（材料学专业论文）高强轻集料混凝土构件优化设计与性能研究.pdf

武汉理工大学博士学位论文 摘要 结构轻集料混凝土具有轻质、抗震性好、耐久性高的特点，特别适用于高 层建筑、桥梁等大跨度结构工程，以及地质条件复杂和对材料耐久性有特殊要求 的重点工程建设，并对各种工程具有广泛意义，其应用前景非常广阔。本论文在 对高强轻集料混凝土制备技术与基本材性的研究基础之上，采用试验、有限元模 拟与工程应用相结合的研究方法对钢筋及预应力高强轻集料混凝土构件性能进 行了深入、系统的研究，揭示了材料与构件之间的相关性，提出轻集料混凝土构 件优化设计方法。研究成果为修订轻集料混凝土结构设计规范与编制轻集 料混凝土桥梁设计规范提供了重要的参考，对于促进该类材料广泛用于桥梁结 构意义重大。 本文进行的主要工作和取得的重要成果有： 探明了影响高强轻集料混凝土物理力学性能的主要因素，确定了制备 l c 4 0 - l c 6 0 高强轻集料混凝土的关键技术参数，利用8 0 0 级高强轻集料与4 2 5 级普通硅酸盐水泥为主要原料制备出具有高工作性能、高性价比的l c 4 0 l c 6 0 轻集料混凝土；回归出l c 4 0 l c 6 0 高强轻集料混凝土应力一应变关系数学表达 式，为结构设计与有限元分析奠定了理论基础。 系统研究了l c 4 0 l c 6 0 钢筋轻集料混凝土抗弯构件的性能，研究了钢筋轻 集料混凝土构件的正截面承载力、延性、开裂荷载以及破坏特征，验证了普通混 凝土结构设计规范公式对于高强轻集料混凝土的适用性，修正了矩形截面梁开裂 弯矩计算公式。 结合依托工程，设计制作一片2 0 m 预应力高强轻集料混凝土实体梁，研究 了预应力构件的荷载、挠度、混凝土变形之间关系；利用a n s y s 有限元分析软 件与计算机技术，建立了有效、适用的预应力轻质混凝土结构有限元模型；利用 该模型模拟研究了构件在预应力和荷载作用下的力学行为，以及端部锚固区混凝 土应力分布特征，探明了预应力构件端部锚固区混凝土开裂的原因，提出了能够 有效解决预应力轻集料混凝土构件端部开裂问题的结构梯度设计方法，确定了构 件端部结构与材料最优参数。 深入研究了预应力轻集料混凝土构件的长期徐变效应。探明了l c 4 0 轻集料 混凝土的徐变特性，回归出1 4 d 龄期预应力张拉的轻集料混凝土徐变系数公式， 推导出有限元分析蠕变准则系数c 。值的计算式，为利用有限元模型分析构件的 长期徐变效应奠定了基础；模拟研究了构件分别在裸梁状态与使用荷载作用状态 下的预应力损失及挠度变化规律，比较了轻集料混凝土与普通混凝土构件长期徐 变效应。 武汉理工大学博士学位论文 系统研究了轻集料混凝土浇注、振捣、养护等施工工艺，预应力张拉工艺与 控制方法等轻集料混凝土桥梁工程应用的关键技术，研究结果为轻集料混凝土广 泛用于桥梁结构提供了重要参考。研制开发出的l c 4 0 高强轻集料混凝土在国家 重点工程一孝襄高速公路团山河大桥主体结构和桥面铺装工程得到成功应用，首 次在轻集料混凝土桥梁应用了梯度结构设计方法，解决了轻集料混凝土构件端部 在预应力张拉过程易开裂、预应力损失大等等应用技术难题，工程应用取得了显 著的社会、经济效益。本研究成果还将应用于沪蓉西高速公路后河大桥等其他重 大工程。 【关键词l 轻集料混凝土：钢筋混凝土构件；预应力混凝土构件：本构关系 有限元分析；徐变效应 i i 茎坚望三奎堂壁主堂堡丝苎 a b s t r a c t l o wd e n s i t y , g o o dr e s i s t a n c et ov i b r a t i o na n dh i g hd u r a b i l i t y a r et h ec h a r a c t e r i s t i c so f s t r u c t u r a ll i g h t w e i g h ta g g r e g a t ec o n c r e t e s ( s l c ) w h i c ha r ee s p e c i a l l ys u i t a b l ef o rt h ec o n s t r u c t i o n o ft o n g s p a ns t r u c t u r a lp r o j e c t ss u c ha sh i 曲b u i l d i n g s ，b r i d g e sa n dk e yp r o j e e l sw i t hc o m p l i c a t e d g e o g r a p h yo ras p e c i a lc o m m a n df o rd u r a b i l i t y t h ep r i o r i t i e so fs l c a r es i g n i f i c a n tt od i f f e r e n t p r o j e c tc o n s t r u c t i o na n dw i l ls h o ww i d ep r o s p e r i t y b a s e do nt h er e s e a r c ho fp r e p a r e dt e c h n o l o g y a n dp r o p e r t i e so f m a t e r i a l s ，t h ep r o p e r t i e so fr e i n f o r c e da n dp r e - s t r e s s e dh i g hs t r e n g t hl i g h t w e i g h t a g g r e g a t ec o n c r e t ew a ss t u d i e dd e e p l ya n ds y s t e m a t i c a l l yw i t ht h em e t h o do fe x p e r i m e n t 、f i n i t e e l e m e n ts i m u l a t i n ga n dp r o j e c ta p p l i c a t i o n ，r e l a t i v i t yo fm a t e r i a la n dc o n c r e t em e m b e rw a s r e v e a l e d t h ed e s i g nm e t h o do fo p t i m i z i n gf o rl i g h t w e i g h ta g g r e g a t ec o n c r e t em e m b e rw a s p r o p o s e d r e s e a r c hr e s u l t sp r o v i d er e f e r e n c e sf o r 恤ea m e n d i n go fd e s i g nc r i t e r i o no fs t r u c t u r a l l i g h t w e i g h ta g g r e g a t ec o n c r e t ea n dt h ee d i t i o no fd e s i g nc r i t e r i o nf o rl i g h t w e i g h ta g g r e g a t e c o n c r e t eb r i d g e ，a n di so fs i g n i f i c a n ti m p o r t a n c ef o rt h ea p p l i c a t i o no ft h e s em a t e r i a l si nb r i d g e s t r u c t u r e t h em a i nr e s e a r c hw o r ka n dc o m p l i m e n t so f t h i sp a d e ra r ea sf o l l o w s ： m a i nf a c t o r si n f l u e n c i n gt h em e c h a n i cp r o p e r t i e so fh i g hs t r e n g t hl i g h t w e i g h ta g g r e g a t e c o n c r e t e ( h s l c ) w a sf o u n do u t k e yt e c h n i c a lp a r a m e t e r sf o rp r e p a r i n gh s l cw i t ht h es t r e n g t h r a n g eo fl c 4 0 - l c 6 0w e r ec o n f i r m e d l i g h t w e i g h ta g g r e g a t ec o n c r e t e so fl c 4 0 l c 6 0w i t hh i g h w o r k a b i l i t yw e r ep r e p a r e dw i t hr a wm a t e r i a l so fh i g hs t r e n g t hl i g h t w e i g h ta g g r e g a t eo fc l a s s8 0 0 a n d4 2 5 # p o r t l a n dc e m e n t f o r m u l ao fc o n s t i t u t i v er e l a t i o n sm o d e lo fh s l cw a sr e v i s e d ，w h i c h e s t a b l i s h e dt h e o r e t i cf o u n d a t i o nf o rs t r u c t u r a ld e s i g na n df i n i t ee l e m e n ta n a l y s i s p r o p e r t i e s o fr e i n f o r c e dj i g h t w e i g h ta g g r e g a t ec o n c r e t e ( r l c ) b e n d i n gm e m b e r sw i t h s t r e n g t hi nt h er a n g el c 4 0 l c 6 0w e r es y s t e m a t i c a l l ys t u d i e df o rt h ef i r s tt i m e b e a r i n gc a p a c i t y o fn o r m a lc r o s ss e c t i o n ，d u c t i l i t y , c r a c k i n gl o a da n df a i l u r ec h a r a c t e r i s t i c so fr l cw e r es t u d i e d t h es t u d yr e s u l ts u g g e s tt h a ti ti sa p p l i c a b l eo fs t r u c t u r a ld e s i g nc r i t e r i o nf o r m u l ao fc o m m o n c o n c r e t ef o rh s l ca n dt h e nc a l c u l a t ef o r m u l af o rc r a c kb e n d i n gm o m e n to fr e c t a n g l ec r o s s s e c t i o nw a sr e v i s e d w i t hs u p p o r t e dp r o j e c ta n do n ep i e c ep r e - s t r e s s e dh s l cg i r d e ro f2 0 ml o n g ，r e l a t i o n sa m o n g l o a d 、d e f l e c t i o nm a dd i s t o r t i o no f p r e - s t r e s s e dm e m b e r sw e r es t u d i e d ；a sar e s u l t ，ae f f e c t i v ea n d a p p l i c a b l ef i n i t ee l e m e n ta n a l y s i sm o d e lo fp r e s t r e s s e dn g b t w e i g h ta g g r e g a t ec o n c r e t e ( p l c ) w a s e s t a b l i s h e du s i n gc o m p u t e rt e c h n o l o g ya n da n s y sf i n i t ee l e m e n ts o f tw i t hu s i n go ft h em o d e l ， m e c h a n i cb e h a v i o ro fm e m b e r su n d e rt h ea c t i o no fp r e s t r e s sa n dl o a dw e r er e s e a r c h e d ，a n dt h e s t r e s sd i s t r i b u t i o n c h a r a c t e r i s t i c so fa n c h o r a g ez o n eo fc o n c r e t ee n dw a ss t u d i e dt h ec r a c k i n g c a u s a t i o no fa n c h o r a g ez o n eo fc o n c r m ee n dw a sf o u n do u t t h e n s t r u c t u r a lg r a d sd e s i g n i n g m e t h o df o re f f e c t i v e l yr e s o l v i n gt h ec r a c k i n go fa n c h o r a g ez o n eo fp l ce n dw a si n v e s t e d a sa r e s u l t ，o p t i m i z e dp a r a m e t e r sf o rm e m b e re n ds t r u c t u r ea n dm a t e r i a lw e r ec o n f i r m e d l o n g t e r mc r e e pe f f e c to f p l cm e m b e rw a ss t u d i e df o rt h ef i r s tt i m e c r e e pc h a r a c t e r i s t i c so f l i g h t w e i g h ta g g r e g m ec o n c r e t ew i t hs t r e n g t hc l a s s4 0w a sf o u n d e dn u t ，t h e nc r e e pc o e f f i c i e n t f o r m u l ao fl cu n d e rt e n d o np r e - s t r e s s1 4 da g ew a sr e g r e s s e da n dc a l c u l a t i n gf o r m u l af o rt h e v a l u eo f r u l i n gc o e f f i c i e n tc 1i nt h ef i n i t ee l e m e n ta n a l y s i sw a sd e d u c t e d ，w h i c he s t a b l i s h e db a s e s f o rt h ef i n i t ee l e m e n ta n a l y s i so fl o n g - t e r mc r e e pe f f e c to fm e m b e r s ；l a w so fp r e s t r e s sl o s sa n d d e f t e c t i o nc h a n g i n go fm e m b e r su n d e rt h es t a t eo fl o a da n du n l o a dw a ss t u d i e da n dc o m p a r e dl c 1 i i 武汉理工大学博士学位论文 t on o r m a lc o n c r e t eo nl o n g - t e r mc r e e pe f f e c t t h ek e yt e c h n o l o g i e ss u c ha s m i x i n g ，t r a n s p o r t a t i o n ，p u m p i n g ，c u r i n g f o r e n g i n e e r i n g a p p l i c a t i o no fl ca r ea n a l y z e ds y s t e m a t i c a l l y ar e s e a r c hr e s u l to f f e r si m p o r t a n tr e f e r e n c e sf o rt h e w i d ea p p l i c a t i o no fl ci nb r i d g es t r u c t u r e t h eh s l co fl c 4 0w a ss u c c e s s f u l l ya p p l i e di nm a i n b o d yo ft h ek e yp r o j e c t - - t u a n s h a nb r i d g ei nx i a o x i a n gh i g h w a yp r o j e c t i nt h ep r o j e c t ，g r a d s s t r u c t u r a ld e s i g nm e t h o dw a sf i r s t l ya p p l i e di nl cb r i d g e sw h i c hs u c c e s s f u l l ys o l v e dt h et e c h n i c a l p r o b l e m ss u c he a s i l yc r a c k i n g ，l a r g ep r e s t r e s sl o s sd u n n gt h et e n s i o n i n gi nl cm e m b e re n d p r o i e c ta p p l i c a t i o ns h o wr e m a r k a b l es o c i a la n de c o n o m i cb e n e f i t s t h ew h o l er e s e a r c h a c h i e v e m e n t sw i l lb ea p p l i e di no t h e ri m p o r t a n tp r o j e c ts u c ha sh o u h eb r i d g ei nh u - r o n g x i h i g h w a y k e yw o r d s ：h i g hs t r e n g t hl i g h t w e i g h ta g g r e g a t ec o n c r e t e ；r e i n f o r c e dl i g h t w e i g h ta g g r e g a t e c o n c r e t em e m b e r ；p r e - s t r e s s e dc o n c r e t em e m b e r ；c o n s t i t u t i v er e l a t i o n ；f i n i t ee l e m e n ta n a l y s i s ； c r e e pe f f e c t 武汉理工大学博士学位论文 第一章概述 1 1 结构轻集料混凝土 轻集料混凝土( l i g h t w e i g h t a g g r e g a t ec o n c r e t e ，简称l c ) 是指采用轻粗集 料、轻砂( 或普通砂) 、水泥和水配制而成的干表观密度不大于1 9 5 0 k g m 3 的混 凝土，其中由轻砂作细集料配置而成的轻集料混凝土为全轻混凝土，由普通砂或 部分轻砂做细集料配置而成的轻集料混凝土为砂轻混凝土【l “】。 轻集料混凝土按用途可分为三大类：保温轻集料混凝土，主要用于保温 的围护结构或热工构筑物；结构保温轻集料混凝土，主要用于既承重又保温的 围护结构；结构轻集料混凝土，主要用于承重构件或构筑物。显然，能应用于 结构构件设计的是结构轻集料混凝土。各国对结构轻集料混凝土的定义有所不 同，如美国混凝土协会规范( 一a2 1 3 8 7 ) 对结构轻集料混凝土的定义为：2 8 d 圆柱体抗压强度不小于1 7 2 4 m p a 、干表观密度不大于1 9 5 0 k g m 3 、全部或部分采 用轻集料配制而成的轻集料混凝土。在a c l 3 1 8 - 9 5 中规定，依据a s t m c 5 6 7 的 测试方法，要求结构轻集料混凝土的干表观密度不超过1 9 4 0 k g m 3 。我国轻集料 混凝土技术规程把密度等级为1 4 0 0 1 9 0 0 ，2 8 d 抗压强度大于1 5 m p a 的轻集料混 凝土称为结构轻集料混凝土。结构轻集料混凝土因具有轻质高强的特点而在土木 工程领域有着十分广泛的应用前景，开展与此相关的研究无疑具有非常重要的现 实意义( 卜l “。 1 2 高强轻集料混凝土的性能优点 高强轻集料混凝土( h i g hs t r e n g t hl i g h t w e i g h ta g g r e g a t ec o n c r e t e ，简称 h s l c ) 应用于建筑结构中，相对于普通高强混凝土，优点主要体现在如下四个 方面1 5 2 1 ( 1 ) 轻质高强。目前研究成果表明，l c 能达到大跨度预应力混凝土桥梁要 求的l c 5 0 、l c 6 0 强度等级，而此时密度可保持在1 8 0 0 1 9 0 0k v i r l 3 ，自重可以 比普通混凝土低2 0 3 0 。当h s l c 用于建造桥梁或高层建筑的上部结构设计 时，这种轻质特性带来的效益将是非常显著的。 ( 2 ) 抗震性能好。地震作用和建筑的上部结构的自重成正比，当建筑结构 采用h s l c 后，由于整个结构体系自重的下降，将降低水平地震作用。同时，由 于h s l c 的弹性模量较低，结构自振周期变长，变形能力增强，结构破坏时将能 消耗更多的变形能。因此，h s l c 结构的抗震性能较好。 武汉理工大学博士学位论文 ( 3 ) 抗裂性能较好。同普通混凝土相比，h s l c 的热膨胀系数和弹性模量 较小，使得由于冷缩和干缩作用引起的拉应力相对较小，表现为h s l c 构件的抗 裂性较好。这对改善结构的耐久性，延长结构使用寿命是非常有利的，并有助于 降低桥梁等工程建成运营后的维护费用。 ( 4 ) 耐久性好。使用轻集料能有效避免混凝土的碱集料反应问题，并具有 较好的抗渗性、抗冻性，使得桥梁的使用寿命得以延长。同时由于l c 中的集料 一基体间材性相差较小( 对比于普通集料混凝土) ，即具有较好的弹性相容性， 可以避免由于应力集中而引起的微裂缝的产生。另外，l c 中粗集料与水泥浆体 间界面区性能优于普通混凝土，轻集料与浆体间的抗拉强度甚至大于轻集料自身 的抗拉强度。由于轻集料具有一定的吸水性，其预先吸入的水份有利于水泥的后 期水化作用( 即轻集料的内部自养护) ，从而增强l c 的耐久性，避免较小微裂 缝的产生，提高其抗渗性。 总之，采用结构轻集料混凝土代替普通密度混凝土建造桥梁、高层建筑等 结构工程，不仅可以增加结构跨度，降低基础处理费用、节约原材料和安装费用， 而且可以延长结构使用寿命。因此，近年来国内外结构轻集料混凝土在桥梁等结 构工程中的应用呈现出较快的发展趋势。 1 3 轻集料混凝土桥梁 1 3 i 经济性 连续刚构桥是我国大跨度公路桥梁中的主要桥型之一。资料表明【2 “，在一定 跨度区间内，预应力混凝土连续刚构桥是最为经济的大跨度桥梁结构型式。在钢 筋混凝土桥梁中，混凝土自重在桥梁荷载中占有较大比例，且桥梁跨度越大，所 占比例越高。采用轻集料混凝土替代普通混凝土，可以显著降低桥梁静载，且降 低程度随桥梁跨度增大而增加。如表1 1 所示，在3 0 m 、5 0 m 、1 0 0 m 和1 5 0 m 四 种跨径桥梁中采用轻集料混凝土替代普通混凝土，其静载分别可降低1 5 、1 8 、 2 4 和2 7 以上，显见桥梁跨度越大，结构静载降低幅度越高2 ”。 表1 - 1 不同类型混凝土对桥梁荷载的影响 t a b1 1t h ei n f l u e n c eo f d i f i e r e n tc o n c r e t eo nt h ed e a dl o a do f b r i d g e s 桥警径 鬻墼舞焉襞等等黼蝴 m 静载动载静载动载胍 一“ 结合国内外轻集料混凝土在桥梁工程中的应用实例分析表明，桥梁使用轻 武汉理工大学博士学位论文 集料混凝土而获得的经济性主要体现在以下几个方面： 混凝土材料用量的减少； 钢筋、预应力钢筋用量的减少； 桥梁基础处理费用的降低； 桥梁跨越能力的提高。 由于钢材价格相对较高，轻集料混凝土桥梁以用钢量节省产生的经济性最 为显著，而不同结构型式桥梁使用轻集料混凝土节省的用钢量有所不同。图1 1 表明，在节省用钢量方面，斜拉桥、弓形箱梁桥等五种桥型中以弓形箱梁桥使用 轻集料混凝土带来的效益最为明显，这也是轻集料混凝土在弓形箱梁桥中应用最 广泛的原因之一。 文献指出1 2 4 - 2 8 ，轻 2 5 集料混凝土应用于小型2 0 桥梁即可获得良好的经， 济回报。例如，英国高速 公路管理局交通研究实 一 验室对m 4 0 号公路沿线 5 在8 0 年代末期修建的4 8 0 、 一 结构钢预应力钢筋 缆索钢 座小跨径钢筋混凝土桥 图卜1 不同桥型使用l c 用钢最降低比例 梁的经济分析表明，如果 f i g 1 1d e s c r e a s er a t i oo f s t e e ld u et ou s el ci nd i f f e r e n t 以轻集料混凝土简单替 b 。i d g e 5 代普通混凝土就可以平均节约成本3 一7 。 表1 - 2 挪威4 座轻集料混凝土桥梁的经济性比较 资料表明，轻集料混凝土在大型桥梁的应用经济性更加显著。由表1 2 可见， 挪威已建g r e n l a n d 、n o r d h o r d l a n d 、n e we i d s v o l l 和s u n d o y 四座大型轻集料混凝 武汉理工大学博士学位论文 土桥梁的经济性分析也表明在使用轻集料混凝土代替普通混凝土后工程总造价 比普通混凝土方案节省了5 - - 15 。 从桥梁设计角度而言，提高桥梁的经济性关键在于是否能够根据桥梁所处的 地理位置、地质构造、自然环境等条件选择最合理的桥型和桥跨。一般来说，判 断桥型和桥跨的合理性，不能单纯看桥梁的上部结构或下部结构造价，而应综合 比较上部结构与下部结构造价，只有桥梁上部结构与下部构造合理匹配，这样桥 梁总造价才会达到最低。例如，在湖泊、沼泽地区或软土地基路段建造桥梁，由 于地基地质情况不佳，导致桥梁下部构造的数量和费用非常庞大，为了减少下部 构造数量必须增加桥梁跨径甚至要改变桥梁上部结构型式，这直接导致上部结构 总费用增加和结构自重加大，反过来又导致下部结构尺寸不得不加大、基础数量 和施工难度增加，因此往往使设计处于两难境地。采用轻集料混凝土后，桥梁上 部结构自重可下降约2 0 ，在选择桥型与桥跨时相应可摆脱过去的固有思维和设 计理念，可使桥梁跨度在基础处理费用增加较小甚至不增加的情况下得以提高。 以我国新建的天津永定河大桥引桥为例，美国林同炎公司采用优化设计方案，不 仅将普通混凝土主粱改为高强轻集料混凝土主粱，而且将原设计主梁每幅为4 片 简支大孔板梁改为每幅2 片预制箱梁，中间用现浇混凝土板相连，并采用3 5 跨不等的连续结构，从而节约了预应力钢筋，并增加了结构的整体性和抗震性能， 使下部结构共节约造价3 7 8 。因此，轻集料混凝土的应用为桥型和桥跨选择提 供了优选方案。 1 3 2 技术可行性 连续刚构桥在我国应用非常广泛，但是普遍存在跨中下挠、竖向预应力筋脱 崩、箱梁腹板产生斜裂缝、底板开裂、桥面开裂等突出的技术问题，其中腹板开 裂是该类桥梁最为常见的病害，是长期以来一直没有得到有效解决的一大工程技 术难题。对于该类桥梁型式，在其跨径1 8 截面处主梁受力比较复杂。分析表明， 采用增大梁截面尺寸的方法虽然可以改善该部位的应力分布情况，但是梁截面尺 寸的增加相应会增加结构的自重，自重的增加又会带来结构配筋的增多：如果采 用自重比普通混凝土低2 0 左右、强度相当的轻集料混凝土则可使上述问题迎刃 而解，使用轻集料混凝土一方面可在保证不增加结构自重的情况适当增加结构的 截面尺寸，减少开裂；另一方面可在截面尺寸不变的情况下减小自重，减少配筋， 改善关键截面的受力情况。在普通混凝土连续刚构或连续梁中为了避免边跨支座 出现拉力，通常采用调整纵向预应力的方式，这样增加了顸应力钢筋的用量。而 在轻集料混凝土桥梁中，主跨采用轻集料混凝土，边跨适当用一定数量的普通混 凝士，则可以使得结构受力更加合理。 武汉理工大学博士学位论文 国外在使用轻集料混凝土建造桥梁时就非常巧妙的应用了以上设计思想，如 图1 3 、1 4 所示，r a f i s u n d e t 、s t o l m a 这两座桥梁是挪威近年修建的具有代表性 的大型轻集料混凝土桥梁，在它们的上部结构就同时使用了普通混凝土和轻集料 混凝土。例如，s t o l m a 大桥在其主跨3 0 1 m 中1 8 4 m 使用了轻集料混凝土， r a f t s u n d e t 大桥在其主跨2 9 8 m 的中间2 2 4 m 使用了轻集料混凝土，而在其他桥梁 上部结构均使用普通混凝士。通过这种方法，协调了大跨度桥梁主跨与边跨的不 平衡性，使桥梁的受力方式更加合理。因此在技术上，大型桥梁使用轻集料混凝 土不仅具有可行性，而且使用轻集料混凝土还可解决现有普通混凝土桥梁所存在 的部分技术难题，研究与开发的意义更显重要。 图1 - 3s t o l m a 大桥设计方案 f i g 1 - 3d e s i g ns c h e m eo f s t o l m ab r i d g e 图1 - 4 r a f i s u n d e t 大桥设计方案 f i g 1 - 4d e s i g ns c h e m eo f r a f t s u n d e tb r i d g e 1 3 3 轻集料混凝土桥梁进展 由于轻集料混凝土在桥梁工程应用经济性明显，因此轻集料混凝土在桥梁工 程中的应用自人造轻集料诞生以来一直是国内外本领域研究的热点。 上世纪3 0 6 0 年代，轻集料生产技术水平较低，产品强度低、吸水率高，轻 集料混凝土强度等级多为l c 2 5 l c 3 0 ，加上轻集料混凝土施工性能较差，设计 与施工单位对轻集料混凝土的使用缺乏经验，人们主要将轻集料混凝土用于非主 武汉理工大学博士学位论文 要结构部位桥面。据统计，美国采用轻集料混凝土建造的桥梁中5 0 以上用 作桥面板；在日本这一比例达到5 4 左右。我国在轻集料混凝土发展初期也主要 将其应用于桥面铺装，例如南京长江大桥和九江、黄河大桥的部分桥面板采用了 l c 2 5 l c 3 0 的轻集料混凝土，但是轻集料混凝土在桥面的应用量与发达国家相 比要少得多。 上世纪6 0 8 0 年代，随着轻集料混凝土用于桥面板的工程不断取得成功，人 们逐渐积累了大量关于轻集料混凝土的生产与施工经验。与此同时，高效减水剂 和矿物掺和料开始广泛用于混凝土，高强轻集料的生产技术得到快速发展，筒压 强度达到6 o m p a 以上的高强轻集料的生产逐步形成规模，在这种技术背景下， l c 3 0 l c 4 0 以上高强混凝土得到迅速发展，轻集料混凝土开始用于以简支梁为 主要结构型式、跨度在1 5 2 0 m 的小型桥梁。这期间比较著名的桥梁工程是挪威 建造的e n d r e s t 桥，跨度为1 5 m 。我国6 0 年代初期建造了第一座轻集料混凝土大 桥一洛河大桥。此后，在浙江与上海地区的部分小型桥梁曾进行了轻集料混凝土 试用，并取得良好的效果。在这一时期，我国的轻集料混凝土桥梁应用水平与世 界发达国家相比并不落后，但是此后轻集料混凝土桥梁的发展速度较慢，造成了 在这方面我国与世界发达国家之间水平差距逐步拉大的局面。 上世纪8 0 年代以来，美国、日本、荷兰、挪威等发达国家相继开展了高强 与高性能轻集料混凝土及其在大跨度桥梁工程中的应用研究。例如，挪威采用轻 集料混凝土建造了十余座轻集料混凝土桥梁，大型轻集料混凝土桥梁取得一定的 发展。然而，已建大型轻质混凝土桥梁设计荷载等级一般较低，有的为步行桥， 在高速公路桥梁应用较少，且只有少数几个国家掌握了大型轻集料混凝土桥梁的 设计与施工经验，大型轻集料混凝土桥梁仅在挪威、美国等几个国家得到有限应 用，并没有普及推广，同时已建桥梁也存在下挠过大等一些工程技术问题没有得 到有效的解决。 上世纪六七十年代以来，受我国轻集料产品产量少与质量差等因素的影响， 我国轻集料混凝土桥梁发展比较缓慢，与同时期国际水平相比，有一定差距。上 世纪8 0 年代末和9 0 年代初，轻集料混凝土在一些非承重结构领域获得大量应用， 但是很少用于桥梁结构工程，造成近十年中全国各地新建的大跨度桥梁和高架 桥、高速公路桥、立交桥等很少采用轻集料混凝土的现象，错失了千载难逢的发 展机遇。 直至上世纪9 0 年代中后期，在国内外高性能、高强混凝土技术迅速发展的 推动下，我国高强轻集料混凝土的研究与应用开始出现新的转机，人造轻集料的 产量逐渐回升，尤其是高强优质轻集料的生产己形成一定规模，以宜昌宝珠、光 大陶粒为代表的优质高强轻集料的生产渐成规模，高强轻集料的产量也由8 0 年 武汉理工大学博士学位论文 代的不足3 万m 3 增长到现今年产量超过3 0 万m 3 。在此背景下，轻集料混凝土 又开始在桥梁工程中逐步获得应用，例如2 0 0 0 年在天津，用强度等级为l c 4 0 的 轻集料混凝土建造了预应力多跨连续箱形桥梁一永定新河桥引桥。2 0 0 1 年，在 北京的健翔桥扩建、新芦沟桥的改造工程和蔡甸汉江大桥桥面铺装工程也采用了 高强轻集料混凝土。总之，当前我国的轻集料混凝土桥梁己呈现出良好的发展势 头。 1 4 国内外研究现状及存在的主要问题 1 4 1 本构关系 力( 应力) 一变形( 应变) 间的关系即材料的本构关系。本构关系是材料的 基本特性，它影响着结构的内力分布、变形大小、抗震性能等，其精度直接关系 到结构非线性分析的精确程度。此外，混凝土的应力一应变关系还是研究钢筋混 凝土结构强度与变形的重要依据之一。轻集料混凝土的本构关系与普通混凝土相 比有一定的差别，因此在进行轻集料 混凝土结构设计时需要重视这一问题 2 9 ，3 0 。 在进行轻集料混凝土桥梁结构分 析时，荷兰规范c u r r e c o m m e n d a t i o n 猡规定其应力应变关系曲线如图1 5 所示，轻骨料混凝土的极限压应变：。 及塑性应变初始值：。如表1 3 所示； 德国规范d d 埠2 9 规定轻集料混凝土 的本构关系采用双直线的形式；欧洲 规范e n v l 9 9 2 一一4 规定，在进行结构 体系的非线性、塑性分析以及考虑结 图1 - 5 轻集料混凝土应力一应变曲线 f i g 1 5s t r e s s s t r a i nc u r v eo f l c 构的二阶效应时，轻集料混凝土的应力应变曲线应采用抛物线一直线的形式。在 有限元分析中常用的混凝土本构关系式见式( 1 - 1 ) 。 当s 1 时，y 。碌三而 其中，、工= - - 5 ；y = 了o - ；2 0 , 口。，口m ：系数 c | ! 对于l c 4 0 高强轻集料混凝土，应力应变全曲线数学表达式为2 3 。 当x s l 时，y = 1 2 x + 0 6 x 2 0 8 x 3 当x 三1 时，y 。面毒两 对于l c 5 0 高强轻集料混凝土，应力应变全曲线数学表达式为2 4 。 当x 1 时，y 。丽高磊 其中，x = - - 8 ；y = 了o - ；s c 正：分别为峰值应变和峰值应力。 c j ： 2 2 2 有限元分析中的混凝土本构关系模型 在工程技术领域中有许多力学和场 问题，例如固体力学中的应力一应变场 和位移场分析、热传导中的温度场分析、 1 0 流体力学中的流场分析以及电磁学中的 电磁场分析等，解决这类问题通常需要 。 借助于有限元数值模拟技术。当前，有 限元法在工程技术领域中的应用十分广 泛，几乎所有的弹塑性结构静力学和动 力学问题都可以用它得到满意的数值结 果。 ( 2 2 ) ( 2 3 ) ( 2 4 ) 。 图2 - 4r u s h 公式曲线 f i g 2 - 4c u r v eo f r u s hf o r m u l a 武汉理工大学博士学位论文 用于混凝土结构分析的有限元计算软件中混凝土的本构关系有许多型式可 供选择，但是常用的是r u s h 公式，即式2 5 ，利用该公式回归的混凝土应力应变 曲线如图2 4 所示，其特点是当应变大于峰值应变时，应力为一常数： 该公式较好的概括了混凝土的上升段和材料的峰值应变。，极限压应变。 r u s h 公式中材料峰值应力o 。、峰值应变。以及极限压应变。分别为曲线的三个 特征值。 当e e c 时， 一峭( ( 2 - 5 ) 当，占s s 。时，盯= o c g 。峰值应力( 棱柱体极限抗压强度) 。轻集料混凝土强度剐达到o 。时的混凝土压应变，取。= 0 0 0 2 2 。轻集料混凝土正截面的极限压应变，取8 。= 0 0 0 3 2 把上节得到的l c 4 0 、l c 5 0 轻集料混凝土的数据采用2 5 式的形式进行拟和， 发现对于l c 4 0 l c 5 0 强度等级的轻集料混凝土采用2 5 式表示并不适合，如图 2 5 、2 - 6 所示。通过拟和得到公式2 6 ，这一试验结果与部分学者的研究结果相一 致。即采用有限元软件进行分析时，对于l c 4 0 l c 5 0 强度等级的轻集料混凝土要 采用公式2 6 。 x 图2 - 5l c 4 0 轻集料混凝土应力应变曲线的上升段 f i g 2 - 5u p l i f t e ds e g m e n to f s t r e s s - s t r a i nc u r v eo f l c 4 0 武汉理工大学博士学位论文 凯“肚 一叽5 ( 丢) 棚5 ( 毒) 2 ( 2 6 ) 当占。s 占删时，仃= 仃。 仃。峰值应力( 棱柱体极限抗压强度) 。轻集料混凝土强度刚达到o 。时的混凝土压应变，取。= o 0 0 2 2 s 。轻集料混凝土正截面的极限压应变，取。= 0 0 0 3 3 公式( 2 5 ) 与( 2 6 ) 相比，轻集料混凝土的本构关系表达形式基本相同 不同之处在于两个公式系数的差异。 x 图2 6l c 5 0 轻集料混凝土应力应变曲线的上升段 f i g 2 6u p l i f t e ds e g m e n to fs t r e s s s t r a i nc u r v eo f l c 5 0 图2 7 还列出了试验得到的l c 6 0 高强轻集料混凝土本构关系上升段曲线， 由图可知，r u s h 公式对于普通混凝土比较合适，利用r u s h 公式计算得到的值较 试验值偏高。结合已有研究可知，轻集料混凝土与普通混凝土相比，其应力与应 变曲线的上升段要加平缓一些。 由图可知，利用公式( 2 - 6 ) 计算的值也较实际值高。这表明，公式( 2 6 ) 适用于l c 4 0 l c 5 0 强度等级的轻集料混凝土，对l c 6 0 高强轻集料混凝土不适 合。随着轻集料混凝土强度的提高，曲线的上升段更加接近直线，根据r u s h 公 式的形式和试验结果对l c 6 0 高强轻集料混凝土的应力一应变本构关系进行拟和， 得到公式( 2 7 ) 。由图可见，采用公式( 2 7 ) 计算的结果与试验结果非常接近。 武汉理工大学博士学位论文 1 0 0 0 9 0 0 8 0 0 7 0 o6 0 ) 、05 0 0 4 0 0 3 0 0 2 0 0 1 0 0 0 0 当 ，时 0 0 002 00 4 00 6 00 8 0l0 0 x 图2 7l c 6 0 高强轻集料应力一应变关系上升段 f i g 2 - 7u p l i f t e ds e g m e