超高韌性水泥基復(fù)合材料在高性能建筑結(jié)構(gòu)中的基本應(yīng)用

前言

自19世紀(jì)20年代波特蘭水泥問(wèn)世以來(lái)，混凝土材料以其卓越的建筑性能成為目前應(yīng)用最廣、使用最成功的結(jié)構(gòu)工程材料之一。近年來(lái)，我國(guó)建筑水泥用量已達(dá)到世界水泥使用總量的70％，每年有近20億m。的混凝土用于工程，成為我國(guó)大型工程建設(shè)應(yīng)用最廣泛的基本工程材料。從大型水利水電工程、港口工程、海洋工程、橋梁工程、地下工程、城市建筑工程到核電站工程乃至機(jī)械制造業(yè)的基礎(chǔ)工程，混凝土與鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)都是最主要的結(jié)構(gòu)形式。一直以來(lái)，混凝土自身材料性能方面存在著諸多的缺陷，如凝結(jié)與硬化過(guò)程中收縮變形大、抗拉強(qiáng)度低、抗裂能力差、脆性大、極限延伸率小以及抗沖擊性差等，給混凝土結(jié)構(gòu)的實(shí)際應(yīng)用帶來(lái)了許多質(zhì)量問(wèn)題。首先，混凝土結(jié)構(gòu)在極端荷載的作用下，如強(qiáng)烈地震、沖擊或爆炸荷載，易發(fā)生破碎破壞。混凝土結(jié)構(gòu)的這一特性對(duì)于大型水庫(kù)大壩、大型橋梁、核電設(shè)施等重要結(jié)構(gòu)的安全性能極為不利。同時(shí)，在正常工作荷載下，鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)易由于混凝土的開(kāi)裂、剝落而引發(fā)鋼筋銹蝕及其他相關(guān)問(wèn)題，而導(dǎo)致建筑物服役壽命縮短。這一問(wèn)題對(duì)于大壩泄洪建筑物、跨江海大型橋梁、港口碼頭、海洋工程設(shè)施等惡劣工作環(huán)境下的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)尤為突出。很多學(xué)者認(rèn)為，混凝土結(jié)構(gòu)裂縫問(wèn)題是一直未能很好解決的頑癥，是影響許多重大工程結(jié)構(gòu)耐久性降低和達(dá)不到設(shè)計(jì)使用壽命的一個(gè)突出問(wèn)題。材料的創(chuàng)新是土木工程結(jié)構(gòu)領(lǐng)域最帶有革命性的根本創(chuàng)新，是學(xué)科發(fā)展的制高點(diǎn)。高性能混凝土材料是當(dāng)前國(guó)際上的研究熱點(diǎn)，已連續(xù)召開(kāi)了5屆國(guó)際學(xué)術(shù)會(huì)議。目前研究趨勢(shì)已經(jīng)從傳統(tǒng)的被動(dòng)地研究材料和結(jié)構(gòu)的性能，如斷裂性能、抗震性能、可靠性、耐久性，過(guò)渡到主動(dòng)地根據(jù)工程需求研究出集多種高性能性質(zhì)于一身的高性能建筑結(jié)構(gòu)。因此，由包括高性能混凝土在內(nèi)的高性能結(jié)構(gòu)材料所建造的高性能建筑結(jié)構(gòu)是21世紀(jì)結(jié)構(gòu)工程學(xué)科發(fā)展的新方向，對(duì)于有效提高鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性和服役壽命具有重要的學(xué)術(shù)意義和工程應(yīng)用價(jià)值。根據(jù)國(guó)家對(duì)防災(zāi)減災(zāi)、節(jié)能、環(huán)境保護(hù)和可持續(xù)發(fā)展的迫切需求，需要從高性能材料和高性能結(jié)構(gòu)取得新的突破。國(guó)家自然科學(xué)基金委結(jié)構(gòu)工程學(xué)科十二五發(fā)展規(guī)劃中也將高性能結(jié)構(gòu)列為結(jié)構(gòu)工程學(xué)科重大項(xiàng)目研究方向。

內(nèi)容概要

本書以目前國(guó)際熱點(diǎn)研究的超高韌性水泥基復(fù)合材料(UHTCC)這一新型土木工程材料為出發(fā)點(diǎn)，首先回顧總結(jié)了自提出該材料的微觀設(shè)計(jì)原理以來(lái)，國(guó)內(nèi)外研究人員在其基本力學(xué)性能、耐久性、結(jié)構(gòu)應(yīng)用等方面的研究成果。接下來(lái)著重介紹了本書作者以南水北調(diào)工程重大關(guān)鍵技術(shù)研究及應(yīng)用項(xiàng)目為背景的研究成果——使用我國(guó)國(guó)產(chǎn)膠凝材料成功配制出的超高韌性水泥基復(fù)合材料在高性能結(jié)構(gòu)中的基本應(yīng)用(以彎曲構(gòu)件為例)。最后闡述了UHTCC材料在高性能建筑結(jié)構(gòu)中的發(fā)展前景。    本書可供從事土木水利、交通、鐵路、工業(yè)民用建筑領(lǐng)域的科學(xué)研究人員與工程技術(shù)人員，高等院校教師，博士碩士研究生以及大學(xué)本科高年級(jí)學(xué)生參考。

書籍目錄

前言第1章  緒論  1.1  研究背景與意義  1.2  超高韌性水泥基復(fù)合材料基本性能    1.2.1  超高韌性水泥基復(fù)合材料基本力學(xué)性能和材料特性    1.2.2  超高韌性水泥基復(fù)合材料的耐久性    1.2.3  具有特殊制備工藝和特殊性能的超高韌性水泥基復(fù)合材料  1.3  超高韌性水泥基復(fù)合材料在高性能建筑結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用研究簡(jiǎn)介    1.3.1  作為混凝土保護(hù)層提高耐久性    1.3.2  用于無(wú)伸縮縫橋面板的連接板等承受大變形構(gòu)件    1.3.3  作為耗能材料提高結(jié)構(gòu)抗震性    1.3.4  新型結(jié)構(gòu)形式    1.3.5  結(jié)構(gòu)物的修復(fù)  1.4  本書主要內(nèi)容和目的第2章  纖維編織網(wǎng)增強(qiáng)超高韌性水泥基復(fù)合材料試驗(yàn)研究  2.1  引言  2.2  試驗(yàn)過(guò)程    2.2.1  試驗(yàn)材料    2.2.2  試驗(yàn)方案    2.2.3  試件制作和試驗(yàn)方法  2.3  等效彎曲應(yīng)力-跨中撓度曲線  2.4  開(kāi)裂形態(tài)分析  2.5  拔出試驗(yàn)分析第3章  鋼筋增強(qiáng)超高韌性水泥基復(fù)合材料(RUHTCC)受彎構(gòu)件理論計(jì)算模型  3.1  引言  3.2  材料力學(xué)模型與基本假定    3.2.1  材料力學(xué)模型    3.2.2  基本假定  3.3  RUHTCC構(gòu)件正截面受彎承載力計(jì)算模型    3.3.1  RUHTCC構(gòu)件正截面受彎過(guò)程分析    3.3.2  RUHTCC適筋構(gòu)件正截面受彎彎矩一曲率關(guān)系    3.3.3  RUHTCC受彎構(gòu)件撓度驗(yàn)算    3.3.4  RUHTCC受彎構(gòu)件延性指標(biāo)第4章  鋼筋增強(qiáng)超高韌性水泥基復(fù)合材料(RUHTCC)長(zhǎng)梁試驗(yàn)研究及結(jié)果分析  4.1  引言  4.2  試件制備    4.2.1  試驗(yàn)材料    4.2.2  試件形式    4.2.3  試件澆筑  4.3  試驗(yàn)過(guò)程  4.4  理論計(jì)算模型的試驗(yàn)驗(yàn)證及討論    4.4.1  平截面假定應(yīng)用于RUHTCC梁計(jì)算分析的試驗(yàn)驗(yàn)證    4.4.2  鋼筋與UHTCC變形協(xié)調(diào)的驗(yàn)證    4.4.3  起裂荷載的確定    4.4.4  理論計(jì)算模型的驗(yàn)證  4.5  縱筋配筋率對(duì)長(zhǎng)梁彎曲性能的影響  4.6  RUHTCC梁與鋼筋混凝土梁的比較  4.7  裂縫控制第5章  鋼筋增強(qiáng)超高韌性水泥基復(fù)合材料(RUHTCC)受彎構(gòu)件簡(jiǎn)化計(jì)算及影響因素分析  5.1  引言  5.2  簡(jiǎn)化計(jì)算方法    5.2.1  彎矩    5.2.2  曲率延性系數(shù)    5.2.3  變形    5.2.4  界限配筋率    5.2.5  最小配筋率  5.3  RUHTCC適筋梁影響因素分析    5.3.1  幾何尺寸    5.3.2  材料參數(shù)    5.3.3  縱筋配筋率  5.4  RUHTCC受彎構(gòu)件設(shè)計(jì)建議第6章    超高韌性復(fù)合材料控裂功能梯度復(fù)合梁(UHTCC-FGC)彎曲性能理論分析  6.1  引言  6.2  基本假定  6.3  UHTCO-FGC梁正截面受彎階段分析    6.3.1  第一階段：彈性階段    6.3.2  第二階段：起裂后至鋼筋屈服的帶裂縫工作階段    6.3.3  第三階段：鋼筋開(kāi)始屈服至截面破壞階段  6.4  起裂、屈服及極限狀態(tài)承載力計(jì)算    6.4.1  起裂時(shí)承載力計(jì)算    6.4.2  鋼筋屈服時(shí)承載力計(jì)算    6.4.3  極限承載力計(jì)算  6.5  UHTCC-FGC梁正截面受彎彎矩一曲率關(guān)系的確定  6.6  截面延性指標(biāo)  6.7  UHTCC-FGC梁撓度驗(yàn)算第7章  超高韌性復(fù)合材料控裂功能梯度復(fù)合梁(UHTCC-FGC)四點(diǎn)彎曲試驗(yàn)研究  7.1  引言  7.2  試驗(yàn)過(guò)程    7.2.1  試驗(yàn)材料    7.2.2  試件設(shè)計(jì)    7.2.3  試件制備    7.2.4  加載方案  7.3  鋼筋與UHTCC(或混凝土)的變形協(xié)調(diào)性  7.4  彎矩-曲率與荷載-跨中撓度關(guān)系試驗(yàn)曲線  7.5  UHTCC控裂功能梯度復(fù)合梁與普通鋼筋混凝土梁的對(duì)比  7.6  裂縫發(fā)展與裂縫寬度控制    7.6.1  起裂荷載的確定    7.6.2  裂縫寬度發(fā)展與開(kāi)裂形態(tài)  7.7  控裂功能梯度復(fù)合梁中UHTCC最佳厚度分析第8章  超高韌性水泥基復(fù)合材料在高性能建筑結(jié)構(gòu)中的發(fā)展前景參考文獻(xiàn)附錄  主要符號(hào)含義

章節(jié)摘錄

插圖：南水北調(diào)工程是我國(guó)在建的大規(guī)模跨流域調(diào)水工程，涉及領(lǐng)域廣，工程技術(shù)難題極具挑戰(zhàn)性，對(duì)社會(huì)和國(guó)民經(jīng)濟(jì)具有重大的影響。僅以中線工程為例，全長(zhǎng)1267km，跨越大小河流160余條，需新建各類交叉建筑物如長(zhǎng)距離輸水隧洞、大型輸水渡槽、涵洞、倒虹吸、橋梁等1800多座（陳厚群，2003）。任一重要環(huán)節(jié)的安全性對(duì)整個(gè)輸水工程的安全運(yùn)行都至關(guān)重要?；炷敛牧鲜悄壳皯?yīng)用最廣泛的結(jié)構(gòu)工程材料之一，直接影響著工程安全、經(jīng)濟(jì)和耐久性能?；炷潦褂玫乃?、沙、石等基本原料是不可再生自然資源，超量使用會(huì)嚴(yán)重污染環(huán)境，破壞國(guó)土資源及植被，對(duì)環(huán)境和生態(tài)有著深遠(yuǎn)的影響。根據(jù)以往工程實(shí)例，混凝土開(kāi)裂現(xiàn)象比較普遍，由于其自身缺乏高延性導(dǎo)致極端荷載下的脆性破壞、因耐久性不足引起的正常荷載下破壞以及缺乏可持續(xù)性等方面的不足限制了該材料的應(yīng)用（Li，2007）。而工程結(jié)構(gòu)性能隨時(shí)間退化及其對(duì)使用壽命的影響這一重要問(wèn)題也引起了國(guó)內(nèi)外工程界的廣泛關(guān)注（陳肇元等，2002）。特別是我國(guó)大量使用的低質(zhì)量混凝土材料所導(dǎo)致的結(jié)構(gòu)普遍開(kāi)裂、進(jìn)而鋼筋銹蝕的現(xiàn)象，使得結(jié)構(gòu)的耐久性進(jìn)一步嚴(yán)重降低，由于遠(yuǎn)遠(yuǎn)達(dá)不到其設(shè)計(jì)壽命要求，這些結(jié)構(gòu)的重建又會(huì)造成新一輪資源耗費(fèi)。

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《超高韌性水泥基復(fù)合材料在高性能建筑結(jié)構(gòu)中的基本應(yīng)用》由科學(xué)出版社出版。

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