高等混凝土復(fù)習(xí)題

1、高等混凝土結(jié)構(gòu)理論復(fù)習(xí)題一 、在鋼筋混凝土受剪構(gòu)件的力學(xué)性能分析中，推導(dǎo)內(nèi)力臂Z為，式中:I為慣性矩，So為截面面積。二 、簡(jiǎn)要說(shuō)明混凝土結(jié)構(gòu)抗彎強(qiáng)度理論的基本假定。三、描述混凝土結(jié)構(gòu)的碳化機(jī)理及影響因素?；炷潦且环N多孔的結(jié)構(gòu)材料，其內(nèi)部存在著大量的微孔，這些微孔大多通過(guò)直接或間接的方式連通?；炷帘┞对谑彝鈺r(shí)，空氣中的CO2 滲透入混凝土的表面以及微孔中，在有水存在的情況下，與其中的堿性物質(zhì)Ca(OH)2 和C-S-H 凝膠等發(fā)生反應(yīng)，生成CaCO3 和H2O，是在氣相、液相和固相中進(jìn)行的一個(gè)復(fù)雜的多相連續(xù)的物理化學(xué)過(guò)程。碳化的結(jié)果，一方面，生成的CaCO3 和其它固態(tài)物質(zhì)堵塞在混凝土孔隙

2、中，使混凝土的孔隙率下降，大孔減少，從而減弱了后續(xù)的CO2 的擴(kuò)散，使混凝土的密實(shí)度增加，強(qiáng)度得以提高；而另一方面，孔隙水中的Ca(OH)2 濃度以及pH 值降低，導(dǎo)致鋼筋鈍化膜破壞，會(huì)引起鋼筋銹蝕。材料因素（1）水灰比水灰比是決定混凝土孔結(jié)構(gòu)與孔隙率的主要因素，其中游離水的多少還關(guān)系著孔隙飽和度（孔隙水體積與孔隙總體積之比）的大小。由于CO2 的擴(kuò)散是在混凝土內(nèi)部的氣孔和毛細(xì)孔中進(jìn)行的，水灰比在一定程度上決定了CO2 的散系數(shù)，因此是混凝土碳化速率的主要影響因素之一。一般說(shuō)來(lái)，水灰比增大，混凝土的孔隙率就增大，CO2的擴(kuò)散系數(shù)增加，混凝土的碳化速率加大。（2）水泥的品種與用量水泥的品種決定著

3、各種礦物成分在水泥中的含量，水泥的用量決定著單位混凝土中水泥熟料的多少，兩者加起來(lái)決定了水化后單位體積混凝土中水化產(chǎn)物的含量，即有多少可以碳化的物質(zhì)。因此可以看出，水泥的品種與用量也是影響混凝土碳化的主要因素之一。另外，水泥的品種不同，混凝土的滲透性能也不同，對(duì)混凝土的碳化速率也有一定的影響。試驗(yàn)表明，在快速試驗(yàn)條件下，礦渣水泥混凝土的碳化比一般普通硅酸鹽水泥混凝土快1020，在室外暴露條件下快5090。在水泥品種確定的情況下，水泥用量越大，單位體積混凝土中可碳化的水化產(chǎn)物就越多，可以消耗的CO2 也就越多，從而碳化速率也就越小。（3）骨料的品種及粒徑骨料粒徑的大小對(duì)骨料水泥漿粘結(jié)有很大的影響

4、，而骨料水泥漿的界面有一個(gè)過(guò)渡層，過(guò)渡層內(nèi)結(jié)構(gòu)疏松，孔隙較多。不同骨料，不同的粒徑對(duì)界面層有影響，自然也會(huì)影響CO2 的擴(kuò)散，從而對(duì)混凝土的碳化速率造成影響。一般說(shuō)來(lái)，骨料的粒徑太大會(huì)使得其與水泥漿結(jié)合較差，粒徑太小又會(huì)使結(jié)合面的面積增大，因此，只有選擇較為合適粒徑的骨料，才會(huì)使碳化速率小。另外，具有堿活性的骨料在混凝土的養(yǎng)護(hù)過(guò)程中會(huì)發(fā)生堿骨料反應(yīng)，消耗Ca(OH)2，從而使碳化速率加快。（4）混凝土摻合料在普通水泥混凝土中，摻入粉煤灰后，由于水泥中的熟料量相應(yīng)的減少了，致使混凝土吸附CO2 的能力降低，但同時(shí)，由于粉煤灰混凝土的早期強(qiáng)度比較低，孔結(jié)構(gòu)差，加速了CO2 的擴(kuò)散速度，從而使得碳化

5、速度加快。Pagataki 研究了砂漿與混凝土中摻加粉煤灰對(duì)碳化的影響，結(jié)果表明，當(dāng)粉煤灰摻量為10、20和30時(shí)的混凝土的碳化速率與不摻粉煤灰的混凝土相比，其碳化速率分別提高了1.06、1.13 和1.19 倍。（5）外加劑混凝土中加了減水劑后，能直接減少用水量；摻引氣劑能使混凝土中的毛細(xì)孔形成封閉的互不連通的氣孔，切斷毛細(xì)管的通路，兩者都可以使CO2 的擴(kuò)散系數(shù)顯著減小，從而大大降低混凝土的碳化速率。（6）混凝土自身的強(qiáng)度混凝土的強(qiáng)度是其最基本的性能指標(biāo)，也是衡量混凝土品質(zhì)的綜合參數(shù)，它能反映密實(shí)度、孔隙率的大小，因此也能宏觀的反映其抗碳化性能?？偟恼f(shuō)來(lái)，混凝土強(qiáng)度越高，內(nèi)部結(jié)構(gòu)越致密，碳

6、化速率就越小.環(huán)境因素（1）CO2 的濃度環(huán)境中的CO2 濃度越大，混凝土內(nèi)外CO2 的濃度梯度就越大，CO2 向混凝土內(nèi)部擴(kuò)散的動(dòng)力也就越大，越容易擴(kuò)散進(jìn)混凝土孔隙中；同時(shí)，CO2 的濃度越大，發(fā)生碳化的各個(gè)反應(yīng)的反應(yīng)速度就越大。因此，CO2 的濃度也是決定混凝土碳化速率的一個(gè)重要因素。一般來(lái)講，大氣中的CO2 濃度較低，鄉(xiāng)村約為0.03，城市約為0.04，碳化速度近似與CO2 的平方根成正比。（2）相對(duì)濕度環(huán)境濕度對(duì)混凝土的碳化速率有著比較大的影響。相對(duì)濕度決定著混凝土孔隙水飽和度的大小，它一方面影響CO2 的擴(kuò)散速率，另一方面影響碳化化學(xué)反應(yīng)的進(jìn)行（混凝土的碳化的化學(xué)反應(yīng)均需在溶液中或溶

7、液和固體的接觸面上進(jìn)行）。若是在濕度較?。春芨稍铮┒鳦O2 濃度又較大的情況下，雖然CO2 的擴(kuò)散較快，但由于提供反應(yīng)的溶液較少，碳化速率還是較慢；濕度較高時(shí)，混凝土的含水率較高，微孔中充滿了水，阻礙了CO2 氣體在混凝土中的擴(kuò)散，碳化速率也較慢。研究表明，相對(duì)濕度在7080左右的中等濕度時(shí)，碳化速率最快。（3）溫度溫度對(duì)化學(xué)反應(yīng)的影響通常用Arrhenius 方程來(lái)表示，即：k=Zexp(-Ea/RT)其中，k化學(xué)反應(yīng)的反應(yīng)速率常數(shù)；Z活化能；R氣體常數(shù)；T絕對(duì)溫度。對(duì)于一般的化學(xué)反應(yīng)，溫度每升高10，反應(yīng)速率約加快23 倍。溫度對(duì)混凝土的碳化的影響有兩方面：溫度的升高使CO2 的溶解度降

8、低，但有使反應(yīng)常數(shù)增大。目前各國(guó)學(xué)者在CO2 對(duì)混凝土碳化速率影響方面的意見(jiàn)不太一致。（4）應(yīng)力狀態(tài)試驗(yàn)表明，當(dāng)f 不超過(guò)0.7fc（fc 為混凝土的抗壓強(qiáng)度）時(shí)，壓應(yīng)力對(duì)碳化起延緩作用；壓應(yīng)力為0.7fc 時(shí)的碳化速率與無(wú)壓應(yīng)力時(shí)相當(dāng)；當(dāng)壓應(yīng)力超過(guò)0.7fc 時(shí)會(huì)使碳化速率加快。在拉應(yīng)力作用下，當(dāng)拉應(yīng)力f 不超過(guò)0.3ft（ft 為混凝土的抗拉強(qiáng)度）時(shí)，應(yīng)力作用不明顯；當(dāng)拉應(yīng)力為0.7ft 時(shí)，碳化速率增加近30%。施工因素（1）施工質(zhì)量施工質(zhì)量直接影響混凝土的力學(xué)性能和耐久性，當(dāng)然對(duì)混凝土的碳化也有很大的影響。在相同材料、相同環(huán)境條件下，實(shí)際工程中的混凝土碳化深度往往比實(shí)驗(yàn)室大得多，這主要

9、是由于施工質(zhì)量的問(wèn)題。混凝土澆注、振搗養(yǎng)護(hù)不僅影響混凝土的強(qiáng)度，而且直接影響混凝土的密實(shí)度。因此，施工質(zhì)量也是影響混凝土碳化的一個(gè)重要方面。實(shí)際調(diào)查結(jié)果表明，在其他條件相同時(shí)，施工質(zhì)量好，混凝土強(qiáng)度高，密實(shí)度好，其抗碳化性能強(qiáng)；施工質(zhì)量差，混凝土表面不平整，內(nèi)部有裂縫、蜂窩、孔洞等，增加了混凝土中的擴(kuò)撒路徑，混凝土的碳化速度加快。（2）養(yǎng)護(hù)狀況混凝土的養(yǎng)護(hù)狀況對(duì)其碳化也有一定的影響?；炷恋脑缙陴B(yǎng)護(hù)不良，水泥水化不充分，使表層混凝土孔隙率增大，碳化加快。四、說(shuō)明常用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的有限元模型。鋼筋混凝土有限元模型包括實(shí)體單元模型和桿系單元模型。實(shí)體單元模型包括分離式、組合式和整體式。三種模型，

10、只有分離式能考慮粘結(jié)和滑移。分離式模型：將混凝土和鋼筋作為不同的單元來(lái)處理，可以插入聯(lián)結(jié)單元模擬鋼筋和混凝土之間的粘結(jié)和滑移，也可以不用聯(lián)結(jié)單元，直接將鋼筋和混凝土單元共節(jié)點(diǎn)或進(jìn)行耦合。根據(jù)需要決定。組合式模型：包括分層組合式、帶鋼筋的四邊形單元、帶鋼筋膜的8節(jié)點(diǎn)六面體單元。這種模型運(yùn)用較少。整體式模型：將鋼筋分布于整個(gè)單元中，并把單元視為連續(xù)均勻材料，單元?jiǎng)偠染仃嚲C合了混凝土與鋼筋單元的剛度矩陣，將鋼筋化為等效的混凝土，然后計(jì)算單元?jiǎng)偠?。一般?shí)際工程均采用這種模型，單元?jiǎng)澐稚伲?jì)算量小，可適應(yīng)復(fù)雜配筋。缺點(diǎn)是只能求得鋼筋的平均應(yīng)力，不能計(jì)算粘結(jié)應(yīng)力。鋼筋混凝土桿系單元模型：通常用梁?jiǎn)卧M結(jié)

11、構(gòu)中的梁柱構(gòu)件，用帶剛域的梁?jiǎn)卧M剪力墻和連梁，用桁架單元模擬支撐。根據(jù)各個(gè)桿件的類型、尺寸和材料組成（混凝土強(qiáng)度、鋼筋強(qiáng)度、配筋率、鋼筋布置方式）、受力工況，設(shè)定相應(yīng)的非線性恢復(fù)力關(guān)系（滯回曲線），然后輸入荷載工況，得到整個(gè)結(jié)構(gòu)的非線性行為。桿系有限元分析要解決兩個(gè)核心問(wèn)題：選擇合適的桿件剛度模型，選擇合適的恢復(fù)力關(guān)系。【比較公認(rèn)的有分離式模型(discrete model), 分布式模型(smeared model)(也有稱整體式模型)，組合式模型(也有稱埋藏式模型embedded model)三種 (上述三種也稱xxx鋼筋模型)。 分離式模型把鋼筋和混凝土作為不同的單元處理，例如混凝土

12、采用solid65，而鋼筋采用link8等，可以根據(jù)不同的單元類型進(jìn)行組合。在該模型中可以插入聯(lián)結(jié)單元考慮粘結(jié)和滑移，當(dāng)然如果認(rèn)為粘結(jié)很好，也可以不考慮聯(lián)結(jié)單元問(wèn)題。該模型是唯一可以考慮鋼筋和混凝土之間的粘結(jié)特性的。眾所周知，鋼筋混凝土是存在裂縫的(否則鋼筋難以發(fā)揮作用)，而開(kāi)裂必然導(dǎo)致鋼筋和混凝土變形不協(xié)調(diào)，也就是說(shuō)必然存在粘結(jié)失效和滑移的產(chǎn)生，因此這種模型被廣泛的應(yīng)用。單元?jiǎng)偠染仃嚨耐茖?dǎo)與一般有限元相同。 分布式模型是把鋼筋以一定的角度分布于整個(gè)單元中，并認(rèn)為二者粘結(jié)很好，單元是連續(xù)均勻的材料。單元?jiǎng)偠染仃囃茖?dǎo)時(shí)，先組合彈性矩陣D，然后求得K。 組合式模型也認(rèn)為二者之間粘結(jié)很好，沒(méi)有相對(duì)滑移；又分為分層組合式、帶鋼筋膜的單元等方式。與分布式模型不同，該單元?jiǎng)偠染仃囃茖?dǎo)時(shí)分別求出各自的單剛，然后組合起來(lái)，此為二者的差異。