發(fā)布時間：2016-04-11 17:21

1緒論

1.1選題背景
據(jù)統(tǒng)計,建筑廢料占我國城市垃圾的比例可高達30%-40%。人們最普遍的處理辦法是將建筑垃圾直接運往郊外進行露天堆放或填埋,這樣不僅占用了大量的土地,還增加了垃圾清運的費用[1]。與此同時,建筑垃圾在運送和堆放過程中會產(chǎn)生大量的粉塵和灰砂,導(dǎo)致環(huán)境污染加重、也給人們的日常生活帶來了不便。隨著社會的發(fā)展,耕地保護和環(huán)境保護的多種相關(guān)法律法規(guī)的陸續(xù)頒布實施,使得怎樣正確處理和排放建筑垃圾成為各界面臨的一項重大難題[2]。許多資料顯示:截止到1995年底,日本每年要排放達6400萬噸的廢棄混凝土[3];西歐的人均廢棄混凝土的排放量約0.6-0.9t;而在1998年,香港每天將排放高達32710噸的建筑廢棄物。因此,如何正確的處理廢舊混凝土是人們需要迫切解決的問題[4]。我國有著悠久的歷史文化,許多建筑物已經(jīng)臨近使用年限,各種的城市重建、項目改造和道路翻修等工程的進行,導(dǎo)致了廢舊混凝土總量的逐年增多。如果只是單純的將這些廢料運往郊外進行露天堆放或填埋不僅會對環(huán)境造成嚴重的污染,還會浪費資源。為此,我國十分重視廢舊混凝土再生利用的研究,將廢舊混凝土的資源化處理做為環(huán)境保護和可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略追求的目標之一,并將其列入了國家“十一五”規(guī)劃項目[5]。此外,混凝土的大量使用增加了天然砂和碌石的總需求。據(jù)統(tǒng)計,全世界每年消耗的混凝土總量遠大于40億m3,所需要的天然砂石骨料更是比60-80億噸還要多[6]。而砂石骨料主要來源于對礦山的大量開采,這就必然會導(dǎo)致生態(tài)環(huán)境的破壞。因此,利用這些建筑廢棄物制備高質(zhì)量的混凝土越來越成為人們研究的主向,這種“變廢為寶”的方法不僅能節(jié)約資源還能減少環(huán)境污染,是我國提倡的可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略的體現(xiàn)。
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1.2國內(nèi)外再生混凝土的研究現(xiàn)狀與應(yīng)用
二戰(zhàn)過后,以日本、德國、荷蘭等國為代表的國家對廢棄混凝土的未來發(fā)展前景和回收再利用的方法進行了研究,并對相關(guān)項目進行了會晤。為了彰顯再生混凝土利用的重要性地位,許多國家制定了相關(guān)的法律法規(guī)來確保相關(guān)研究的順利進行,并將其視為環(huán)境保護和可持續(xù)發(fā)展的重要措施荷蘭是早期研究再生混凝土的代表國家之一。1980年,荷蘭就對利用再生混凝土制備素混和鋼混等其他類別的混凝土方面制定了規(guī)范。其內(nèi)閣計劃截止到2000年,建筑廢料的回收率爭取達到百分之九十以上。截止到1990年底,丹麥的建筑廢料的回收利用率達67.2%以上,相當于在產(chǎn)生的1220萬噸的建筑垃圾中,有820萬噸可進行回收利用,數(shù)據(jù)相當可觀。為了進一步提高再生混凝土的利用率,在同一年丹麥還對法規(guī)進行了修正,修正案指出:可以考慮在適宜的條件下,將再生骨料用于某種特定的結(jié)構(gòu)[12]。再生混凝土的眾多應(yīng)用中,德國主要將其應(yīng)用在公路上。以薩克森州高速公路為例,以剛性水泥混凝土為主的路面結(jié)構(gòu),總厚度可達26cm。共分兩層,第一層厚7cm,以天然骨料配制的混凝土為主;第二層厚19cm,以再生混凝土為主。此外,德國運用再生混凝土建成了一棟六層框架結(jié)構(gòu)的辦公樓,為各國廢棄混凝土的回收再利用起到了示范作用[14]。1977年,日本在各地設(shè)立了建筑垃圾回收利用工廠,并制定了《再生骨料和再生混凝土使用規(guī)范》;1992年,提出了 “控制建,筑副產(chǎn)品排.放、以及建.筑副產(chǎn)品的回收利用”的計劃[15];然后在1996年10月,日本制定了 “再生資源法”以推動建筑副產(chǎn)品的回收利用。一系列政策的出臺都將為再生混凝土的發(fā)展提供依據(jù)和保障。據(jù)統(tǒng)計資料顯示:美國有30多個州將再生骨料應(yīng)用于公路建設(shè),其中有4個州將其用于底基層,26個州將其用于基層,并有15個州制定了相關(guān)規(guī)范。包括密歇根州在內(nèi)的許多州都將實施或已經(jīng)完成有關(guān)再生混凝土應(yīng)用的項目,并在高速公路中廣泛釆用公路水泥混凝上的再生利用[17]。
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2再生混凝土梁承載力的計算分析

再生混凝土的力學(xué)性能受再生骨料取代率的影響,而表現(xiàn)出不同程度的差異性,因此為了確定再生混凝土梁受彎承載力的計算公式,有必要將取代率r的影響考慮在內(nèi)。我們首先將普通混凝土設(shè)定為取代率r=0%的特定的再生混凝土,然后參照普通混凝土梁的受彎承載力的計算模式,進行再生混凝土梁的適用公式的推導(dǎo),這對分析兩種混凝土的差異和推動再生混凝土的進一步發(fā)展有著深遠的影響。本文通過分析了普通混凝土的軸心受壓的本構(gòu)關(guān)系和大量的國內(nèi)外研究情況,首先確定了再生混凝土的曲線,進而依據(jù)混凝土規(guī)范的規(guī)定,以普通混凝土梁受彎和抗剪承載力為基礎(chǔ)推導(dǎo)再生混凝土的計算公式。

2.1再生混凝土受壓曲線
參照普通混凝土的曲線形式,許多學(xué)者均通過試驗測試,給出了再生骨料取代率不相同時,再生混凝土的(X-S曲線的近似形狀。肖建莊[38]經(jīng)過多次試驗,給出了如圖2所示的再生混凝土應(yīng)力-應(yīng)變曲線圖,圖中曲線分別是再生骨料取代率為0%、30%、50%、70%和100%時的曲線圖。從圖中可以看出曲線大體上也分為上升和下降兩段,基本上可確定出比例極限點、臨界點、峰值點、拐點和收斂點。隨著再生骨料取代率的增加,上升段的曲線斜率越來越小,下降段的曲線斜率越來越大,表明再生混凝土Es降低、材質(zhì)變脆。從表1-2可以看出,隨著骨料取代率的增加,上升段參數(shù)a取值十分接近,而下降段參數(shù)6的取值呈上升趨勢。其中,參數(shù)《代表圖7所示曲線的初始切線的斜率,再生混凝土的初始彈性模量隨著CT取值的減小而越來越小;&與下降段曲線下的面積有關(guān),6的取值越大,下降段斜率就越大,材料的延性越差,材料越脆。
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2.2再生混凝土梁受彎承載力的計算分析
宋新偉[41]通過對8根梁進行加載直至破壞的試驗,得到各級荷載作用下,梁跨中截面混凝土的平均應(yīng)變隨梁高變化的分布圖,如圖8。從圖中可以看出,再生混凝土梁由開始加載,直至最后加載結(jié)束時的臨近破壞,截面上各點的應(yīng)變近似正比于該點到中性軸的距離。由此可知,再生混凝土平均應(yīng)變沿梁高基本符合平截面假定。白文輝[33]通過試驗研究了 6根不同骨料摻入量和摻入量相同配筋率不同的梁的加載情況,結(jié)果得到了梁跨中截面鋼筋和混凝土應(yīng)變沿截面高度的分布規(guī)律,很好的驗證了平截面假定在再生混凝土梁受彎過程中的正確性。因此,本文通過借鑒平截面假定的內(nèi)容,提出了幾點適用再生混凝土梁正截面計算的幾個基本假定:(1)構(gòu)件的截面從開始受力到最后臨近破壞始終保持平面內(nèi)變形。(2)忽略再生混凝土的抗拉強度。
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3再生混凝土梁受力性能的有限元分析......28
3.1再生混凝土梁受彎性能的有限元分析......28
3.2再生混凝土梁抗剪性能的有限元模擬......39
3.3本章小結(jié)......52
4再生混凝土梁的可靠度分析......54
4.1結(jié)構(gòu)可靠度概念與原理簡介......54
4.1.1可靠度與可靠指標......54
4.1.2可靠度的計算方法......54
4.2再生混凝土梁受彎承載力的可靠度分析......55
4.2.1再生混凝土抗壓強度的統(tǒng)計參數(shù)分析......57
4.2.2可靠指標的計算......58
4.3再生混凝土梁抗剪承載力的可靠度分析......62
4.3.1荷載效應(yīng)和抗力的統(tǒng)計參數(shù)分析......62
4.3.2受剪承載力可靠指標的計算......67
4.4本章小結(jié)......73
5結(jié)論與展望......75
5.1 結(jié)論......75
5.2展望......75

4再生混凝土梁的可靠度分析

4.1結(jié)構(gòu)可靠度概念與原理簡介

可靠度計算方法根據(jù)復(fù)雜精確程度的不同分為一次二階矩方法、二次二階矩方法和蒙特卡洛方法[55]等。其中一次二階矩方法中的驗算點法是目前可靠度分析中最常用的方法,因此本節(jié)采用此算法進行計算。驗算點法將功能函數(shù)線性化點取在設(shè)計驗算點,從而提高了 P的計.算精度,并保證了對同一結(jié)構(gòu)問題yS的惟一性。因其經(jīng)系統(tǒng)改進后作為結(jié)構(gòu)安全度聯(lián)合委員會(JCSS)的文件附錄推薦給土木工程界,故也稱其為JC法[56]。通過對非線性功能函數(shù)在驗算點處進行展開來計算可靠指標,根據(jù)以上分析我們假設(shè)C30再生混凝土的立方體抗壓強度和軸心抗壓強度的分布參數(shù)見表26,其中工況1表示與普通混凝土具有類似離散性的情形;工況2是根據(jù)上述情況①所進行的模擬;工況3則是根據(jù)上述情況②所進行的模擬;各分布類型的概率密度函數(shù)如圖29所示。本節(jié)重點分析再生混凝土梁受彎承載力受各種因素的影響程度,即可分為兩種情況進行分析:①再生混凝土的離散性與普通混凝土類似,即工況1的情形時,在不同骨料取代率下各因素對可靠指標的影響計算;②再生混凝土的離散性較大時,即工況2、3的情形時,不同骨料取代率下強度離散性對可靠指標的影響。

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結(jié)論

本文結(jié)合國內(nèi)外有關(guān)再生混凝土梁的的受彎和抗剪性能試驗,主要對再生混凝土梁進行了承載力的計算分析、有限元的模擬分析和承載力的可靠度分析,最后得出以下結(jié)論:
(1)以《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》為基礎(chǔ)推導(dǎo)出的含有參數(shù)再生骨料取代率r在內(nèi)的再生混凝土梁的抗彎承載力計算式,經(jīng)試驗驗證具有一定的適用性。
(2)以塑性理論為基礎(chǔ),給出了考慮開裂影響的再生混凝土梁受剪承載力的表達式,其中無腹筋梁和有腹筋梁的承載力公式存在一定的差別。但經(jīng)相關(guān)的試驗數(shù)據(jù)與計算結(jié)果的對比發(fā)現(xiàn),兩者的吻合度較高,理論推導(dǎo)式具有一定的合理性。
(3)利用ABAQUS有限元軟件對再生混凝土梁的受彎過程進行模擬。結(jié)果發(fā)現(xiàn):梁受彎過程中,跨中撓度隨著取代率r的增加呈增長趨勢;且梁破壞時的跨中撓度、極限承載力的計算值大于試驗值,而開裂荷載的模擬計算值略微小于試驗結(jié)果。
(4)通過ABAQUS軟件模擬再生混凝土梁的抗剪過程發(fā)現(xiàn):再生混凝土梁的抗剪承載力和跨中撓度隨著再生粗骨料取代率〃的增加而有不同程度的降低。再生混凝土梁的抗剪性能大體上隨著縱筋配筋率的增大而有所提高,但當配筋率增大到足以形成超筋梁時,其對再生混凝土梁抗剪性能的影響不再明顯。
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參考文獻(略)

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本文編號：37494