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油棕榈壳轻质混凝土梁结构性能预测
摘要
结构级轻质混凝土（LWC）的应用有大幅降低建筑成本的潜力，因为它的密度较低，允许更长的跨度，能减少自重，并减小基础尺寸。尽管它用处很大，添加天然骨料的混凝土由于缺乏设计指导，在设计中使用有限。这种缺乏指导的主要原因是由于用来预测不同荷载作用下材料特性的设计标准的高度经验性，换句话说经验方程被用于预测的极限抗弯刚度、裂缝宽度以及在预测铰链转动极限和弯矩重分布。因此为了建立设计指南，而进行的特定类型的LWC的大尺寸构件实验是昂贵并且耗费时间的。为了解决这个问题，一种通用的，以力学为基础的，分部弯矩-转角（M/h）方法已被提出来模拟各级荷载下的钢筋混凝土的抗弯性能，其中唯一的经验性要求是基本材料性能的确定。在这篇论文中，表明了弯矩-转角法和随后产生的基于该方法的闭合解能全方位预测油棕榈壳轻质混凝土梁的弯曲性能，例如各级荷载下的偏转和裂缝宽度。弯矩-转角法的成功应用表明这种方法能被用作发展轻质混凝土的设计依据。这一方法的正确性也因弯矩-转角法的预测结果和其他类型轻质混凝土已发表的测试结果的一致性而进一步加强。
介绍
轻质混凝土（LWC）可以增加结构设计的灵活性，允许更长的跨度结构，使基础更小，桩更少，这都得益于结构构件自身重量的减少。此外，由于其密度降低，在建筑成本方面，如运输和处理，可以实现相当大的节省。生产轻质混凝土最常见的方法是用轻质材料替代传统的粗集料。轻骨料一般分为2类：人工生产和自然生成的。人造轻骨料主要是通过膨胀和聚集工艺得到的，包括膨胀黏土，页岩和板岩，而天然生成的轻集料包括未经处理的副产品和有机材料。油棕榈壳，棕榈油工业的废物材料，属于后者的类别。近几年，有关研究一直致力于用油棕榈壳制造结构级的油棕榈壳混凝土（OPSC）。除了具备轻质混凝土的优点，对这种农业废物的利用还能减少由于油棕榈壳储存、倾倒、和燃烧发电造成的环境问题。
过去，研究人员通过实验研究油棕榈壳轻骨料钢筋混凝土梁的弯曲性能，并发现了与传统钢筋混凝土梁相媲美的性能，事实表明OPSC梁在延展性方面比传统钢筋混凝土梁有更大的潜力。尽管被认为有潜在的经济效益，实际中通过天然轻集料制造轻质混凝土的模拟分析却很少进行。正因为如此，有关这种轻骨料钢筋混凝土梁结构性能的信息不足以用来指导工程和设计人员进行实践。现有的对于LWC梁的分析模型大多经验得出，因此，只适用于获取数据的特定的轻质混凝土梁。正因为如此，为了把OPSC或者其他任何新混凝土纳入这种模型，需要进行大量并且费用昂贵的经验性试验。为了解决LWC混凝土通用分析程序短缺这一问题，在这次研究中，进行了一种尝试，即应用一种通用的，以力学为基础的分析方法，弯矩-转角法，这是由Haskett等人以及Visintin等人发明的用来模拟OPSC钢混梁的抗弯性能的方法。这种方法被认为对任何类型的混凝土和钢筋都是有效的，只要所使用材料的性能是可靠的。在以前的研究中，这种方法在预测许多种类的结构构件性能的过程中被认为是可用的，例如钢筋混凝土柱，用纤维筋加强的钢筋混凝土梁，以及钢筋混凝土梁的时间相关特性。但利用弯矩-转角法模拟轻质混凝土结构构件性能的研究尚未开展过。
弯矩-转角方法以变形为基础，能够处理经常被忽视的关于传统传统应变分析在受弯构件张力和受压区方面的问题。在张力区，传统的基于应变的分析假设钢筋和周围的混凝土之间有足够的相互作用，这样一来就没有相对滑动发生。作为结果，传统的应变为基础的方法不能预测混凝土裂缝的形成，裂纹张开或拉伸硬化，也因为如此必须诉诸于经验模型来填补力学理论计算上的这一空白。与之相反，弯矩-转角的方法使用力学的局部相互作用的理论直接模拟钢筋和混凝土之间的滑动，因此，通过力学计算能模拟裂纹形成，裂纹扩展和拉伸硬化。此外，传统的应变为基础的分析不能直接模拟压缩区楔形体的形成造成的混凝土软化。尽管一种假定的铰链长度被用来量化最终的转角。然而，这种方法在面对OPSC梁甚至任何LWC梁的时候是不可行的，因为测试数据来量化铰链长度是不容易的，并且现有的实证模型不适用于由于铰链长度衍生出的超越条件界限的情况。与之对比，弯矩-转角法应用已建立的剪切摩擦理论，使用剪切摩擦材料性能来量化楔形应变尺寸效应成分。使用剪切摩擦方法，Chen等人提出了尺寸相关的压缩应力-应变（r）的关系，可应用于基于单个尺寸试样的试验，在推导一个相对较新的类型的剪切摩擦材料性能时，它能明显减少多数实验的所需条件。为了检查弯矩-转角法在模拟OPSC钢混梁抗弯性能时的有用性和准确性，本文介绍了一系列油棕榈壳轻质钢混梁在水泥粘结剂性能和受拉筋配筋率变化的不同情况下的受弯性能实验。被建成模型的弯矩-挠度响应被拿来和从测试过的梁获得的响应以及已经发表的各种不同轻质混凝土梁的实验结果作对比。在以上所有的情况下，都表明弯矩-转角法可以被应用于准确的预测所有类型的弯曲性能。此外，结果表明，作为这项研究的一部分，该方法能够合理地预测的LWC梁的裂缝间距和裂缝宽度。
2.实验方案
为了验证分部弯矩-转角法的可应用性，一项为了获得OPSC梁的弯矩-挠度特性的试验性的计划以及分析所需的材料特性列出如下
2.1.材料
为了表明弯矩/转角的方法对于一系列LWC材料的适用性，这里考虑了两种不同的组合设计，如表1所示。每一个组合是由一个混合的普通波特兰水泥（OPC）和粒化高炉矿渣粉
（GGBS）粘合剂，这二者的比例在4:1到2:3之间变动。选择这些混凝土混合料是为了研究他们对混凝土抗压强度的影响，而作为水泥替代材料，粒化高炉矿渣粉是会降低OPSC的抗压强度的。在两种组合中，粉碎的油棕榈壳和人造沙子分别被用作粗和细骨料。无杂质的饮用水被用作混合水，添加质量占比1%的基于PCE的高效减水剂（SP）作为粘结剂是为了增加方便性。12毫米直径，560兆帕屈服强度的高屈服变形钢筋作为受拉钢筋，而屈服强度为520 MPa的10毫米直径的钢筋被用作受压钢筋。300级直径6毫米的平钢加固筋被用作连接，钢的弹性模量为200Gpa。
表1 混合比例
2.2.试验方法
2.2.1.材料性能测试
为了分析，除了基本的材料属性，压缩性和劈裂抗拉强度，如下所述 ，用来模拟拉伸硬化和混凝土软化机制的材料性能也应知道。
2.2.1.1.抗压和劈裂抗拉强度试验
圆柱形试样的尺寸为直径100毫米，高200毫米，一同测试测试压缩和劈裂抗拉强度，分别根据BS EN 12390-3:2002和BS EN 12390-6：2000。
2.2.1.2.抗拔试验
为了应用部分相互作用理论模拟拉伸硬化效应，需要知道钢筋混凝土之间的局部粘接应力与滑动关系，根据Haskett等人的理论，这些材料性能可以直接从拉拔试验中提取。拉拔试验装置如图1所示，包含尺寸为200x200x350毫米的混凝土试件。在这些棱柱中，嵌入了直径12毫米的钢筋，粘接长度为直径的四倍，选择这一长度是为保证延长度方向的恒定滑移。在测试过程中，突出的钢筋被加紧，由控制位移的万能试验机施加同心拉拔力，用线性电压-位移传感器(LVDT)测量了钢筋相对于混凝土的滑移 .测量滑移值后，通过减去所造成的钢筋应变的伸长率进行校正。
拉拔力
非粘结区
粘结区
混凝土试件
图1 抗拔试验装置
2.2.1.3.压缩应力应变试验
为了应用弯矩-转角法模拟混凝土软化，需要一个尺寸相关的应力-应变（R/E）关系。据陈等人，这可以根据剪切摩擦理论得出，在应力-三维轴向应变关系是已知的情况下。为了获得应力-三维轴向应变关系，一个直径100mm，高200mm的圆柱，由位移控制下的万能材料试验机施加压缩荷载，测试设置如图2所示。
线性电压位移传感器
压力荷载
混凝土试件
图2 应力-应变关系的压缩试验
2.2.2.弯曲梁试验
测试的梁的横截面如图3所示。整体的尺寸为宽150毫米高300毫米，保护层厚度25毫米，所有的梁被设计为下部钢筋受拉梁，并使用两种不同的配筋率如表2所示，如图3所示。直径6毫米的轻钢连接件中心距为75毫米，作为剪跨方向的抗剪加固。计算所用的梁长度为3300毫米，净跨3000毫米。所有的钢筋混凝土梁通过使用平衡装置在两点荷载作用下进行了测试，所有梁试样（图4）的荷载施加点间距固定为1000毫米。弯曲试验是用250吨万能试验机在速率10 kN /分钟负荷控制下进行，加载率一旦达到了预计的最大负荷70%，则为2毫米/分钟的位移控制。梁的跨中挠度通过一个连接线性电压-位移传感器（lvdt）的记录仪测量。过程中观察整个裂缝的发展，使用手持式显微镜按固定时间间隔测量裂缝宽度。
表2 梁的信息
|
梁的设计 |
受拉区钢筋面积 (mm2) |
受压区钢筋面积 (mm2) |
受拉钢筋配筋率 (mm2) |
|
S1-4T12 |
452 |
157 |
1.0 |
|
S2-4T12 |
452 |
157 |
1.0 |
|
S1-6T12 |
679 |
157 |
1.5 |
|
S2-6T12 |
679 |
158 |
1.5 |
图3 梁截面
图4 梁的设置
3.结果与讨论
3.1.材料性质的提取
3.1.1.力学性能
测试的OPSC试样的机械性能，如抗压强度、劈裂抗拉强度和弹性模量，见表3。在一般情况下，发现随着矿渣掺量的增加，OPSC的抗压强度，劈裂抗拉强度和弹性模量下降。这种现象是由于水泥置换造成的稀释效应，这在先前已经由Mo等人解释过。
表3 OPSC混凝土的抗压强度、劈裂抗拉强度和弹性模量
|
梁的类别 |
抗压强度(MPa) |
劈裂抗拉强度(MPa) |
弹性模量(GPa) |
|
S1-4T12 |
26 |
2.5 |
8.2 |
|
S2-4T12 |
19 |
2.3 |
5.5 |
|
S1-6T12 |
26 |
2.5 |
8.3 |
|
S2-6T12 |
23 |
2.3 |
7.0 |
3.1.2.局部粘结应力-滑移（的）关系
一同进行的拉拔试验试件的试验结果如图5 a~d所示，显示了和梁同一天进行的样本测试的结果。研究发现，粒化高炉矿渣粉取代水泥量的部分没有显着影响局部粘结应力-滑移关
图5 实验结果和改进后的粘结应力模型之间的比较
(图中实线为实验结果，虚线为模型结果，横轴为滑移量，纵轴为粘结应力)
图6 各种混合形式OPSC混凝土归一后的粘结应力与相对滑移关系
系，由图6曲线证明，这张图是在去掉了特异性点做归一化之后对抗压强度进行的比较。从这些实验数据，总结出了1-3三个等式来代表OPSC试件的局部粘结应力-滑移关系
式中Smax是最大粘结应力
fc0圆柱抗压强度
delta;1是最大粘结应力下的滑移（取1.0毫米）
tau;fric为残余粘结应力
这些方程是基于CEB-FIP MC90修饰键模型，类似Haskett等人提出的S /d曲线的的形状。图5a~d表明这种被改进过的粘结模型可以与弯矩-转角法的分析结合在一起，因为通过修饰后的试验获得的粘结应力-滑移关系在每种油棕榈壳混凝土组合中都具有一致性。
3.1.3.压缩应力-应变（r/e）的关系
所有圆柱体油棕榈壳混凝土试件的压缩应力-应变关系如图7所示，图8显示了两种不同组合下的曲线的比较。由图8的对比，发现粒化高炉矿渣粉替代水泥的量对压缩应力-应变关系中的参数有轻微的影响，例如压应力，弹性模量以及对应于峰值应力的应变。
图7 四种组成下实验结果与Popovics所得压应力-应变曲线的比较
(横轴为应变，纵轴为压应力，实线为实验结果，点状线为Popovics法所得结果)
图8 不同组成下4种试件压应力-应变曲线的对比
按Mo等人所说，利用Popovics 法得出压缩应力-应变曲线形状，取每个组合这些参数
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