水泥課程設(shè)計-鋼纖維混凝土加強房屋建筑框架結(jié)構(gòu)中抗震性能應(yīng)用研究

1、<p>　　鋼纖維混凝土加強房屋建筑框架結(jié)構(gòu)中抗震性能應(yīng)用研究</p><p><b>　　實驗?zāi)康?lt;/b></p><p>　　了解鋼纖維混凝土研究和應(yīng)用現(xiàn)狀</p><p>　　了解鋼纖維加強混凝土力學(xué)性能的原理及鋼纖維混凝土在加強房屋框架結(jié)構(gòu)抗震性能中的作用；掌握鋼纖維混凝土力學(xué)性能檢測方法及配合比設(shè)計方法。</p>

2、<p><b>　　實驗任務(wù)</b></p><p>　　鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)應(yīng)用于房屋建筑中，影響抗震性能最大的問題就是脆性，因此需要加大鋼筋用量，但是鋼筋過多，又會增加施工難度，提高成本。高強混凝土中加入鋼纖維可以起到增強增韌作用，鋼纖維混凝土中亂向分布的短纖維主要作用是阻礙混凝土內(nèi)部微裂縫的擴展和抗沖擊性，改善混凝土的韌性和混凝土結(jié)構(gòu)的延性。本實驗控制鋼纖維在混凝土配合比的摻量

3、，驗證鋼纖維混凝土基本力學(xué)性能，為得出最適合房屋建筑框架結(jié)構(gòu)抗震要求的鋼纖維摻量提供依據(jù)。</p><p><b>　　實驗綜述</b></p><p>　　3.1鋼纖維混凝土國內(nèi)外研究情況概述</p><p>　　鋼纖維混凝土（Steel Fiber Reinforced Concrete，簡稱SFRC）是近20年迅速發(fā)展起來的一種新型復(fù)合材

4、料。它是在普通混凝土中摻入亂向分布的鋼纖維所形成的一種纖維型與顆粒型相混合而成的復(fù)合材料。除抗壓強度外，它的其它物理力學(xué)性能都比普通混凝土有顯著的改善和提高。在受力過程中，鋼纖維發(fā)揮其抗拉強度高，而混凝土發(fā)揮其抗壓強度高的優(yōu)勢，兩者各施所長，不僅提高了混凝土的抗拉、抗折、抗剪強度，而且由于它的阻裂性能使原來本質(zhì)上是脆性材料的混凝土呈現(xiàn)出很高的抗裂性、延性和韌性。</p><p>　　1910年美國的H. F. P

5、orte曾發(fā)表了有關(guān)以短纖維增強混凝土的研究報告，建議把短纖維均勻分散在混凝土中用以強化基體材料。1911年美國的Graham曾把鋼纖維摻入普通鋼筋混凝土中得到了可以提高混凝土強度和穩(wěn)定性的結(jié)論。此后，直到1940年，美、英、法、原聯(lián)邦德國等國家先后公布了許多關(guān)于鋼纖維混凝土方面的專利，僅就國外文獻(xiàn)而言，在我國較有影響的就有英國學(xué)者D. J. Hannant、美國籍學(xué)者P. N. Balaguru和S. P. Shah等人的專著，有的還

6、被譯為中文。摻加鋼纖維來提高混凝土的耐磨性和抗裂性、鋼纖維混凝土制造工藝、改進鋼纖維形狀以提高纖維與混凝土基體的粘結(jié)強度等。日本在第二次世界大戰(zhàn)期間，由于軍事上的需要，也曾進行過有關(guān)鋼纖維混凝土方面的研究，但當(dāng)時均未達(dá)到實用化的程度。</p><p>　　20世紀(jì)70年代，美國Battele公司研制出一種劃時代的鋼纖維制作方法，即熔融拔出法（Melt-Extraction），制造出廉價鋼纖維，鋼纖維混凝土的實用化

7、才從根本上取得了進展，1966年美國混凝土協(xié)會成立纖維混凝土委員會(ACI544委員會)。1973年，在加拿大渥太華，由美國ACI544委員會舉辦了第一次纖維混凝土的國際會議，而后于1975年、1978年在倫敦又相繼召開了纖維混凝土的國際性學(xué)術(shù)討論會。此后20多年，鋼纖維混凝土在發(fā)達(dá)國家和發(fā)展中國家的開發(fā)研究受到普遍重視，尤以日本、美國、英國進展最快。</p><p>　　近年來科研工作者對纖維混凝土的研究有了更

8、新的進展，1993年中國工程建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)化協(xié)會批準(zhǔn)實施《纖維混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計與施工規(guī)范》，規(guī)范的頒布極大地推動了纖維混凝土在各種工程以及建筑制品等領(lǐng)域的推廣應(yīng)用。近年來，國內(nèi)一些大的機場跑道陸續(xù)采用鋼纖維混凝土做路面，使用壽命可提高到30年以上，取得了良好的效果。</p><p>　　3.2房屋建筑框架結(jié)構(gòu)抗震性能對梁柱強度的要求</p><p>　　從地震災(zāi)區(qū)框架結(jié)構(gòu)震害來看，較多數(shù)的現(xiàn)行建筑

9、物未達(dá)到強柱弱梁、強剪弱彎、強節(jié)點弱構(gòu)件這一目標(biāo)，其重點是柱和節(jié)點破壞，梁出現(xiàn)塑性鉸的情況較少，在框架梁 柱節(jié)點區(qū)的澆筑施工中，易將箍筋下移，引起節(jié)點區(qū)箍筋不足處理措施。</p><p>　　彎矩要求：框架結(jié)構(gòu)的變形能力與框架的破壞機制密切相關(guān)，實驗研究表明，梁先屈服，可使整個框架有較大的內(nèi)力重分布和能量耗散能力，柱一般在軸向壓力作用下，其延性通常比梁的要小，如果不采取“強柱弱梁”措施，柱端很可能比梁端先出現(xiàn)塑性

10、鉸。因此適當(dāng)調(diào)整柱計算內(nèi)力并增大配筋，使塑性鉸首先出現(xiàn)在梁端，抗震性能較好。</p><p>　　剪力要求：由于抗震規(guī)范規(guī)定的柱端彎矩增大措施只能適度推遲柱端塑性鉸的出現(xiàn)，而不能避免出現(xiàn)柱端塑性鉸，因此對柱端也應(yīng)提出“強剪弱彎”要求，避免柱底部在彎曲破壞之前出現(xiàn)剪切破壞。</p><p>　　柱的延性要求：控制柱的軸壓比，軸壓比越大導(dǎo)致柱的抗壓強度儲備越低，在地震時混凝土容易壓碎而導(dǎo)致柱的

11、破壞，限制柱軸壓比可提高柱的延性。</p><p>　　梁端剪力設(shè)計值要求：在框架結(jié)構(gòu)設(shè)計中，應(yīng)力求做到在地震作用下的框架呈現(xiàn)梁鉸型延性機構(gòu)，為減少梁端塑性鉸區(qū)發(fā)生脆性剪切破壞的可能性，對梁端的剪力適當(dāng)調(diào)整，使斜截面受剪承載力高于正截面受彎承載力，做到“強剪弱彎”。</p><p>　　3.3鋼纖維增強混凝土強度機理</p><p>　　在鋼纖維混凝土中，纖維的主要

12、作用是限制在外力作用下混凝土基體中裂縫的擴展。在受荷（拉、彎）初期，混凝土基體與纖維共同承受外力，前者是外力的主要承受者；當(dāng)基體開裂后，橫跨裂縫的纖維成為外力的主要承受者。若纖維體積率超過某一臨界值，整個復(fù)合材料可繼續(xù)承受較高的荷載，并產(chǎn)生較大的變形，直至纖維被拉斷或纖維從基體中被拔出，以致復(fù)合材料破壞。因此，與普通混凝土相比，鋼纖維混凝土具有較高的抗拉和抗彎極限強度，而尤以韌性提高的幅度為大。根據(jù)國內(nèi)外研究表明纖維增強混凝土機理主要為

13、以下兩方面：</p><p>　　（1）復(fù)合材料機理：該機理將鋼纖維作為增強材料，應(yīng)用復(fù)合材料混合法則推導(dǎo)纖維混凝土的應(yīng)力、彈性模量，并考慮纖維混凝土的力學(xué)性能與纖維的摻量、纖維取向、長徑比和纖維與基體粘結(jié)力之間的關(guān)系。</p><p>　?。?）纖維距機理：該機理是由美國學(xué)者J.P.Romualdi提出，它根據(jù)斷裂力學(xué)說明纖維對于混凝土裂縫的約束作用，該理論認(rèn)為混凝土內(nèi)部的缺陷是天生的，

14、要想提高這種材料的抗拉強度，必盡量減少混凝土內(nèi)部的缺陷，提高混凝土的韌性，降低內(nèi)部裂縫尖端的應(yīng)力場強度因子。</p><p>　　纖維分布和取向?qū)炷列阅艿挠绊懸彩呛苤匾?。若能使纖維分布在受拉區(qū)并按受拉方向定向排列，則增強效果將大大加強。目前在增強理論取得進展的同時，大量生產(chǎn)鋼纖維的工藝問題也解決了，使得鋼纖維混凝土源源不斷應(yīng)用于工程建設(shè)之中。</p><p>　　3.4本實驗的實驗原

15、理及特點</p><p>　　本實驗采用長徑比為55的異型剪切型鋼纖維，高強度水泥作為基質(zhì)水泥，控制鋼纖維的摻量制作多組試件，進行標(biāo)準(zhǔn)的抗壓、抗彎拉、斷裂能測試實驗。另外，由于抗震要求梁柱節(jié)點的強度較高，所以單獨對梁柱強度進行實驗并不能完全得出哪種摻量的抗震效果最好，所以本實驗設(shè)計了一個三維梁柱節(jié)點，以抗壓強度作為強度的標(biāo)示值，分別對該試件不同角度進行抗壓實驗，以表征真實地震中，地震能量對梁柱節(jié)點不同方向的擠壓，

16、進而得出模擬效果更好的實驗值。以實驗結(jié)果為依據(jù)，綜合評定鋼纖維混凝土對提高房屋建筑框架結(jié)構(gòu)抗震性能的影響，并探尋鋼纖維的不同摻量對提高房屋建筑框架結(jié)構(gòu)抗震性能的影響規(guī)律，從而為選擇最佳鋼纖維摻量提供依據(jù)。</p><p><b>　　實驗設(shè)計依據(jù)</b></p><p>　　1、JGJ 55-2000《普通混凝土配合比設(shè)計規(guī)程》 </p>&l

17、t;p>　　2、GBJ107-87《混凝土強度評定標(biāo)準(zhǔn)》 </p><p>　　3、GB50119-2003《混凝土外加劑應(yīng)用技術(shù)規(guī)程》</p><p>　　4、GB/T 14684-2001《建筑用砂》</p><p>　　5、GB/T14685-2001《建筑用卵石、碎石》</p><p>　　6、GB175

18、-2007《通用硅酸鹽水泥》</p><p>　　7、CECS 38-2004《纖維混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》</p><p>　　8、CECS 38-92《鋼纖維混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計與施工規(guī)程》</p><p><b>　　實驗原材料選擇</b></p><p><b>　　5.1鋼纖維的選擇</b><

19、/p><p>　　從理論上分析混凝土中的受力情況，纖維所受的應(yīng)力與纖維長徑比、水泥漿與纖維界面粘結(jié)強度成正比，即要提高纖維在混凝土中的增強效果，一是提高鋼纖維的長徑比；二是提高鋼纖維與基體之間的粘結(jié)強度。但是長徑比過大，將影響纖維混凝土的性能，混凝土和易性降低，還會產(chǎn)生纖維結(jié)球等現(xiàn)象，破壞混合料的均勻性，從而影響混凝土性能的改善，所以提高界面的粘結(jié)性能是提高鋼纖維增強效果和保證其施工性能的較佳途徑。就鋼纖維本身而言，

20、則取決于它的形狀及表面情況。本實驗采用異型剪切型鋼纖維，具體參數(shù)如下：</p><p><b>　　鋼纖維參數(shù)表</b></p><p><b>　　5.2水泥的選擇</b></p><p>　　水泥采用重慶拉法基水泥有限責(zé)任公司生產(chǎn)的P.052.5R普通硅酸鹽水泥，可以配置C50高強混凝土作為鋼纖維混凝土的基材。具體性能

21、指標(biāo)如下： </p><p><b>　　水泥的具體參數(shù)表</b></p><p><b>　　5.3集料的選擇</b></p><p>　　細(xì)集料砂采用重慶永川德源砂廠生產(chǎn)的中粗砂，含水量為5﹪，中粗砂有利于提高混凝土和易

22、性及強度并且節(jié)約水泥。具體指標(biāo)如下：</p><p>　　細(xì)集料具體參數(shù)指標(biāo)表</p><p>　　粗集料選用重慶市涪陵區(qū)烏江碎石廠生產(chǎn)的人工碎石，最大公稱粒徑為26.5mm，Ⅱ級級配，表觀密度為2770kg/m3，含水率為1﹪，細(xì)檔（4.75～16mm），粗檔（16～26.5mm）。試驗搭配分析研究，具體結(jié)果見下表：</p><p>　　粗集料具體參數(shù)指標(biāo)表<

23、;/p><p><b>　　5.4外加劑的選擇</b></p><p>　　選用重慶市渝北區(qū)八達(dá)混凝土外加劑廠生產(chǎn)的JD-B型高效減水劑，摻量為0.8%并與水泥進行了凈漿流動度試驗，能減少拌合水用量，提高混凝土強度。結(jié)果見下表：</p><p><b>　　外加劑參數(shù)表</b></p><p><

24、b>　　5.5水的選擇</b></p><p>　　可飲用水：ρw=1000 kg/m3</p><p><b>　　配合比設(shè)計</b></p><p>　　6.1配合比設(shè)計原則</p><p>　　鋼纖維混凝土配合比設(shè)計，按普通混凝土標(biāo)準(zhǔn)方法進行，出了滿足設(shè)計要求的抗壓強度、抗剪強度、彎拉強度外，還要

25、滿足本實驗對混凝土的延性和抗疲勞性能的特殊要求。</p><p>　　6.2配合比設(shè)計的主要指標(biāo)</p><p>　　鋼纖維混凝土配合比設(shè)計主要控制指標(biāo)：最大水灰比不超過0.45，砂率控制在30%-40%，水泥用量為400-500 kg/ m3，坍落度控制在4-7cm。</p><p>　　6.3本實驗選用的鋼纖維混凝土配合比</p><p>

26、;　　根據(jù)鋼纖維混凝土的施工特點，最終選用配合比見下表：</p><p>　　鋼纖維混凝土配合比 kg/ m3</p><p>　　注：水灰比為0.40；砂率為34%</p><p><b>　　6.4鋼纖維摻量</b></p><p>　　鋼纖維摻量等級設(shè)為：0、10、20、30、40、5

27、0、60（kg/ m3）。</p><p>　　實驗步驟及預(yù)測實驗效果分析</p><p><b>　　7.1制作實驗試件</b></p><p>　　按照混凝土配合比以及鋼纖維摻量等級，分別制備試驗試件：</p><p>　　抗壓試件尺寸為150mm×150mm×150mm，齡期分別為7d、28d；

28、</p><p>　　抗彎拉試件尺寸為100mm×100mm×400mm，齡期分別為7d、28d；</p><p>　　斷裂能測試實驗試件尺寸為100mm×100mm×400mm，支距為300mm，預(yù)制裂縫深度為40mm，齡期為28d；</p><p>　　框架梁柱組合件尺寸：截面為100mm×100mm，三條棱等長

29、均為300mm，互為直角關(guān)系，一共制備三組試件，養(yǎng)護齡期為7d、28d，具體形狀如圖：</p><p><b>　　7.2抗壓強度實驗</b></p><p>　　按照試驗規(guī)范，對抗壓試件進行標(biāo)準(zhǔn)軸心抗壓實驗，在下表中記錄：</p><p>　　抗壓強度實驗數(shù)據(jù)記錄表</p><p>　　預(yù)測實驗結(jié)果：同設(shè)計標(biāo)號的剪切型

30、鋼纖維混凝土的抗壓強度的早期抗壓強度比普通混凝土略有提高，但不隨鋼纖維的摻量變化而成線性變化，應(yīng)用在房屋梁柱結(jié)構(gòu)中，幾乎可以不考慮抗壓強度的增量。</p><p>　　7.3抗彎拉強度實驗</p><p>　　按照試驗規(guī)范，對抗拉試件進行標(biāo)準(zhǔn)三分點雙點加荷抗彎拉實驗，在下表中記錄：</p><p>　　抗彎拉強度實驗數(shù)據(jù)記錄表</p><p>

31、;　　預(yù)測實驗結(jié)果：在鋼纖維一定的摻量范圍內(nèi)，剪切型鋼纖維混凝土的抗彎拉強度比普通混凝土提高了40%左右，且與鋼纖維的摻量成正比，應(yīng)用在房屋建筑的梁結(jié)構(gòu)中，能增強梁的抗彎拉能力，即在相同抗彎拉要求的前提下，減小梁的體積，即結(jié)構(gòu)物的自重減小，但是不影響強度要求，對節(jié)約建筑材料、建設(shè)高強度防震建筑有實際應(yīng)用價值。</p><p>　　7.4斷裂能測試實驗 </p><p>　　對斷裂能測試試件

32、進行測試，分別測試最大裂口為1.0mm和2.0mm時的斷裂能，并在下表中記錄：</p><p>　　斷裂能實驗數(shù)據(jù)記錄表</p><p>　　實驗結(jié)果預(yù)測：在混凝土中增加鋼纖維摻量，會顯著地提高混凝土的斷裂能，說明鋼纖維混凝土有非常明顯的阻裂作用，但當(dāng)試件開裂較小時，鋼纖維混凝土不能增加斷裂能的數(shù)值，只有當(dāng)試件開裂較大的時候，在混凝土中摻加鋼纖維才能有效地增加斷裂能大的值，這也說明鋼纖維對

33、混凝土的起裂限制作用不明顯。</p><p>　　7.5框架梁柱組合件模擬實驗</p><p>　　對于第一組試件，在測試抗壓強度的壓力機上，由兩條棱邊分別接觸壓力機的上下加載面，第三條棱邊水平懸空放置，兩條棱邊與壓力機上下加載面的夾角大致相等，開動壓力機，并測試組合件兩條棱的抗壓強度，記錄數(shù)據(jù)于表中：</p><p>　　框架梁柱組合件模擬實驗數(shù)據(jù)記錄表1<

34、/p><p>　　對于第二組試件，在測試抗壓強度的壓力機上，由兩條棱邊接觸下加載面，第三條棱邊水平懸空放置，第三條的棱邊節(jié)點處接觸壓力機的上加載面，開動壓力機，并測試組合件兩條棱的抗壓強度，記錄數(shù)據(jù)于表中：</p><p>　　框架梁柱組合件模擬實驗數(shù)據(jù)記錄表2</p><p>　　對于第三組試件，在測試抗壓強度的壓力機上，由三條棱邊同時接觸壓力機的下加載面，頂角接觸壓

35、力機的上加載面，開動壓力機，測試組合件三條棱的抗壓強度，并記錄于表中：</p><p>　　框架梁柱組合件模擬實驗數(shù)據(jù)記錄表3</p><p>　　實驗結(jié)果預(yù)測：對于三組試件，基本規(guī)律相同，隨著鋼纖維摻量的增大，棱的抗壓強度呈增大趨勢，即鋼纖維對節(jié)點的受變形力后有阻裂的功能。在鋼纖維摻量不大的情況下，抗壓強度增幅較大，在鋼纖維摻量的一定范圍內(nèi)，抗壓強度與鋼纖維摻量呈線性關(guān)系，當(dāng)超過這一范圍

36、后，抗壓強度的增大量趨于平緩。并且隨著齡期的增大，棱的抗壓強度均增大。</p><p>　　此實驗主要模擬實際房屋建筑的框架結(jié)構(gòu)梁柱節(jié)點在地震中的抗變形強度，由于地震有橫、豎波的區(qū)分，對框架梁柱節(jié)點的三條棱邊的擠壓變形也是不同的，既有兩條邊主要受力的情況，也有三條邊夾角均擴大的情況，既有節(jié)點兩條棱擴張夾角的趨勢，也有受壓縮力的可能。模擬框架結(jié)構(gòu)梁柱節(jié)點的抗變形強度實驗，鋼纖維的摻入量增大，對房屋建筑的抗震性能有積

37、極影響，可以阻止梁柱節(jié)點的開裂，增強混凝土在節(jié)點處的韌性。</p><p><b>　　實驗結(jié)論</b></p><p>　　鋼纖維混凝土立方體抗壓強度、抗彎拉強度均隨著鋼纖維在一定范圍內(nèi)的摻量的增加而增大；</p><p>　　鋼纖維能有效的增加混凝土大的斷裂能，但是對混凝土起裂的限制作用不明顯。因為斷裂能的顯著增加，表明鋼纖維對混凝土有阻裂

38、作用，進而說明摻加鋼纖維有利于改善混凝土的脆性。</p><p>　　鋼纖維混凝土結(jié)構(gòu)的梁柱節(jié)點受力時，可有效增大混凝土的抗變形能力，抑制裂縫的產(chǎn)生和發(fā)展，使節(jié)點破壞形態(tài)得到改善，能夠較大限度的保持構(gòu)件的完整性。</p><p>　　鋼纖維混凝土能較為明顯的提高混凝土的抗變形強度，應(yīng)用于房屋建筑的框架結(jié)構(gòu)中，有利于提高梁柱的強度，并且對于加強梁柱節(jié)點的抗變形能力有明顯益處，在房屋建筑的框架

39、結(jié)構(gòu)中使用鋼纖維混凝土，對房屋的抗震等級的提高將有顯著貢獻(xiàn)。</p><p><b>　　引用文獻(xiàn)</b></p><p>　　呂西林，郭子雄，王亞勇，RC框架梁柱組合件抗震性能試驗研究，建筑結(jié)構(gòu)學(xué)報，2001.2:22-1</p><p>　　楊勇，任青文，鋼纖維混凝土力學(xué)性能試驗研究，河海大學(xué)學(xué)報，2006.1：34-1</p>

40、<p>　　馬朝慶，鋼纖維混凝土的配合比設(shè)計及性能分析，中外公路，2004.8:24-4</p><p>　　錢在茲，錢健，季韜，鋼纖維混凝土在抗震結(jié)構(gòu)中應(yīng)用的試驗研究，浙江工程學(xué)院學(xué)報，2002.3:19-1</p><p>　　王萱，趙星明，王建君，鋼纖維混凝土在房屋建筑工程中的應(yīng)用，山東農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報，2006.37（2）：255～258</p><p