密度和孔隙率等性能指標(biāo)。結(jié)果表明，文中制備的再生混凝土骨料級(jí)配良好，能夠用于再生混凝土材料的制備。 （2）采用文中制備的再生粗骨料，考慮不同再生骨料取代率，根據(jù)現(xiàn)有普通混凝土配合比設(shè)計(jì)方法，經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)試配和調(diào)整等，確定了文中普通RAC配合比，并制備了91組共273個(gè)普通RAC試塊，進(jìn)行了抗壓、劈裂抗拉、抗折及變形性能等力學(xué)性能試驗(yàn)，建立了再生骨料取代率r與f c/f cu的計(jì)算公式以及f cu與f c的換算關(guān)系、劈拉強(qiáng)度與立方體抗壓強(qiáng)度的換算關(guān)系、抗折強(qiáng)度與立方體抗壓強(qiáng)度的換算關(guān)系、彈性模量與立方體抗壓強(qiáng)度的計(jì)算公式、峰值應(yīng)變與軸心抗壓強(qiáng)度的計(jì)算公式、普通RAC應(yīng)力-應(yīng)變曲線與取代率r之間的計(jì)算公式等，為進(jìn)一步研究提供了依據(jù)。 （3）采用PPF-1、PPF-2、RSF-1和RNF-2等4種不同再生纖維，分別在再生骨料取代率為0%、30%和50%的普通RAC基礎(chǔ)上，摻入單一纖維，二元混雜纖維和三元混雜纖維，制備了150組共450個(gè)EC-RAC試塊，進(jìn)行了EC-RAC材料的力學(xué)性能試驗(yàn)研究，探討了不同種類(lèi)纖維及其摻入量等對(duì)普通RAC強(qiáng)度和變形性能的影響，分析了EC-RAC的各強(qiáng)度指標(biāo)、峰值應(yīng)變和彈性模量以及比普通RAC的增強(qiáng)效果，建立了在不同取代率（0%、30%和50%）下，單摻、二元、三元混雜纖維后所得EC-RAC受壓時(shí)的應(yīng)力-應(yīng)變方程。 （4）根據(jù)前述材性試驗(yàn)結(jié)果，考慮不同再生骨料取代率和不同混雜纖維摻量，研究了其對(duì)于受彎構(gòu)件承載力及變形性能的影響。本文設(shè)計(jì)并制作了縮尺比例均為1：2的1根普通混凝土受彎構(gòu)件、3根普通RAC受彎構(gòu)件和2根EC-RAC受彎構(gòu)件試驗(yàn)?zāi)Ｐ�，進(jìn)行了相應(yīng)的靜力加載試驗(yàn)研究，探討了試驗(yàn)過(guò)程中各受彎構(gòu)件的破壞規(guī)律和破壞特征，對(duì)比分析了試驗(yàn)所得各受彎構(gòu)件的開(kāi)裂彎矩、極限承載力和跨中變形等，確定了各特征值隨再生骨料取代率和不同混雜纖維摻量的變化規(guī)律，特別是混雜纖維摻量對(duì)普通RAC受彎構(gòu)件承載力和變形性能的影響；通過(guò)試驗(yàn)所得結(jié)果，利用最小二乘法進(jìn)行了內(nèi)力臂系數(shù)η、截面彈塑性抵抗矩系數(shù)ζ和鋼筋應(yīng)變不均勻性系數(shù)公式的擬合，建立了適用于RAC受彎構(gòu)件的短期剛度計(jì)算公式，同時(shí)計(jì)算了正常使用狀態(tài)下的梁的撓度值。最后，將ABAQUS有限元軟件模擬結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了比較，兩者吻合較好。 （5）考慮不同再生骨料取代率和不同混雜纖維摻量等因素，設(shè)計(jì)并制作了縮尺比例均為1：2的1根普通混凝土柱、3根普通RAC柱和2根EC-RAC柱試驗(yàn)?zāi)Ｐ�，同時(shí)進(jìn)行了相應(yīng)的低周反復(fù)加載試驗(yàn)，探討了各柱試驗(yàn)?zāi)Ｐ偷钠茐倪^(guò)程及特征，分析了其承載力、滯回曲線、骨架曲線、延性和耗能能力等抗震性能指標(biāo)及其相應(yīng)的變化規(guī)律，特別是混雜纖維摻量對(duì)普通RAC柱承載力和抗震性能的影響。通過(guò)對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析與擬合，建立了適用于普通RAC和EC-RAC柱的三折線型P-Δ恢復(fù)力模型，同時(shí)擬合了正反向加卸載各階段的剛度退化公式。利用所建立的恢復(fù)力模型，分析了各柱相應(yīng)的滯回曲線和骨架曲線，最后采用ABAQUS有限元軟件，對(duì)各柱在低周反復(fù)荷載下的滯回性能進(jìn)行了模擬，得到了相應(yīng)的滯回曲線和骨架曲線，并與試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比，二者吻合較好，上述結(jié)果表明文中建立的恢復(fù)力模型和有限元分析結(jié)果可靠，可用于這類(lèi)構(gòu)件的抗震性能分析。 （6）根據(jù)試驗(yàn)?zāi)Ｐ拖嗨评碚摚阅?層實(shí)際框架結(jié)構(gòu)為原型，設(shè)計(jì)并制作了1個(gè)縮尺比例為1：4的3層單跨框架結(jié)構(gòu)試驗(yàn)?zāi)Ｐ汀榱擞行?duì)比不同取代率和不同纖維摻量對(duì)于RAC梁、柱構(gòu)件的抗震性能的影響，對(duì)框架模型結(jié)構(gòu)中的梁、柱采用了多種類(lèi)RAC進(jìn)行澆筑。進(jìn)行模型結(jié)構(gòu)的模擬地震振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)時(shí)，各工況開(kāi)始前、后均采用白噪聲掃頻，以測(cè)試模型結(jié)構(gòu)的自振特性；然后按照地震烈度從小到大的順序，分別進(jìn)行EL Centro波、Taft波、蘭州波（人工波）的單向、雙向輸入下的模擬地震振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)，，從而考察了模型結(jié)構(gòu)在各工況下的震害特點(diǎn)和規(guī)律，同時(shí)測(cè)試了其相應(yīng)各層的加速度和位移響應(yīng)，求解了模型結(jié)構(gòu)的加速度幅值、位移幅值、層間位移幅值和層間位移角等，對(duì)比分析了普通RAC和EC-RAC框架結(jié)構(gòu)的抗震性能。 （7）根據(jù)白噪聲掃頻結(jié)果，利用MATLAB編程，計(jì)算了模型結(jié)構(gòu)在各工況后的自振特性，并根據(jù)所求層間位移角，同時(shí)參考試驗(yàn)現(xiàn)象，提出了普通RAC和EC-RAC框架結(jié)構(gòu)破損等級(jí)的5級(jí)初步劃分標(biāo)準(zhǔn)；利用整體結(jié)構(gòu)在試驗(yàn)各階段計(jì)算所得頻率和阻尼比，考慮結(jié)構(gòu)X、Y方向不同剛度、結(jié)構(gòu)振型數(shù)量、結(jié)構(gòu)形式以及自振頻率測(cè)試方法等影響，建立了適用于普通RAC和EC-RAC框架整體結(jié)構(gòu)的損傷模型；根據(jù)各工況后普通RAC和EC-RAC框架結(jié)構(gòu)計(jì)算所得的損傷指標(biāo)以及相應(yīng)的臺(tái)面加速度峰值，擬合了方便實(shí)用的框架結(jié)構(gòu)快速評(píng)定結(jié)構(gòu)損傷指標(biāo)的計(jì)算公式；基于上述損傷模型，計(jì)算了各試驗(yàn)工況后模型結(jié)構(gòu)的損傷指標(biāo)，結(jié)合上述破損等級(jí)的5級(jí)初步劃分標(biāo)準(zhǔn)，建立了普通RAC和EC-RAC框架結(jié)構(gòu)破損程度的綜合評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)；利用ANSYS有限元軟件，對(duì)該模型結(jié)構(gòu)進(jìn)行了X向主輸入的雙向地震作用下的有限元模擬，并與試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比，兩者較為吻合，因此可用有限元軟件分析這類(lèi)結(jié)構(gòu)的抗震性能。 研究結(jié)果表明，文中提出的再生骨料、普通RAC和EC-RAC的制備方法有效可靠，所建立的力學(xué)性能計(jì)算公式和本構(gòu)關(guān)系與試驗(yàn)結(jié)果吻合良好，梁、柱構(gòu)件及框架結(jié)構(gòu)的抗震性能均能夠滿足《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB50011-2010）等規(guī)范的要求，特別是混雜纖維的摻入能夠有效地增強(qiáng)材料和構(gòu)件的抗裂性能及延性，提高框架結(jié)構(gòu)的整體抗震性能，減小地震災(zāi)害的影響，同時(shí)相應(yīng)的制備技術(shù)、本構(gòu)關(guān)系、恢復(fù)力模型、結(jié)構(gòu)損傷綜合評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)等均可為工程應(yīng)用時(shí)提供必要的技術(shù)參考。
【學(xué)位授予單位】：西安建筑科技大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2014
【分類(lèi)號(hào)】：TU352.11


本文編號(hào)：2568339