高强陶粒混凝土抗震性能研究.pdf

4 2 低温建筑技术 2 0 1 0 年第 3期( 总第 1 4 1 期) 高强陶粒混凝土抗震性 能研 究 张广成 ， 彭桂蒸 ， ( 1 青岛华拓电力设计有 限公司 。 山东青岛2 6 6 0 3 1 ： 单礼会 ， 张纪刚 2 青 岛理工大学 土木工程学院。 山东青岛2 6 6 0 3 3 ) 【 摘要】 主要通过试验和有限元分析方法， 对高强陶粒混凝土和普通混凝土进行了性能对 比分析， 并对其 抗震性能进行了研究。研究结果表明， 这种高强陶粒混凝土由于密度小， 质量轻， 弹性模量低 ， 在地震荷载作用下 所受的地震力小， 对冲击能量吸收快 ， 抗震性能好于普通混凝土， 可替代普通混凝土。 【 关键词】 陶粒混凝土； 抗震性能； 时程分析； A N S Y S 【 中图分类号】 T U 5 2 8 2 【 文献标识码】 B 【 文章编号】 1 0 0 1 6 8 6 4 2 0 1 0 ) 0 3 0 0 4 2 0 3 随着建筑技术的发展， 建筑物趋向高层化和大型 化， 因此， 减轻高层建筑和大跨度构件的 自重 ， 提高建 筑物抗震性能已显得十分重要， 急需一种替代普通混 凝土且 抗震 性能 好 的建筑 材料 L 1 J 。陶粒 是利用 废料 烧制而成 ， 且 陶粒混 凝土 具有 轻质 、 抗震性 能好 的特 点。它与普通混凝土不同之处在于骨料 中存在着大 量 的孔隙 ， 这些孔 隙存在赋予它许多优越 的性能。 1 陶粒混凝土的优越性 ( 1 ) 轻质高强。陶粒混凝土的表观密度一般为 8 0 01 9 5 0 k g m3 ，结构用陶粒混凝土表观 密度为 1 4 0 0 1 9 5 0 k g m3 ，比普通混凝土轻 2 0 一 4 0 ， 强度可达普通 混凝土常用强度等级 C 1 5 一C 5 0 ， 甚至更高； 用作墙体的 结构保温陶粒混凝土强度可达 C L 5 C L 1 5 5 】 ， 表观密度 只有 8 0 0 1 2 0 0 k g m 3 ， 比普通砖墙轻 3 0 5 0 。 ( 2 ) 抗震性能强 。陶粒t 昆 凝土由于密度小 ， 质量 轻， 弹性模量低l 2 , 3 J ， 在地震荷载作用下所受的地震力 小， 震动波的传递速度也较慢， 对冲击能的吸收快 ， 减 震效果显著。若不仅在承重结构采用陶粒混凝土， 在 围护结构中也采用陶粒混凝土， 则可以大大减轻建筑 物的质量， 其抗震效果将更显著。 ( 3 ) 耐火性能好。陶粒混凝土由于导热系数低， 热阻值大， 在高温作用下， 温度由表及里的传递速度 将大大减慢， 可保护钢筋， 其耐火极 限时间可达 3 4 h 。对同一耐火等级 的构 件来说 ， 钢筋 陶粒混凝 土板 的厚度可比普通混凝土减薄 2 0 一3 0 。 ( 4 ) 保温性能好。表观密度为 8 0 01 4 0 0 k e C m 的陶粒混凝土是一种性能 良好的墙体材料， 其导热系 数 0 2 3 0 9 5 W m K ， 仅为普通混凝土导热 系数 的 1 6 2 3 。与土砖 墙相 比， 其 陶粒 混凝土不 仅强度 高 ， 整 体性能好， 而且保温性能也很好， 可比普通墙体的厚 度及重量减少 一半 左 右。用 超轻 陶粒 混凝 土制 成 的 多排孑 L 小砌块 ， 其技术经济效果更为显著。 2 陶粒混凝土实验配合 比设计 目前 ， 我 国 轻集料 混凝 土技 术规程 中规 定 的轻 基金项目】 山东省博士后科研项 目 择优资助项目( 2 O O 7 O 3 0 0 4 ) 集料混凝土的配合 比设计方法有绝对体积法和松散 体积法_ 4 J 。本试验采用的是绝对体积法- 6 计算各组 成材料 的用量 ， 即假定每 1 m 3 轻 集料混凝 土 的绝对 体 积为各组成材料绝对体积总和的配合比设计方法。 为了找出7 0 0 级粘土陶粒配制大流动性高性能轻 集料混凝土的最佳配合比， 我们设计了9 组正交试验。 陶粒混凝 ， 普通混凝土试验配合比见表 i 。 表 1 陶粒 普通混凝土正交试 验配合比 k g m 注 ： 用水量是通过 控制混凝 土拌和物 坍落度在 1 8 02 2 0 n m 而 确定。 绝对体积法设计 的陶粒 、 普通 混凝 土 9组 正交 配 合 比可以看出 ， 每组 配合 比中陶粒 的重量 比石 子 的重 量减少 了 5 0 以上 ， 从而大大减轻 了混凝 土的重量。 3 试验数据统计及分析 对用绝对体积法设计的两种混凝 土的 9组正交配 合 比进行 了试验 ， 数据见表 2 。 通过表 2的试验数据可以看出， 按绝对体积法设 计的 陶粒混凝土和普通混凝 土塌 落度几 乎 没有 变化 ， 3 d 、 7 d和2 8 d 的陶粒混凝土强度比普通混凝土的强度 减少 3 0 左 右 ， 但其强度值 已经达 到普 通 混凝 土 C 5 0 的强度 ， 也满足工程的需要 ； 3 天 的抗压强 度平 均值 陶 粒混凝 土比普通混凝土减少 3 0 4 ， 7 d 抗 压强 度平 均 张广成等 ： 高强陶粒混凝土抗震性能研究 4 3 值 陶粒混凝 土 比普通混 凝 土减少 2 9 0 ， 2 8 d 抗 压强 度平均值 陶粒混凝 土 比普通混 凝土减 少 2 6 8 ， 从 以 上规律 可以看 出陶粒 混凝 土和 普通 混凝 土 的抗 压强 度随着龄期的增长， 陶粒混凝土的后期强度增长好于 普通混凝土。而每 方 陶粒 混凝 土 的重 量 比普 通混 凝 土的重量平均值减小 3 2 1 ， 如果应用于建筑中， 会 大大减少结构 自重。用陶粒混凝土做建筑保温墙体， 可降低墙体 自重 3 0 5 0 。高层建筑采用轻集料 陶粒混凝土， 仅楼板一项即能降低建筑物 自重 1 5 一 1 6 。另外 可减少劳 动强度 2 0 ， 减少材 料运输 重量 3 0 4 0 ， 降低工程造价 1 0 。仅此一项 ， 陶粒混凝 土就具有 了广 阔的开发前景 。 表 2 普通混凝土 陶粒混凝土 ： 4 。 2 - 2 - 6 4 8 0 6 0 4 0 晏2 o 魁0 一 2 0 最 4 o 一 6 o 一 8 0 1 0 0 ( a ) 一层位移 时间， 目 ( c ) 一层加速度 4抗震性能研究 针对某 8 度 区实际框架结构 ， 采用 了两条地震波 ： 天津波和 E l c e n t r o 波 ， 分别采用普通混凝土框架模 型 和轻骨料 陶 粒混 凝 土框 架模 型 ， 进 行 了时 程分 析 ， 分 析了在 8 度区罕遇地震下普通混凝土框架结构和轻骨 料陶粒混凝土框架结构的抗震性能。取 1 层转换梁和 层间位移较 大的 5层、 7层和 1 l 层 的位移 和加速度进 行分 析 ， 分析结果见表 3 。 表 3 轻 骨料陶粒混凝土抗震性能对比分析 l l c e n t r o 波 天津波 层问位移 加速度 层问位移 加速度 I r ma| l i ma| 1 层 5 3 1 8 6 6 6 5 层 1 1 8 2 8 6 1 4 2 7 层 1 6 1 3 7 9 1 9 5 l l 层 1 9 2 4 7 1 2 3 2 1 层4 4 ( 2 0 1 ) 1 7 0 ( 9 4 ) 5 0 ( 3 2 O ) 5 层9 5 ( 2 4 2 ) 2 7 2 ( 5 1 ) 1 0 9 ( 3 0 3 ) 7 层1 3 5 ( 1 9 3 )4 0 1 ( 一5 5 )1 5 0 ( 3 0 O ) l 1 层 1 6 4 ( 1 7 1 )5 0 6 ( 一6 9 )1 7 7 ( 3 1 1 ) 8 7 1 9 2 4 3 3 3 8 4 ( 3 6 ) l 9 2 ( O ) 2 6 6 ( 3 O ) 3 2 5 ( 2 5 ) 注 ： 括号 内数字 为减震效果 选择框 架结构第 一层 和第 十一层进 行对 比分析 ， 对比分析在这两条地震波地震作用下， 普通混凝土和 陶粒混凝土的位移和加速度的大小。 2 5 2 0 1 5 目 1 0 5 憾0 一 5 一 l 0 一l 5 2 0 图1 在天津波下反应 曲线对比图 通过表 3和图 1 可以看出， 陶粒混凝土框架结构和普 通混凝 土框架 结 构相 比， 在 F J c e n t m波 和天 津 波作用 下， 各层加速度减少效果不明显， 局部还有稍微增大 现象， 但层位移减少效果明显 ， E l e e n t r o 波作用下， 层位 3 0 0 2 0 o 甚 o 0 氲 。 幽 一 l O O 一2 o 0 3 0 0 牝Io 时间， s ( b ) 十一层 位移 一 o 5 1 0 1 5 2 O 时间， s ( d ) 十一层加速度 移减少最大 2 4 2 ， 在天津波作用下层位移减少最大 达到 3 2 0 ， 层位移的减少对结构破坏起到非常有利 的作用 ， 很大程度上减少地震作用下结构破坏。 普通混凝土框架 陶粒混凝土框架 低温建筑技术 2 0 1 0年第 3 期 ( 总第 1 4 1 期) 近海风机塔架风 浪荷载及其响应分析 陈为飞， 陈水福 ( 浙江大学建筑工程学院结构工程研 究所 。 杭州3 1 0 0 5 8 ) 【 摘要】 研究风暴潮环境下近海风机塔架所承受的风、 浪、 海流动力荷载的数值模拟与计算， 探讨在这些 动力荷载作用下风机塔架的位移及基底内力响应的变化规律。联合运用了快速傅立叶变换( r r r ) 方法和谐波叠 加法进行脉动风的模拟 ， 再由 M o r i s o n 方程计算浪和流荷载。算例分析表明， 在风暴潮环境下， 风机塔架的塔底水 平力与倾覆力矩较大， 通过调整角度降低叶片的迎风面积， 可在一定程度上减小叶片上的风荷载， 降低塔底最大 主应力； 在风荷载和浪流荷载的作用中， 塔底弯矩主要由前者引起， 而后者对塔底水平力的贡献较大。 【 关键词】 风机； 风荷载； 波浪荷载； 风暴潮； 动力响应 【 中图分类号】 3 7 0 3 1 1 3 【 文献标识码】 B 【 文章编号】 1 0 0 1 一 ( 2 mo ) o 3 0 o 4 4 0 3 我国近海风能资源十分丰富， 据测算其储量约达 7 5 亿 k WE ， 为陆上储量的 3 倍。近海风力发电具有 风力持久稳定、 风 能产量更 高、 受 环境影 响小等 特点 ， 已成为我 国风 电发展 的新 趋 势。 目前 我 国 已建 成 上 海东海 大桥海上风 电场一期 工程 ， 正在或 即将建设 的 项 目还有很多L 2 J 。 尽管近海风电场具有诸多优势， 但是与陆上风电 场相 比 ， 近海风电场所受 的极 端环境荷载 更加恶 劣和 复杂 ， 其中最为典型的极端荷载就是风暴潮荷载。当 风暴潮恰与天文大潮相遇时 ， 其破坏力将更 大。因此 ， 研究风 暴潮 等极 端 环境 下 近 海风 机 承 重 构架 的 风、 浪、 潮流荷载及其响应， 对保障风电机组 的结构安全 具有 十分重大和现实的意义。 1 荷载计算 风暴潮环境 下作 用在 近海 风机 塔架 上 的荷 载主 要有 风荷载 、 浪荷载和潮 流荷载。首先运 用风速 谱及 相关的模拟方法进行脉动风风速时程的模拟， 然后根 据流体力学方法， 计算作用于风机塔架上 的风荷载时 程 ； 而波浪力 的计 算则采用波浪模 拟法并结 合 M o r i s o n 方程实现。 1 1 风荷载的计算 动风两部分。假设来流风中的脉动部分符合沿高度 变化 的 S i m i u 谱 ： |s = ( 1 ) 式中， f =n z v ( ： ) ， 为脉动风频率( H z ) ； 为相 对地面的高度； ( z ) 为 高度处的平均风速； 为风 的流动剪切速度， 2 *= ， K值取0 0 0 2 。 本文联合运用快速傅立叶变换( F F r ) 方法和谐波 叠加 法进行脉动风 的模拟 ， 获得 脉动风时 程的样本 曲 线。设 c c ， 和 k 为截取频率的上限和下限， 为正整 数， 设为充分大， 则考虑一组 m处不同高度的风速时 程 ( f ) ( J =1 ， 2 ， ， m ) ， 可用 下式表示l 8 J ： ( ) ： R e ( p t ) e x p ( 器 ) 】 )( 2 ) 式中， R e 为复数取实部函数， =( c c ， 一 k ) I N， M= 2 7 r ( 幽 ) 为整数 ； P=1 ， 2 ， ， M一1 ； _ =1 ， 2 ， ， m； G ； ( p a t ) 可用 F F r 方法求得， 参见文献 9 。 得到总风速 的时程 曲线之后 ， 可用下 式计算 作用 于风机塔架 上的风荷载时程曲线 ： F ( ： ， ) = D c d V 2 ( z ， t ) A ( 3 ) 在风的顺风向时程曲线中， 风速包括平均风和脉 式中， j0为空气密度， 取值为 1 2 2 5 k g m 3 ； A为有 基金项目】 国家高技术研究发展计划( 8 6 3 计划) 资助项 目( 2 0 0 7 A A 0 5 Z 4 2 7 ) 参考文献 1 李秋义， 王志伟， 李云霞， 田砾 海泥陶粒制备高性能轻集料混 凝土的试验研究 J 材料科学 与工艺 ， 2 0 0 8 ， 1 6 ( 4 ) ： 5 4 75 5 0 2 任洪涛， 祖亚丽， 任泽民， 刘平 轻骨料混凝土剪力墙抗震性能 的试验研究 J 河j E 工业大学学报 ， 2 0 0 7 ， 3 6 ( 3 ) ： 9 4 9 8 3 王海龙， 申向东 轻骨料混凝土早期力学性能的试验研究 J 硅酸盐通报， 2 0 0 8 ， 2 7 ( 5 ) ： 1 0 1 8 1 0 2 2 4 J G J 5 1 2 O O 2 ， 轻骨料混凝土技术规程 s 5 J G J 1 2 9 9 ， 轻骨料混凝土结构设计规程 s 6 张弘强， 王_ 5 彬， 魏拓， 徐原庆 粉煤灰陶粒混凝土配合比的正 交实验研究 J 森林工程 ， 2 0 0 8 ， 2 4 ( 6 ) ： 7 2 7 3 收稿 日期 2 0 0 91 2 0 8 作者简介】 张广成( 1 9 7 9 ) ， 男， 河北人， 工程师， 现从事建筑 结构设计工作。 ( 编辑王亚清)