纤维高性能混凝土筒体构件高温性能研究

论文摘要

隧道火灾具有升温剧烈、温度高的特点,严重威胁人民生命和财产的安全。对于隧道衬砌结构的耐火性能设计,一方面需要考虑高温造成的材料性能劣化,另一方面还要考虑剧烈升温导致的温度应力,衬砌的严重变形和开裂同样危害隧道的安全性。有鉴于此,本文针对纤维高性能混凝土筒体在高温冲击下的性能,结合国家自然科学基金项目:纤维混凝土/喷射混凝土在循环高温作用下的力学性能(50278013),主要包括以下内容:1、进行了纤维高性能混凝土工作性的试验研究。研制了具有较高工作性的高性能混凝土;分析了不同类型及掺量的钢纤维、聚丙烯纤维和混杂纤维对高性能混凝土振前、振后坍落流动度的影响,聚丙烯纤维和混杂纤维对高性能混凝土的工作性有显著的降低作用,但可通过少量振动加以缓解;以保证筒体浇筑的顺利完成。2、对高温前后纤维高性能混凝土的抗压强度和弹性模量进行了试验研究。PP纤维对400℃高温后抗压强度的影响较明显;高温对混凝土弹性模量的影响大于抗压强度。3、在总结普通混凝土热工性能的基础上,对高温下纤维高性能混凝土的热膨胀性能进行了试验研究。研究表明,混杂纤维可明显减小高性能混凝土的热膨胀变形,为实际工程使用混杂纤维降低混凝土结构在高温冲击下的温度应力提供了依据。给出了纤维高性能混凝土高温下自由热应变的计算式和平均热膨胀系数,可作为相应结构高温行为分析的计算参数。4、针对隧道火灾的高温冲击特点,自行设计了明火高温试验系统并改装了高温位移传感器,研制出适合进行筒体耐高温冲击性能研究的明火高温试验系统。研究了高温冲击下筒体温度场、变形的特点和变化规律:结合温度应力的有限元计算,研究了温度、变形和应力之间的关系;给出了开裂前筒外壁径向位移的简化计算式。5、分析了不同纤维对筒体高温变形及高温后筒外壁裂缝形态的影响,混杂纤维可限制筒体的高温变形,减小高温后的裂缝宽度,使高温后筒体的裂缝分布“多、细、密”,因而可提高筒体的耐高温冲击性能。6、确定高温(火灾)时混凝土构件内部的温度场是研究构件及结构高温力学行为的基础。基于试验结果,应用ANSYS软件对筒壁的瞬态温度场进行了有限元分析,同时探讨了选取不同热工参数及对流换热系数对计算结果的影响。7、以温度场分析为基础,对高温冲击下筒壁开裂前的变形和温度应力进行了有限元分析,总结了筒壁温度应力分布及其随温度的变化规律,分析了筒壁开裂时的应力状态。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 研究背景
• 1.2 纤维高性能混凝土
• 1.2.1 高性能混凝土
• 1.2.2 纤维混凝土
• 1.2.3 纤维高性能混凝土
• 1.3 混凝土结构高温性能研究发展史
• 1.4 混凝土结构高温性能研究概况
• 1.4.1 混凝土材料的高温性能
• 1.4.2 构件内部的温度场
• 1.4.3 结构及构件的高温力学行为
• 1.4.4 纤维高性能混凝土的高温性能
• 1.5 研究中存在的主要问题
• 1.6 主要研究内容
• 2 纤维高性能混凝土的原材料、配合比和工作性
• 2.1 主要原材料
• 2.2 纤维高性能混凝土的配合比
• 2.3 新拌纤维高性能混凝土的工作性（Workability）
• 2.3.1 工作性评价方法介绍
• 2.3.2 新拌纤维高性能混凝土工作性的试验结果
• 2.4 小结
• 3 纤维高性能混凝土高温前后的抗压强度和弹性模量
• 3.1 引言
• 3.2 试验概况
• 3.2.1 原材料及试件
• 3.2.2 试验设备及方法
• 3.3 试验结果与讨论
• 3.3.1 纤维高性能混凝土高温前后的轴心抗压强度
• 3.3.2 纤维高性能混凝土高温前后的弹性模量
• 3.4 小结
• 4 纤维高性能混凝土的热工性能
• 4.1 引言
• 4.2 普通混凝土的热工性能
• c'>4.2.1 导热系数λ_c
• c和质量密度ρ_c'>4.2.2 比热c_c和质量密度ρ_c
• c'>4.2.3 热膨胀系数α_c
• 4.3 纤维高性能混凝土的热膨胀性能
• 4.3.1 试验概况
• 4.3.2 试验结果与讨论
• 4.4 小结
• 5 纤维高性能混凝土筒体耐高温冲击性能试验研究
• 5.1 引言
• 5.2 试验概况
• 5.2.1 构件形式、原材料及制作
• 5.2.2 高温试验系统及仪器设备
• 5.2.3 高温制度
• 5.3 试验的宏观现象
• 5.4 筒壁温度场
• 5.5 高温变形
• 5.5.1 高温变形的总体规律
• 5.5.2 不同纤维对筒体高温变形的影响
• 5.5.3 开裂前筒体高温变形的近似计算
• 5.6 裂缝形态
• 5.7 小结
• 6 筒体构件筒壁瞬态温度场有限元分析
• 6.1 引言
• 6.2 瞬态温度场的热传导方程及定解条件
• 6.3 二维瞬态非线性温度场分析方法
• 6.3.1 差分法
• 6.3.2 有限元-差分混合法
• 6.4 凝土筒壁非线性瞬态温度场计算
• 6.4.1 基本假定、结构模型和定解条件
• 6.4.2 混凝土热工参数选取
• 6.4.3 筒壁瞬态温度场计算
• 6.4.4 讨论
• 6.5 小结
• 7 高温下筒体构件结构反应有限元分析
• 7.1 引言
• 7.2 计算假定和参数选取
• 7.2.1 计算假定
• 7.2.2 参数选取
• 7.3 ANSYS热-结构耦合分析过程
• 7.3.1 热分析
• 7.3.2 结构分析
• 7.4 筒体构件高温反应
• 7.4.1 径向位移
• 7.4.2 应力
• 7.5 小结
• 8 结论与展望
• 8.1 本文主要结论
• 8.2 需要进一步研究的问题
• 参考文献
• 附录A 筒体构件筒壁的温度-时间曲线
• 附录B 筒体构件筒外壁的径向位移时程曲线
• 附录C 高温后筒体外壁裂缝的部分试验照片
• 创新点摘要
• 攻读博士学位期间发表学术论文情况
• 致谢