1緒論

1.1選題背景
據(jù)統(tǒng)計(jì),建筑廢料占我國(guó)城市垃圾的比例可高達(dá)30%-40%。人們最普遍的處理辦法是將建筑垃圾直接運(yùn)往郊外進(jìn)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(yùn)的費(fèi)用[1]。與此同時(shí),建筑垃圾在運(yùn)送和堆放過(guò)程中會(huì)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(lái)了不便。隨著社會(huì)的發(fā)展,耕地保護(hù)和環(huán)境保護(hù)的多種相關(guān)法律法規(guī)的陸續(xù)頒布實(shí)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(xiàng)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(dá)6400萬(wàn)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(dá)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(wèn)題[4]。我國(guó)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(xiàng)目改造和道路翻修等工程的進(jìn)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(yùn)往郊外進(jìn)行露天堆放或填埋不僅會(huì)對(duì)環(huán)境造成嚴(yán)重的污染,還會(huì)浪費(fèi)資源。為此,我國(guó)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(hù)和可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略追求的目標(biāo)之一,并將其列入了國(guó)家“十一五”規(guī)劃項(xiàng)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(jì),全世界每年消耗的混凝土總量遠(yuǎn)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(lái)源于對(duì)礦山的大量開(kāi)采,這就必然會(huì)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(lái)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(guó)提倡的可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略的體現(xiàn)。
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1.2國(guó)內(nèi)外再生混凝土的研究現(xiàn)狀與應(yīng)用
二戰(zhàn)過(guò)后,以日本、德國(guó)、荷蘭等國(guó)為代表的國(guó)家對(duì)廢棄混凝土的未來(lái)發(fā)展前景和回收再利用的方法進(jìn)行了研究,并對(duì)相關(guān)項(xiàng)目進(jìn)行了會(huì)晤。為了彰顯再生混凝土利用的重要性地位,許多國(guó)家制定了相關(guān)的法律法規(guī)來(lái)確保相關(guān)研究的順利進(jìn)行,并將其視為環(huán)境保護(hù)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(guó)家之一。1980年,荷蘭就對(duì)利用再生混凝土制備素混和鋼混等其他類(lèi)別的混凝土方面制定了規(guī)范。其內(nèi)閣計(jì)劃截止到2000年,建筑廢料的回收率爭(zhēng)取達(dá)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(dá)67.2%以上,相當(dāng)于在產(chǎn)生的1220萬(wàn)噸的建筑垃圾中,有820萬(wàn)噸可進(jìn)行回收利用,數(shù)據(jù)相當(dāng)可觀。為了進(jìn)一步提高再生混凝土的利用率,在同一年丹麥還對(duì)法規(guī)進(jìn)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(guó)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(dá)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(guó)運(yùn)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(guó)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(jì)劃[15];然后在1996年10月,日本制定了 “再生資源法”以推動(dòng)建筑副產(chǎn)品的回收利用。一系列政策的出臺(tái)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(jì)資料顯示:美國(guó)有30多個(gè)州將再生骨料應(yīng)用于公路建設(shè),其中有4個(gè)州將其用于底基層,26個(gè)州將其用于基層,并有15個(gè)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(shí)施或已經(jīng)完成有關(guān)再生混凝土應(yīng)用的項(xiàng)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(jì)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(jì)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(jì)算模式,進(jìn)行再生混凝土梁的適用公式的推導(dǎo),這對(duì)分析兩種混凝土的差異和推動(dòng)再生混凝土的進(jìn)一步發(fā)展有著深遠(yuǎn)的影響。本文通過(guò)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(guó)內(nèi)外研究情況,首先確定了再生混凝土的曲線,進(jìn)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(jì)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(guò)試驗(yàn)測(cè)試,給出了再生骨料取代率不相同時(shí),再生混凝土的(X-S曲線的近似形狀。肖建莊[38]經(jīng)過(guò)多次試驗(yàn),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(shí)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(diǎn)、臨界點(diǎn)、峰值點(diǎn)、拐點(diǎn)和收斂點(diǎn)。隨著再生骨料取代率的增加,上升段的曲線斜率越來(lái)越小,下降段的曲線斜率越來(lái)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(shì)。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(lái)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(jì)算分析
宋新偉[41]通過(guò)對(duì)8根梁進(jìn)行加載直至破壞的試驗(yàn),得到各級(jí)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(kāi)始加載,直至最后加載結(jié)束時(shí)的臨近破壞,截面上各點(diǎn)的應(yīng)變近似正比于該點(diǎn)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(guò)試驗(yàn)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(yàn)證了平截面假定在再生混凝土梁受彎過(guò)程中的正確性。因此,本文通過(guò)借鑒平截面假定的內(nèi)容,提出了幾點(diǎn)適用再生混凝土梁正截面計(jì)算的幾個(gè)基本假定:(1)構(gòu)件的截面從開(kāi)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(qiáng)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(jiǎn)介......54
4.1.1可靠度與可靠指標(biāo)......54
4.1.2可靠度的計(jì)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(qiáng)度的統(tǒng)計(jì)參數(shù)分析......57
4.2.2可靠指標(biāo)的計(jì)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(jì)參數(shù)分析......62
4.3.2受剪承載力可靠指標(biāo)的計(jì)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(jiǎn)介

可靠度計(jì)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(yàn)算點(diǎn)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(jìn)行計(jì)算。驗(yàn)算點(diǎn)法將功能函數(shù)線性化點(diǎn)取在設(shè)計(jì)驗(yàn)算點(diǎn),從而提高了 P的計(jì).算精度,并保證了對(duì)同一結(jié)構(gòu)問(wèn)題yS的惟一性。因其經(jīng)系統(tǒng)改進(jìn)后作為結(jié)構(gòu)安全度聯(lián)合委員會(huì)(JCSS)的文件附錄推薦給土木工程界,故也稱(chēng)其為JC法[56]。通過(guò)對(duì)非線性功能函數(shù)在驗(yàn)算點(diǎn)處進(jìn)行展開(kāi)來(lái)計(jì)算可靠指標(biāo),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(qiáng)度和軸心抗壓強(qiáng)度的分布參數(shù)見(jiàn)表26,其中工況1表示與普通混凝土具有類(lèi)似離散性的情形;工況2是根據(jù)上述情況①所進(jìn)行的模擬;工況3則是根據(jù)上述情況②所進(jìn)行的模擬;各分布類(lèi)型的概率密度函數(shù)如圖29所示。本節(jié)重點(diǎn)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(jìn)行分析:①再生混凝土的離散性與普通混凝土類(lèi)似,即工況1的情形時(shí),在不同骨料取代率下各因素對(duì)可靠指標(biāo)的影響計(jì)算;②再生混凝土的離散性較大時(shí),即工況2、3的情形時(shí),不同骨料取代率下強(qiáng)度離散性對(duì)可靠指標(biāo)的影響。

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結(jié)論

本文結(jié)合國(guó)內(nèi)外有關(guān)再生混凝土梁的的受彎和抗剪性能試驗(yàn),主要對(duì)再生混凝土梁進(jìn)行了承載力的計(jì)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(jì)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(jì)算式,經(jīng)試驗(yàn)驗(yàn)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(kāi)裂影響的再生混凝土梁受剪承載力的表達(dá)式,其中無(wú)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(yàn)數(shù)據(jù)與計(jì)算結(jié)果的對(duì)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(duì)再生混凝土梁的受彎過(guò)程進(jìn)行模擬。結(jié)果發(fā)現(xiàn):梁受彎過(guò)程中,跨中撓度隨著取代率r的增加呈增長(zhǎng)趨勢(shì);且梁破壞時(shí)的跨中撓度、極限承載力的計(jì)算值大于試驗(yàn)值,而開(kāi)裂荷載的模擬計(jì)算值略微小于試驗(yàn)結(jié)果。
(4)通過(guò)ABAQUS軟件模擬再生混凝土梁的抗剪過(guò)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(dāng)配筋率增大到足以形成超筋梁時(shí),其對(duì)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(xiàn)(略)

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本文編號(hào)：37494