超大型工程混凝土结构与材料性能的设计及其施工关键技术.pdf
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1、超大型工程混凝土结构与材料性能的 设计及其施工关键技术 Co n c r e t e S t r u c t u r e a n d M a t e ria l Pe r f o r ma n c e De s i g n a n d i t s Ke y Co n s t r u c t u r e T e c h n o l o g y f o r Me g a E n g i n e e ri n g P r o j e c t 一一 一 一 一 一 龚 剑 朱毅敏 z 薛伟辰 s 张 雄 s 袁勇 s 肖建庄 。 1 上海建工集团股份有限公司 2 0 0 0 8 0 ; 2上海市第一建
2、筑有限公司2 0 0 1 2 0 ; 3 同济大学2 0 0 0 9 0 摘 要 : 为满足超大型工程建设对混凝土技术创新 的需求 ,从超大型工程的混凝土材料性能设计 、混凝土结构性能设计 、 混凝土结构施工等方面进行了系统 的研究 ,取得了一批具有 自主知识产权的混凝土技术创新成果 ,推动 了我国? 昆 凝土技 术的进步,提升 了我国混凝土科学技术的国际地位。 关键词: 超大型混凝土工程 材料性能 结榭 眭能 施工技术 中图分类号: T U 7 5 5 文献标识码 B 【 文章编号】 1 0 0 4 1 0 0 1 ( 2 0 1 2 ) o 1 0 0 0 1 0 4 O 引言 1 超大型
3、混凝土工程材料性能设计关键技术 随着我 国经 济的快速发展和城市建设规模 的不断扩 大 , 超大型混凝土工程越来越多。 这些超大型工程对混凝土 技术的要求越来越高 ,既有的混凝土技术已难 以满足工程 建造要求 , 需要采用与之相适应的现代混凝土技术。 在混凝土材料制备方面 , 超大型工程对混凝土材料性 能要求较高 , 如基础大体积混凝土要求具有低水化热、 低收 缩性能, 密集配筋墙板结构要求具有低收缩自密实性能, 以 及混凝土的高强性能等。 为了满足工程对材料的性能要求, 现代混凝土的组分发生了较大变化 ,胶凝材料除水泥外需 掺入功能型矿物掺合料,外加剂需采用新一代高效聚羧酸 系外加剂 , 甚
4、至对混凝土进行改 性。因此 , 对现代混凝土的 制备需要采用创新的技术。 在混凝土结构设计方面 , 超大型混凝土对结构的性能 , 如结构抗震性能、抗火性能 以及结构长期性能 , 均要求较 高。 它与传统普通混凝土结构性能不同, 普通混凝土结构性 能还不能反映高性能混凝土结构特性 ,需要对现代高性能 混凝土结构特性进行系统研究。 在混凝土结构施工方面 ,超大型混凝土工程对结构施 工技术提 出了挑战 ,要求具有 C 8 0 C I O 0高强混凝土的规 模化 制备 、 超大体积混凝土施工 、 超高混凝土泵送 , 以及要 求能够进行混凝土结构施工期性能演化控制等 ,这些都需 要采用创新的施工技术来满
5、足超大型混凝土工程的需求 。 作者简介: 龚 剑( 1 9 6 0 一 ) , 男, 博士, 教授级高级工程师 , 集团总工程师。 作者地址: 上海市东大名路 6 6 6 号( 2 0 0 0 8 0 ) 。 收 稿 日期 : 2 0 1 2 0 1 0 9 1 。 1现代高性能混凝复合胶凝材料理论 本研究运用聚类方法 ,系统研究 了现代高性能混凝土 复合胶凝材料的水泥、 矿物掺和料的诱导激活效应 、 微集料 效应和微晶核效应 ,建立了可量化分析复合胶凝效应的特 征方程 , 为现代高性能混凝土的性能设计提供了理论基础。 ( 1 ) 以复合胶凝材料理论为基础, 研究了采用聚羧酸 系外3 n ,l
6、 的低水胶 比、 低水泥用量混凝土配制技术, 开发 出 适用于超大体积混凝土结构的低水化热低收缩混凝土。其 绝热温升在同条件下 比相同强度等级混凝土要低 1 4 c 1: 以 上 , 体现了现代混凝土技术领先水平 , 为超大体积混凝土温 度裂缝控制提供 了新的技术。 ( 2 )以复合胶凝材料理论为基础, 开发出低收缩自密 实混凝土。混凝土 1 8 0 d 收缩小于 3 0 0 x i 0 ,较普通混凝 土收缩降低 3 0 以上。 ( 3 )以复合胶凝材料理论为基础 ,开发 出 C 8 0 C I O 0 高 强高 性 能混 凝土 。C 8 0混 凝土 弹性 模 量 大于 4 3 7 1 0 4
7、 M P a , 较 混凝土结构设计规范 的规定提高 1 3 名 以上。 ( 4 )以复合胶凝材料效应理论 为基础 , 围绕超高层泵 送混凝土均质 性控制的核心问题 ,研究了泵送混凝土在输 送管内的流动特性。 同时基于剩余砂浆理论 , 提出了剩余浆 体控制润滑层厚度的方法,明确了混凝土可泵性量化指标 控制范围 , 提出了超高泵送混凝土均质性控制方法 , 解决 了 大流动性与抗离析稳定性之间的矛盾 ,攻克 了高性能混凝 土超高泵程泵送性能控制的难题。 2 2 现代高性 能混凝土材料抗火性能 ( 1 ) 进行 了 1 2 7 块 1 0 0 m m x 1 0 0 m m x 5 1 5 m m混
8、凝土 建 筑 施 工第 3 4 卷第1 期l 0 1 棱柱体试块在 2 O c C 9 0 0 o c 条件下的高温试验和高温后 的弯折试验 。主要 以 C 4 0 普通混凝土作为参 照 ,考察 了 C 5 0 、 C 8 0和 C 1 0 0 高性 能混凝土棱柱体试块在火灾 中的特 点 , 同时通过对强度等级、 外掺聚丙烯纤维和外掺矿 渣与硅 灰等因素的对 比, 分析 了高性能混凝土高温后残余抗折强 度与经历温度之间的相互关系,以此提 出了高性能混凝土 高温后残余抗折强度与经历温度间的工程设计计算公式。 ( 2 ) 进行了 7 9 块掺有聚丙烯纤维的 C 5 0 、 C 8 0 和 C 1
9、0 0 高性能混凝土立方体试块抗火试验 。研 究表明 :在经历 了 2 O c c 9 0 0 c c 的试验后 , 外掺聚丙烯纤维高性能混凝土可 以有效抗御高温爆裂。 试验分别针对试块尺寸、 强度等级和 经历温度等因素,研究 了聚丙烯纤维高性能混凝土的高温 力学性能 , 通过统计回归分析 , 得出了可供工程设计采 用的 设计 曲线。 ( 3 )以 C 5 0 矿渣高 性能混凝土为研究对象 , 系统进行 了受高温后高性能混凝土抗压试验研究 ,得出了高性能混 凝土在经历不 同温度( 2 0 o c 8 0 0 o c ) 后的应力 一应变全 曲 线 , 建立 了相应的本构关系。通过对 比分析 ,
10、 揭示了高性能 混凝土在高温后强度 、 变形、 模量以及泊松比随受温高低的 变化规律 , 提出了相关的数学表达式。 2 超大型混凝土结构性能设计关键技术 2 1 现代高性能混凝土结构抗震性能 基于大尺度结构模型试验 ,全面地研究 了现代高性能 混凝土梁 、 框架与剪力墙在低周期反复荷载下的抗震性能, 建立 了高性能混凝土梁、 框架与剪力墙的恢复力模型。 开发 了高性能混凝土结构 的滞回分析软件 ,实现 了高性能混凝 土梁、 框架与剪力墙 的抗震滞回全过程分析。 在试验与理论 研究的基础上 ,研究了提高结构延性 与变形能 力的技术措 施 ,在此基础上系统地提出了高性能混凝土结构基于性能 的抗震设
11、计方法与建议。 ( 1 )完成 了 l 1 根高性能混凝土梁( 包括 5 根 非预应力 混凝土梁 ) 、 3 根 中等预应力度( P P R O 7 5 ) 混凝土梁 , 以及 2 根高预应 力度( P P R O 7 5 ) 混凝土梁 的低周期反复荷载试 验 , 对其受力过程、 破坏形态、 滞回曲线、 骨架 曲线 、 恢复力 模型、 变形恢复能 力、 延性、 刚度退化、 耗能能力等抗震性能 进行了较深入的研究与分析。 研究表明 : 与普通混凝土梁相 比, 高性能混凝土梁具有更好 的抗震性能 , 中等预应力度与 高预应 力度 的高性能混凝土梁也具有较好 的抗震性能。在 试验的基础上 , 提 出
12、了高性能混凝土梁的弯矩 一曲率恢复 力模型,为高性能混凝土框架的非线性滞回分析提供了基 础数据。 ( 2 ) 完成 了 2 榀双层双跨高性能混凝 土框架和 1 榀 4 层双跨高性能混凝土框架 的水平低周期反复荷载试验 , 对 预应 力与非预应力高性能混凝土框架的破坏形态、破坏机 0 22 o 1 2 1 B 1m 抽g o 呻 I t | 嫩 吼 制 、 滞回曲线 、 骨架曲线 、 恢复力模型 、 变形恢复能力、 位移 延性、 刚度退化、 耗能能力等性能进行 了较系统 的研究 , 证 明了非预应 力高性能混凝土框架和 中等预应力度 的高性能 混凝土框架均具有 良好的抗震性能。研究成果为高性能混
13、 凝土框架结构的抗震设计提供 了重要基础。 ( 3 ) 基于非线性有限元原理 , 编制了高性 能混凝 土梁 基于本构关系的滞回全过程分析程序。程序设计 中考虑了 材料非线性、 几何非线性 、 预应力作用 、 混凝土裂面效应、 轴 力二次矩、 材料双切线模量场等 因素 的影响, 并考 虑了高性 能混凝土的特点 , 程序计算值与试验结果符合 良好。 在此基 础上 ,编制了高性能混凝土框架基于恢复力模型的滞回全 过程分析程序 , 并对该程序进行 了试验验证。 通过对不同参 数的多榀框架结构抗震性能进行模拟计算 ,进一步证明了 高性能混凝土框架结构 的良好抗震性能 ,为在地 震区设计 高性能混凝土结构
14、提供了技术依据。 ( 4 )在研究进程 中, 发展了一种两层半子结构框架试 验方法, 有效地解决 了传统实验技术 的难题 ; 具有创新性地 开展 了高预应 力度( P P R 0 7 5 )高性能混凝土梁抗震性能 的试验研究 ,提出了预应 力与非预应 力高性能混凝土梁的 弯矩 一曲率恢复 力模型 : 在国 内外率先进行 了高性能混凝 土异型柱框架试验研究、预应力高性能混凝土框架抗震性 能的试验研究、 高性能混凝土双连梁短肢剪力墙试验研究 ; 提 出了高性能混凝土框架基于层间位移 角、残余层间位移 角、 刚度退化和破损度的抗震性能设计建议 。 2 2 现代高性能混凝土结构抗火性能 针对现代高性能
15、混凝土构件 以及高性能混凝土结构 的 抗火性能 , 完成了试验研究和理论对比分析工作 , 为高性 能 混凝土结构的抗火设计技术提供了基础。 ( 1 ) 在国内外首次开展了高性能混凝土深梁高温后抗 剪性能实验研 究,如 6 0 0 c C 和 8 0 0 c C 高温下 的火灾试验 。 进行了普通混凝土和高性能混凝土深梁的火灾反应对比分 析。 对高温后的深梁进行 了抗剪性能试验 , 在与常温下深梁 受力性能对比分析的基础上,完成 了高温后深梁 的变形与 抗剪性能研究。提出了高性能混凝土深梁火灾后抗剪强度 计算公式的新建议。 ( 2 ) 进行 了高性能混凝土框架结构的火灾反 和抗火 性能研究。 通
16、过实验研究与理论分析 , 揭示 了混凝土强度等 级 、外掺聚丙稀纤维对高性能混凝土框架结构火灾反应和 抗火性能的影响。研究表明 : 在 8 0 0 c c 左右火灾作用下 , 矿 渣高性能混凝土框架结构具有良好的抗火性 能,提高高性 能混凝土的强度等级有益于结构火灾破坏前承受变形的能 力;由火灾弓 l 起的构件轴 向变形和 内力重分布将导致梁柱 节点的提前破坏 : 作为超静定结构 , 框架梁柱在火灾中的刚 度退化情形不一致 , 对整体结构的抗火性能明显不利 i 聚丙 稀纤维的掺加可以提高降温时结构的变形恢复能力。 ( 3 ) 对火灾后和 未受火的高性能混凝土单层单跨框架 进行 了低 周期反复加
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