活性粉末混凝土做永久性模板研究(土木结构工程专业优秀论文).pdf

北京交通人学硕l ：学位论义中史摘嚣 摘要 作为建设部选定的建筑业重点推广应用十项新技术之一，新型模板、 脚手架应用技术近年来有了很大的进步，新技术层出不穷。目前模板技术 从材料方面来看，正由传统的单一材料向多种材料复合方向发展。适应这 种发展趋势，基于活性粉术混凝土( r e a c t i v ep o w d e rc o n c r e t e ) 超高的强度、 延性和良好的耐久性，本文提出采用钢丝网活性粉末混凝土作为永久性模 板的概念，在充分了解和掌握了国内外有关研究进展的基础上，对r p c 模 板的制作、特点做了比较详尽的论述：提出了这种新型模板的设计思想及 结! 掣式，采用结构分析软件a n s y s 对r p c 模板的静力性能和破坏特征进 行了分析；提出了r p c 混凝土组合梁在使用阶段的理论计算公式：建 立有限元模型，利用有限元分析法，对4 i 同截面组合梁的力学性能和破坏 特征进行了分析；采用抗剪连接筋和枪钉剪力件刑组合粱界面连接问题_ j ； 以了解决；同时结合施工具体情况，对其综合经济效益给以全面的评价。 本研究为自然科学基会项目“活性粉末混凝士受弯构件静力强度理论及计 算方法研究( 批准号：5 0 4 7 8 0 6 4 ) ”的一部分，为r p c 模板的可行性研究 和开发提供了科学依据，同时为其今后在实际工程中的广泛应用奠定了理 论基础。 关键词：活性粉术混凝土永久性模板组合梁剪力键综合经济效益 北京交通火学倾l 。学位论殳英史摘要 a b s t r a c t a so n eo ft e nm o s ti m p o r t a n tn e w t e c h n o l o g i e sp o p u l a r i z e db y t h ec o n s t r u c t i o nm i n i s t r yo fc h i n a ，t h en e wf o r m w o r ka n ds c a f f o l d t e c h n o l o g y h a sb e e n g o i n gt h r o u g h av e r y r a p i dd e v e l o p i n gp e r i o d i n p a s ts e v e r a ly e a r s s of a ra sm a t e r i a lo ft h ef o r m w o r kt e c h n o l o g yi s c o n c e r n e d ，n o wc o m p o s i t em a t e r i a li su s e dm o r ea n dm o r et h a n s i n g l em a t e r i a l b a s e do nt h eu n i q u ec o m b i n a t i o no fh i g hs t r e n g t h ， d u c t i l i t ya n dd u r a b i l i t yo ft h er e a c t i v ep o w d e rc o n c r e t e ( r v c ) ，t h i s p a p e ri n t r o d u c e dan e w k i n do fr e a c t i v ep o w d e rf e r r o c o n c r e t es l a b f o r m w o r k ，d i s c u s s e dt h ef a c t u r ea n ds p e c i a l t yo ft h er p cf o r m w o r k b a s e do nt h e k n o w l e d g e a n d m a s t e r y o ft h er e l a t e d s t u d y d e v e l o p m e n to ft h ew o r l d ；a n a l y z e dt h es t a t i cb e h a v i o ra n df a i l u r e c h a r a c t e r i s t i co ft h er p cf o r m w o r kb ys t r u c t u r ea n a l y s i ss o f t w a r e a n s y s ；1 0 咄e d a c a d e m i cc a l c u l a t i v ef o r m u l ao fr p c c o n c r e t e c o m p o s i t e b e a mi nn o r m a l u s i n gp e r i o d s ；a n a l y z e d t h es t a t i c b e h a v i o ra n df a i l u r ec h a r a c t r r i s t i co ft h ed i f f e r e n ts e c t i o nb e a m s u s i n gt h ef i n i t ee l e m e n ta n a l y s i sm e t h o d ；i nv i r t u eo f t h em e t h o do f s t e e l c o n c r e t ec o m p o s i t eb e a m s ，p r o v i d e dt w os h e a rc o n n e c t o r st o r e s o l v et h e p r o b l e m o fi n t e r f a c e c o n n e c t i o n ；a t l a s t ，g e n e r a l 2 知识水坝为您整理 韭生茎望叁兰! 堕! ：堂丝堡兰兰： 苎兰垫茎 e c o n o m i cb e n e f i to ft h i sn e wf o r m w o r k i s r o u n d l y e v a l u a t e d a c c o r d i n gt oi t sc o n s t r u c t i o ni n s t a n c e s a sp a r to ft h en a t u r a ls c i e n c ef u n d p r o j e c t s t u d y o ns t a t i c s t r e n g t ht h e o r y a n dc a i c u l a t i o n a l m e t h o d so fr p c f l e x u r a l c o m p o n e n t s ( a u t h o r i z e dn o 5 0 4 7 8 0 6 4 ) ，t h e p a p e rp r o v i d e d t h e s c i e n t i f i cw a r r a n tf o rt h es t u d yo f f e a s i b i l i t yo ft h er p cf o r m w o r k a n di t s d e v e l o p m e n ta n de s t a b l i s h e da c a d e m i cf o u n d a t i o nf o ri t s s e r v i n g a st h ef o n n w o r k o f p r a c t i c a l c o n c r e t e e n g i n e e r i n g c 0 n s t r u c t l o n k e y w o r d s ：r p c ；p e r m a n e n tf o n n w o r k ；c o m p o s i t eb e a m ；s h e a r c o n n e c t o r ；g e n e r a le c o n o m i c b e n e f i t 3 - 知识水坝为您整理 北京交通人学倾 ：学位论义绪论 第1 章绪论 1 1 引言 现浇混凝土施工用的模板，是保证混凝土结构按设计要求浇筑成型的 一种临时模型结构，它要承受结构施工过程中的水平荷载( 混凝土的侧压 力) 和垂直荷载( 模板自重、材料和施工荷载) ，因而必须具有足够的承载 能力、刚度和稳定性。据统计，每1 m 2 混凝士工程中模板用量高达4 5 m 2 ， 其工程费用占现浇混凝土结构造价费用的3 0 3 5 ，劳动用量为4 0 5 0 ，可见模板工程在混凝土工程中占有举足轻重的地位。近年来，随着我 国基础设施建设投资力度的加大，建筑业得到了空| j i 的发展，高层建筑市 政桥梁等大型现浇钢筋混凝土结构工程的比重也同益增长，模板工程技术 有了很大的进步，新技术层出不穷，其中“新型模板与脚手架应用技术” 就是建设部提出的重点推广应用的l o 项新技术之一。此外，未来的建筑设 计将不再受制于施工的局限性，建筑旋工将采用不同的施工方式来适应建 筑设计的需求，多色彩、奇异形状、个性化的设计方案、新奇的造型将对 施工技术提出严格的要求，新型模板体系将会有一个飞速的发展。 1 2 永久性模板特点及发展概况 由于永久性模板具有独特的功能，既可用作底模，又能作为结构的一 部分，还可提供平整光滑的顶棚，减少湿作业抹灰；另外，与现浇楼板比 较，可以节省大量模板和支拆用工，并可缩短工期；与预制空心楼板比较， 具有整体抗震性能强和可减少楼板总厚度的特点；永久性模板作为建筑构 件的保留部分还可以改善结构性能，提高混凝土结构的物理力学性能，如 埘久性等。在一些结构复杂的情况下，采用永久性模板，即使周转次数少， 但在一处工程一次性核算也会取得较好的效果。简化、改变传统工艺在 一些结构部位灵活采用一些新型材料模板作为永久性模板，更有利干施工， 北京交通人学坝i ：学位论文绪论 降低工程造价。 1 2 1 国外永久性模板的发展概况 建筑旖工的发展经历了两个阶段，是早期采用的现场木模定制拼装 的施 ：方式；二是从原苏联发展起来的预制化技术，建筑物的基本主要组 成结构楼板、柱、梁等全部预制。从目前的旌工方式来看，基本上采 用预制钢、木组合模板，现场浇筑混凝土的施工方式，虽然保证建筑结构 的整体性，但由于模板工程的组装、拆卸的机械化程度不高，影响了施工 的进度。虫何改进模板体系，提高施工进度已为各国所重视。国外的模板 技术发展亦是 模板边框的高度由小系列、低系列向大系列、高系列发展， 且推出大高度、大面积模板技术来提高施j j 进度。但在设汁中山于模板1 程的限制，设计者无法进行理想的设计，从而使工程图纸设计单调，建筑 的构型类同。从世界各地的新型建筑来看，具有独特设计风格的建筑都在 很大程度上采用了新的材料、新的模板r 丁程技术。从施 = 进度的机械化需 求来看，采用按图纸设计相应尺寸的永久性模板，施工时运到现场支模浇 筑，在模板设计时要考虑构件的尺寸、整体连接等问题，从而才能既保证 工程的快速施工进度，又保证建筑构件在结构上的合理性、整体性、功能 性。从这个角度来看，采用预制永久性功能模板、现场浇筑混凝土旌工方 式将是未来的施工趋势。 目前国外新型的永久性模板主要有以下几种形式：( 1 ) i c f 保温模板l j 】， i c f 保温模板是1 9 9 6 年以来，在美国混凝土协会的推动下积极应用的一项 新技术，并形成了以此技术为核心的“新型混凝土结构住宅体系”。i c f 模 板山泡沫树脂板与相关配件组成，根据混凝土结构部位多样化要求，可以 形成小型、大型、矩形、曲线型系列产品。( 2 ) 预制高强砂浆薄壁模板， 由h 本西松公司丌发，内侧设有抗剪连结件，并加工成凹凸面，经现场浇 筑混凝土，确保形成整体性构件，这种新t 艺已应用于实际t 程。它是适 北京交通人学倾 ：学位论文绪论 戍熟练下不足这个形势而丌发的项目，并具有促进模板合理化、省力化、 缩短工期和减少现场施工废料的作用。这种新型模板如预贴瓷砖，还可免 去抹灰和外脚手，与以往的工艺相比，总造价可降低1 0 。( 3 ) 混凝土预 制柱模【2 】，由同本大林组公司丌发的为适应高强混凝土要求而开发的混凝土 预制柱模，其成型方法有两种：一是离心力成形法，一是流入成型法。预 制混凝土柱模丌发的目的是为了使混凝土柱的施工预制化。预制柱模i 型 于1 9 8 8 年推出，采用离心法生产、普通混凝土强度，：1 9 9 7 年开发的预制柱 模j i 型采用流入法成型，是在内外模蒯注入高流动混凝土，并事先要配好 箍筋，1 = 艺较简单。可在工厂生产，也呵在备有模板、高流性混凝土和蒸 气养护设备的现场制作，并能降低造价和运输费用。预制柱模i | 型，主要 是适应高强混凝土( 6 0 n m 2 ) 普及推广的要求。其优点是：1 ) 安装简币，无需 支撑，能实现省力化；2 ) 采用永久性模板，能节省资源：3 ) l l 以往的工艺缩 短_ 期。( 4 ) s r c 结构施工无支撑模板r 】，这是一种专用于劲性钢筋混凝 二l 结构( s r c ) 施工的永久性模板。它是用1 2 一1 6 m m 镀锌薄钢板制成的作为 梁的现浇模板。由于先在工厂加工制作，生产效率高，产品精度可以确保， 这种模板的优点如下：1 ) 由于吊装在本该设置钢梁的位置，支撑等临时用料 可大幅度减少；2 ) 与过去常用的预制混凝土梁相比，单个构件的重量要轻 l 5 ，可采用小型起重机进行吊装；3 ) 作为丰体结构的永久性模板，不再用 其它临时支撑等材料，浇注混凝土后，无需进行拆模作业，设备工程等后 续工序可以加快进行；4 ) 省去使用木胶合板作模板，保护了宝贵的森林资源。 采用这种模板，几乎没有留下清理的废料，减少了现场建筑垃圾排量；安 装后可以直接铺设楼板瓦楞钢板( 用于楼板的永久性底模) ，大幅度减少了高 空危险作业和临时脚手，并增强了施工的安全性。此外，由于采用了这种 无支撑模板，使主体结构的施工 ：期缩短约1 3 。此外，由美国佛罗罩达中 心大学的a m i r m i r m i r a n 博士在对桥墩的侵蚀破坏做深入研究之后，研制出 北京交通人学颁1 j 学位论文 结论 了玻璃钢材料的永久性模板，其内部浇筑混凝土，从而阻止了混凝土柱外 表与周围环境的接触，延长了桥墩的使用寿命；马未西亚波坦利安大学的 研究人员用钢骨架水泥制作的永久性模板具有较高的抗载荷能力，可以减 少钢筋混凝土内配筋的数量，降低了工程造价。 1 2 2 我国永久性模板的发展概况 我国的模板、脚手架技术，自七十年代初提出了“以钢代木”的技术 政策以来，逐步走上摆脱散支散拆木模板、定型木模块和杉槁、竹杆脚手 架的落后局面。特别是随着高层建筑在国内的兴起，大量采用了现浇钢筋 混凝土结构，发展了框架一剪力墙，剪力墙和筒体等结构体系，更促进了 我国模板技术突飞猛进的发展，不仅研制丌发了各种通用性较强的多种类 型组合式模板，还研制开发了大模、滑模、爬模、滑框倒模、简模、隧道 模、台( e ) 模和浇筑密肋楼盖的塑料或玻璃钢模壳等工具式模板，以及用于 浇筑叠合楼板的永久性模板从而使我国的模板技术形成了组合式、工具 式和永久式三大系列模板 3 1 。 9 0 年代以来，我国建筑结构体系有了更大发展，高层建筑和超高层建 筑大量兴建，大规模的基础设施建设、城市交通和高速公路的飞速发展， 要求我国建筑施工技术必须有很大改进。采用先进模板、脚手架体系，爿 能满足现代建筑工程施工的要求，因此我国建筑业不断地引进国外先进模 板、脚手架体系，并研制丌发了各种新型永久性模板。除压型钢板外( 多用 于钢结构) ，相继研制了预应力混凝土薄板、双钢筋混凝土薄板和冷轧扭钢 筋混凝土薄板，分别用于北京西苑饭店、昆仑饭店、中国银行大楼、亚运 村北郊高层建筑群等工程。并逐步推广到江苏、山东、河南、四川等地。 用于现浇叠合楼板的永久性模板，可采用压型钢板( 采用这种结构形式的 特点是解决了层赢较大厂房支模困难的旌工难题，且能缩短工期) 和各种 配筋( 预应力筋、双钢筋和冷轧扭钢筋) 的混凝土薄板，它既是模板，又 北京交通人学倾i 学位论史绪论 是楼板结构的一部分，因此这类模板支设后无需再拆除，使现浇楼盖的模 板支拆量大为减少，并能提供平整的顶棚表面，减少湿作业抹扶。采用这 类模板施工，还有利于建筑施工组织平行立体流水交叉作业，加快施工速 度。以下为近几年来我国科研人员在永久性模板研究钟所做的一些有益的 尝试：( 1 ) 采用f r p ( 纤维增强聚合物) 作为混凝土工程永久性模板【4 】，玻璃 钢作为。种轻质高强的材料已广泛应用于建筑行业，具有耐腐蚀、抗拉强 度高、比重轻、成型便捷等特点。玻璃钢一混凝土复合梁结构、混凝土表 丽包覆玻璃钢结构能够提高混凝结构综合的力学性能。玻璃钢用做永久 性模板浇筑混凝土萨是从混凝土现场浇筑施工的角度出发，利用玻璃钢抗 拉强度和冲击强度高的特点来弥补混凝士抗拉强度低的缺陷，玻璃钢材料 能与混凝土共同- t 作，发挥了玻璃钢轻质高强的特点，并大幅度提高了梁 的抗折强度。( 2 ) 钢丝网混凝土薄板模板【5 ，钢丝网细粒混凝土是一种以水 泥为基体的高强复合材料，它应用分散配筋原理使混凝土改性，是种广 义的纤维混凝土，使混凝上在平面内两个方向参与j 二作的能力达到致； 钢丝网混凝土模板所具有的优良性能如高强度、高弹塑性性能、高耐久性 都可以保证此类模板在运输、施工安装及混凝土浇筑过程中满足各种受力 要求。( 3 ) 肋筋模板钢一混凝士组合板【6 】，克服了广泛采用的压型钢板作底 模与钢混凝土组合梁相结合的结构形式的不足：压型钢板组合板的厚度 较大；压型钢板与混凝土秸接性能较差，若增加抗剪连接件相应地会增加 造价；由于凹槽的存在，组合板不易与次梁组成组合梁；压型钢板的造价 较高。在施工荷载的作用下，肋筋和模板的应变及挠度变化都很小，并且 具有良好的稳定性；在使用阶段，肋筋模板组合板表现出良好的工作性能， 其破坏形念与钢筋混凝土受弯构件类似但延性大大优于钢筋混凝土受弯 构卅：；构件截面混凝土的应变基本上服从线性分布；此外肋筋模板组合板 具有较好的经济性能。 8 北京交通人学顾 学位论史绪论 从以上的分析可看出：我国混凝土工程模板技术经过借鉴国外的经验 和几十年的工程实践，已初步形成了适合我国国情的各种模板体系，但在 混凝土工程乜速发展的今天，还不能很好地满足工程的需要。目前从材料 方面币山传统的单一材料向多种材料复合方向发展：从模板功能方面，出 单一支撑性向功能性、永久性模板发展；根据混凝土不同的结构方式，由 单一模板向多种模板体系并存在的趋势发展：从施工方式e 由现场组模浇 筑到预制模具现场浇筑、机械化施工方式发展；从经济角度来看，模板体 系由传统注重材料单一价格向着注重降低综合成本方向发展。 1 3 活性粉末混凝土研究进展 自从二十世纪九卜年代初法国学者研制成功以来，r p c 就成为混凝十 材料学者竟相关注的焦点。这种材料出于其中粉末组分的活性和细度的增 加而取名为活性粉未混凝士川( 以下简称r p c ) 。r p c 作为一种刚出现不久 的新型超高强水泥基材料，具有以下特点：【7 - 1 0 l 超高的力学性能r p c 具有非常优异的力学性能，与高性能混凝十 ( h p c ) 相比，它具有约高3 j 2 倍的抗压强度和约大于2 0 0 倍的延性。根 据组分、养护方法和成型条件的不同，可以制得抗压强度分别为2 0 0 m p a 以及8 0 0 m p a 左右的混凝土，其力学性能及与高性能混凝土的比较如表i 1 所示。 脆性是混凝土材料的一大缺陷，对于掺钢纤维的r p c ，这一缺点可得 到明显的改善，表1 2 是掺钢纤维r p c 与其它几种材料的断裂能的比较”。 从表中可以得知，掺钢纤维的r p c 具有非常高的延性。 密实的微观结构及优异的耐久性能r p c 超高的耐久性能与其良好的 内部微观结构和极低的孔隙率分不丌。r p c 的微结构特征使其具有极低的 渗透性、商的抗环境侵蚀能力和好的耐磨性川】。表1 3 为r p c 与其它几种 混凝土的耐久性比较2 】。 北京交通人学颤 ：学位论文绪论 表l 1 r p c 与h p c 的性能比较 t a b l e l 1t h e c o m p a r i s o n o fm a t e r i a l p r o p e r t i e so fr p c a n dh p c r p c 2 0 0r p c 8 0 0h p c p r e s e t t i n gp r e s s u r i z a t i o n n o n e1 0 5 0 h e a t t r e a f i n g ( ) 2 0 9 02 5 0 4 0 0 c o m p r e s s i v es t r e n g t h ( m p a ) 1 7 0 2 3 05 0 0 罐o o6 0 ，1 0 0 f l e x u r a ls t r e n g t h ( m p a )3 0 6 04 5 1 4 0 6 】o f r a c t u r ee n e r g y ( j m 2 )2 0 0 0 0 一4 0 0 0 01 2 0 0 2 0 0 0 01 4 0 y o u n g sm o d u l u s ( g p a ) 5 0 6 06 5 7 54 0 表1 2 不同材料的断裂能 t a b l e l 2t h ef r a c t u r ee n e r g yo fd i f f e r e n tm a t e r i a l s c e r a m i c s m a t e r i a l sg l a s s c o n c r e t em e t a ir p c a n d r o c k f r a c t u r ee n e r g y 5 1 0 0 0 0 3 0 0 0 0 ( j r n 2 ) 优越的性能价格比与普通混凝土或h p c 相比较，r p c 特别是掺钢纤 维的r p c 的单价偏高。但是r p c 应用于土木工程中，不仅可以使构件混凝 上用量减少近2 3 ，而且r p c 的应用可以减少构件及结构物中的配筋量， 甚至完全取消被动钢筋”】。另外，与具有相同强度的钢材比较，r p c 的成 本也是相对便宜的。表】4 比较了由不同材料制作的等承载力单元的横截 面。 表1 3 普通混凝土( o c ) 、i m c 和r p c 的耐久性比较 1 0 - 北京交通入学倾j 。学位论_ ! ：f =结论 t a b l e | 3t h e c o m p a r i s o n o f d u r a b i l i t yp r o p e r t i e s o fo c 、h p ca n dr p c p r o p e r t i e s o ch p cr p c c h l o r i d ei o n sd i f f u s i o n ( 1 f f ”m 2 s )1 1o 6o 0 2 c a r b o n a t i o nd e p t h ( r a m )1 02o f r e e z e t h a ws c a l i n g ( g c m 2 ) i 0 0 09 0 07 a b r a s i o nc o e f f i c i e n t4 o2 81 3 表1 4 不同材料制作的等承载力单元的横截面比较 t a b l e l 4c o m p a r i s o no fc r o s ss e c t i o n a t e q u a le l e m e n tc a p a c i t yw i t hv a r i o u sm a t e r i a l s s e c t i o nr p cs t e e p r e s t r e s s e dr e i n f o r c e d p a r a m e t e rx s h a p e d一s h a p e d c o n c r e t ec o n c f e t e s e c t i o n d e p t h 3 6 03 6 07 0 07 0 0 “n m ) w e i g h t 1 3 0l l o4 7 05 3 0 ( k g m ) r p c 这些优良的性能特点，使其具有很好的工程应用前景。从r p c 研 制成功丌始，国外就注重其工程应用的研究。目前，国外已将r p c 材料应 用于因防工程、严酷环境条件下的公共设施等领域【7 l 。作为r p c 的应用实 例应首推加拿大魁北克州建于s h e r b r o o k e 的一座跨径6 0 m 、供行人和自 行车通行的桥梁，以抵抗当地冬季零下3 0 、反复洒除冰盐的严酷环境条 件的侵蚀。这座桥是由美国、加拿大、瑞士和法国共同进行r p c 研究的 项试点工程。该桥于1 9 9 6 一1 9 9 7 年期问建成。采用r p c 钢管混凝土桁架 结构。至今短短几年罩，采用活性粉术混凝土已为法国一核电站的冷却系 北京交通人学颂l 学位论史绪论 统生产了2 5 0 0 多根大小梁( 耗用混凝土8 2 3 m 3 ) 、生产了大量核废料储存容 器。通过这些工程应用，初步显示出活性粉末混凝土良好的使用性能、简 便的生产和施工工艺，因而具有广阔的发展前景。1 9 9 8 年8 月，在s h e r b r o o k e 召丌了第一次有关活性粉末混凝上和高性能混凝土的国际研讨会。 目前，我困已陆续在些高等院校和科研机构开始了r p c 的研究，清 华大学、北京交通大学、同济大学、福州大学等单位在r p c 材料配比、材 料试验、结构设计、施工工艺等方面取得了定的进展，对其工程应用的 研究也在逐渐展丌 14 1 9 】。但相比丽黾幽内对象r p c 这样一些新型先进水 泥基材料的研究还存在不少差距。这1 方面与国内混凝土技术发展相对较 慢有关；同时，我国混凝上材料在工程应用上相对落后电足重要的原因之 1 4 本文研究的内容及目的 攀于以上所述国内外模板发展现状以及r p c 新材料所具有的优异力学 性能和良好的耐久性能，本文提出用r p c 作为永久性模板，不仅利用其受 压、受拉强度高的特点，承担各项施工荷载，同时使其与普通混凝士组成 组合梁，充分利用两种材料的强度，共同承担使用阶段各类荷载：而且可 使组合梁更具有其它永久性模板所不具备的高耐久性和耐腐蚀性的特点， 省却防火、防腐等各项施工工序，无论从施工进度上还是从综合经济效益 方面考虑，都具有重要的意义：r p c 起到保护层的作用，充分利用了其 耐久性高的特点：r p c 模板无须拆除，成为结构构件的一部分与普通混 凝七共同工作，以r p c 做底模，充分利用了r p c 弯曲抗拉强度高、普通混 凝土抗压能力较好的特点，保证了组合梁的整体工作性能；可增加传统 普通混凝土梁的结构跨度，提高其极限承载力：r p c 模板在工厂预制， 可任意成形，减少了施工工序，对于实现工地现场的现代化是一个有益的 尝试；综合经济效益明显，特别是用于军事、水工等对耐久性有特殊要 北京交通人学倾 学位论文结论 求的构筑物。 本论文的研究主要由以下四部分构成： ( 1 ) 首次提出r p c 模板的设计构想及其结构形式，并利用a n s y s 对其底 模板、侧模板进行两点加载，分析了两种模板的静力性能及其破坏特征， 得出如下结论：钢丝网r p c 模板的弹性性能很好，即使在板内存有裂缝的 情况下，扳的变形也表现了较高的弹性模量；钢丝网r p c 模板具有很强的 变形能力，其极限延伸值大大超过同类钢筋混凝土板的值且板表面可见裂 缝出现较晚。 ( 2 ) 在此基础l 对r p c 普通混凝土组合梁进行了分析，给出了r p c 模板一普通混凝土组合梁荷载一变形曲线的理论推导方法，并且对r p c 模 板组合梁在使用阶段截面承载力及变形计算公式做了些初步的推导，最 后应用a n s y s 对三种不同截面梁进行对比分析，得出r p c 模板作为受力结 构的喑b 分在使用阶段所表现出的一些优异的力学性能。 ( 3 ) 此外，本文还讨论了r p c 模板混凝土组合梁模板的连接问题， 提出了模板与混凝士连接的具体方式，分析了其受力及破坏形式，并对栓 钉连接件抗剪承载力现有计算公式及试验结果进行了对比分析，给出了设 计连接中应考虑的几类问题。 ( 4 ) 本文最后一部分给出了r p c 模板在施工阶段的承载力验算实例及其 经济性分析，证明其在符合施工技术条件下是安全的、可靠的：单单作为 模板方面其综合经济效益是显而易见的，若考虑其作为结构构件的一部分， 由于对承重结构承载力的显著提高，必将减少截面尺寸，从而减轻结构自 重，对于建筑物整体而言，都将从根本上减轻建筑的整体造价，取得良好 的社会效益及经济效益。 北京交通人学坝i j 学位论义r p c 模板设计构想 第2 章r p c 模板设计构想 r p c 虽然也是一种水泥基复合材料，只是在某些性能上( 包括强度和 韧性) 要优于普通混凝土、高性能混凝土，但r p c 与其它先进水泥基材料 存在一个重要的差别，即活性粉术混凝十- 首先是为了满足结构工程的要求， 是从克服混凝十、钢筋混凝土的不足之处发展而来，因此r p c 从原材料选 择到制备和生产工艺都和混凝土技术密切相联系，这是它能够在短时问晕 就在工程建设领域罩获得应用的关键。 2 1 r p c 永久性模板的特点及制作 本文拟将r p c 材料用于模板结构，提出r p c 永久性模板主要在于以下 儿点： ( 1 ) 混凝十材料是目前最重要的建筑材料之一，建筑业的发展与混凝 十的应用技术密切相关。工业、民用和公共建筑中，现浇钢筋混凝土结构 出于整体性好，抗震性能优良，得到广泛的应用。但是用普通模扳的现浇 钢筋混凝土工程，劳动强度大，施工工期长不能很好的适应我幽建筑业 快速发展的要求。另一方面，由于模板用量巨大、耗资惊人，模板工程费 用约占混凝士结构工程费用的1 4 ，模板行业已严重制约了我国建筑业的发 展，新型模板的研究和开发成为当务之急。 ( 2 ) 混凝土浇筑完后r p c 薄板不用拆卸，成为混凝土结构的一部分， 它的主要优点是克服了传统钢模板的拆模困难、工作量大、t 期长等不足， 简化了施工工序，可大大加快施工进度。 ( 3 ) r p c 具有优异的物理力学性能，其显著特点是强度极高、韧性大， 抗弯折强度尤为高：r p c 密实性高。可象余属一样延伸，保证混凝土抗剪、 抗拉应力，抗拉性可得到永久性改善。r p c 还具有优良的耐久性能，其空 气渗透系数、水分吸收特性及碳化速度较普通混凝土都得到了永久性改善。 ( 4 ) r p c 作为永久性模板，一方面起到模板的作用，另一方面由于厚 北京交通人学倾 学位论文r p c 模板设计构想 度较薄( 仅3 c m 左右) ，可起到保护层的作用。利用r p c 的超高抗腐蚀、 抗渗性能以及极高的耐磨性，可应用到水工及核工业等对耐久性具有特殊 要求的混凝土结构模板中，提高结构的使用寿命。 从以上分析可知，利用r p c 作为永久性模板在理论上是可行的，其结 构构成如图2 l 、2 2 所示：在r p c 中加入双层钢丝网，钢丝网网格为 1 0 m m xj 0 r a m ，同时在薄板中部配以2 根中6 钢筋，起到钢筋骨架的作用， 同时将钢筋弯起，起到剪力连接件的作用。钢丝网不仅使r p c 在平面内两 个方向参与工作的能力达到一致，同时出于薄板内钢丝网间距较小，故钢 丝网对r p c 有较强的约束力，使r p c 在受力( 尤其在受拉状态) 时的塑性得 到很大发展，受拉后的裂缝分布趋于均匀，故该模板不仅具有优良的抗丌 裂性能，充分的变形能力，而且可使r p c 在受拉时参与工作的能力不能被 忽略【3 ”，从而保证了充分利用r p c 较高的抗拉及抗弯剪能力。此外，模板 紧贴钢筋骨架布置，可起到保护层的作用，充分发挥了r p c 作为新犁混凝 十在耐久性方面的巨大优势。 该r p c 模板之间连接方法为：a 将联接的两侧模板按钢筋搭接要求对 准，将两面的钢丝网掀起，把网间的配筋进行电焊搭接( 5 c m 长单面焊) ；b 将钢丝网压平，进行绑扎。绑扎矧距5 c m 左右，措接部分抽去一层横向钢 丝；c 对将要联接处进行清理，与填补混凝土接触部分用水适当浸湿：d 支 好接缝模板，准备好浇筑梁体混凝士。 用r p c 模板代替普通模板，是一种全新的尝试。它从根本上改变了施 工中现浇混凝土使用大量模板的传统方法，采用全新的“板筋合一”的思 想，在工厂提前预制完成，且浇筑后不需振捣，在施工现场只需要按照设 计将其安装就位，经精确测量，并进行水平和垂直调整后，再与预先埋设 的铡筋绑扎或焊接好，然后在两侧用专用支架固定好，即可开始浇筑漏凝 土。省工省料，可谓“多快好省”；同时保证了建筑构件在结构上的合理性、 北京交通人学硕i 学位论文 r p c 模扳设| 十构想 整体性、功能性。从这个角度来看，r p c 模板顺应未来的施工趋势即 采用予页制永久性功能模板、现场浇筑混凝土的施工方式。 1 模板厚度2 钢丝网片3 抗剪连接镐配件4 航剪连接筋5 栓钉剪力什 图2 1 r p c 薄壁模板 1 钢丝网片2 抗剪连接筋3 栓钉剪力件4 抗剪连接筋配件 图2 2 r p c 模板三视图 2 2 i 心c 模板分析中的几个问题 用a n s y s 软件分析r p c 模板与混凝土组合梁共同工作的复杂性，主 要体现在： ( 1 ) r p c 模板与混凝土组合结构是多种不同材质的复合材料，所用材 料特性见表2 1 ，所以在有限元分析中应征对所要研究的问题建立合适的的 有限元单元模型； 北京交通人学坝i 学位论史r p c 模板、垃计构想 表2 1 组合梁所用材料特性 t a b l e 2 1m a t e r i a lc h a r a c t e r i s t i co fc o m b i n a t i o nb e a m 裂缝开裂缝丌 弹性模抗拉抗压密度 材料泊松展后剪展前剪 量e强度强度 ( k 类别比u切缩减切缩减 ( m p a ) ( m p a )( m p a )l l l m 3 ) 系数系数 r p c2 6 4 5 1 0 4o 2 52 01 8 00 7 l 2 0 01o 6 c 3 02 5 2 5 10 40 2 01 4 31 4 3o 6o 9 5 砼l o 6 7 8 5 钢筋2 1 l o o 3 02 3 5不存在 不存在 l o 6 ( 2 ) 混凝土本身就是一种复合材料，其本构关系是非线性的，在 a n s y s 有限元实体单元模型中已经建立其本构关系模型； ( 3 ) r p c 作为一种新型的水泥基复合材料，它是根据密实堆积原理， 仿效“高致密水泥基均匀体系”制成的，由于对其研究仍处于初期阶段， 因此r p c 的本构关系仍是一个需要深入研究的问题； ( 4 ) 在通常情况下混凝土是带裂缝工作的，裂缝发展比较复杂； ( 5 ) 混凝土本身具有收缩与徐变特性，这些变形不但受材料影响，且 受环境( 如温度、湿度等) 的影响，徐变还与受荷大小、受荷时混凝土龄 期有关，使混凝土变形成为非线性变形。由于组合梁的普通混凝土和r p c 不在同一高程，因此混凝土的收缩影响比普通钢筋混凝土梁要大的多。 ( 6 ) r p c 模板与混凝土之间的连结比较复杂，存在着水平滑移及竖向 掀起等问题，剪力连接件如何布置直接影响到组合梁的使用效果。 由此，在r p c 模板与混凝土组合梁有限元分杌中，对于荷载作用，需 北京交通人学坝i 学位论文r p c 模板设计构想 要模拟的主要材料特性为：混凝土应力一应变本构关系；r p c 的应力 应变本构关系；连结件的本构关系；多轴应力下的材料破坏准则等。 北京交通人学坝i j 学位论义r p c 模板静力性能发破坏特征 第3 章r p c 模板静力性能及破坏特征 3 1 r p c 模板结构尺寸 本章以梁板工程中的r p c 底模和侧模为研究对象，对拟使用的模板力 学性能进行有限元模拟分析。其模扳参数见表3 i 。在配筋中，钢丝网网格 为 0 m m 1 0 n u n ，网丝直径为1 0 m m ，采用镀锌钢丝编织n t 33 1 ，两根中6 细钢筋通长布置于板层中部，起到钢筋骨架及剪力连接件作用。 表3 1 r p c 模板结构尺寸 底模板试件侧模板试件 尺寸n u n ) 1 6 0 0 2 0 0 3 0 1 6 0 0 3 0 0 2 5 配筋 6 w 一2 j 巾6 1 0 04 w 一2 j 中6 1 5 0 r p c 强度等级 2 0 0 m p a2 0 0 m p a 3 2 结果及其分析 3 2 1 加载力学图式 以简支板的力学图式进行两点对称加载，如图3 1 所示。底模和侧模均 采用八节点实体单元。该单元为3 d 固体结构单元，由八个节点组成，在 单元每个节点上有三个自由度，即分别沿着三个坐标轴方向，如图3 2 所示。 在本有限元分析中，出于材料的应力应变关系是弹塑性的，则材料进 入塑性以后会产生永久的变形，从而引起结构的非线性响应。本分析中采 用非线性问题求解的牛顿拉普森法，。在每次求解之前，该方法先估算 出残差矢量和所加荷载的差值，然后使用非平衡荷载进行线性求解，并核 查收敛性，本分析采用力( 或力矩) 的二范数作为收敛准则，对求解过程 划分为2 0 个载荷子步，设定误差容限为o 0 5 ，可以满足求解的需要。同时 采用自适应下降、线性搜索帮助该非线性问题的求解收敛。 在该分析的建模过程中，由于钢丝网在各方向的匀质性，在r p c 中它 北京交通大学顿1 学位皓文r p c 模板静力件能发破坏特征 所起到的是类似于钢纤维的作用，因此本分析按其钢丝总体积率加于r _ p c 分析单元中，同时两根也6 筋在模板中主要起到架力及固定剪力件的作用， 在模板静力非线性分析中所起的作用不大，因此做忽略处理。 一 圈3 i 模板加载图 0 j 、 u j 衄一j k ( pr i s m0 p t i o n ) 盯e t r a h e d r a l0 叫l o “ n o tr o c o m m e n d e d l 图3 2 八节点实体单元 。 3 2 2 模板变形分析结果 分别建立底模板、侧模板有限元模型，底模施加力p 为4 1 6 9 0 n ，侧模 施加力p 为4 4 0 9 6 n ，分二十个时间步逐步加载，分析结果如图3 3 、3 4 所 示。图3 3 为r p c 底、侧模板p 6 曲线图；图3 4 为r p c 底侧模板荷载一 北京交通人学坝f j 学位论义r p c 模板静儿性能欲破坏特征 应力曲线图。由图3 3 分析可知，r p c 模板变形能力极强，在接近破坏 阶段，其变形延伸几达到1 i i 一阶段的两倍；由于底模板厚度略高于侧模板， 其抗变形能力较后者稍大，所以从整个破坏过程来看，侧模变形较之底模 更大；但由于侧模板截面积较底模板稍大，所以其破坏荷载较底模板稍大 ( 4 4 0 9 6 4 1 6 9 0 = 2 4 0 6 n ) 。 5 d 0 0 0 4 0 0 0 0 3 0 0 。 弓2 0 0 0 0 q 1 0 0 0 0 记u0四4 06 08 u，2 01 4 0 1 5 01 8 02 2 2 0 6 ( m m ) 图3 3 r p c 底、侧模板p 一6 曲线 3 2 3 模板应力分析结果 图3 4 为最后破坏阶段底模板等效应力图，最大应力为1 7 8 9 2 2 n m m 2 ； 图2 6 为最后破坏阶段侧模板等效应力图，最大应力为1 7 8 9 1 9 n m m 2 。从 图3 4 、3 5 和3 6 分析可知：r p c 模板较之普通混凝土板的抗弯极限强度 很高，在裂缝出现以后，仍有很大的承载能力，且板表面可见裂缝出现较 晚，均匀分布在等弯矩内和加载点附近，有利于发挥r p c 材料优异的力学 性能。 北京交通人学坝 。学位论艾 r p c 填板静力性能及碱t 1 、特丽 0 o d 。o2 0 0 0 0 3 0 0 0 0 4 0 0 0 0 5 0 0 0 0 p ( n ) 图3 4 r p c 底、侧模板荷载应力关系图 图3 5 最后破坏阶段底模板等效应力图 3 3 结论 根据对上述数据、图表的综合分析，我们可以得出： ( 1 ) 钢丝网r p c 模板的弹性性能很好，即使在板内存有裂缝的情况下， 板的变形也表现了较高的弹性模量，据分析这方面是由于板内配 置了细钢筋和钢丝网，另方面主要是由于r p c 较普通混凝土有很 高的抗拉强度( 2 0 m p a ) 。 弓 啪 懈 啪 啪 柏 。 一，l、z)o 北京交通人学硕i 学位论史 r p c 模板静力件能发破土 、特征 图3 6 最后破坏阶段底模板等效应力图 钢丝网r p c 模板具有很强的变形能力，其极限延伸值大大超过同类 钢筋混凝土板的值。这是山于大量分散配筋使受拉r p c 的弹塑性性 能充分地发展，因而大大提高了受拉r p c 的极限延伸值。 由图3 - 3 可看出：当模板受力接近破坏荷载时，变形和荷载基本卜呈 线性增长：达破坏荷载后，变形增长速度大于荷载增长速度，由此 推断板表面可见裂缝出现较晚，这些现象均与大量分散配筋有直接 的关系。 分析结果证实，适当地加用细钢筋来代替中和轴附近的网层是合理 的，并且还能保证网层位置萨确。 ) ) ) 北京交通人学硕1 + 学位论文r p c 模板普通混凝十蛆台粱静力社能分析 第4 章r p c