一种变温自适应弹性混凝土、复合结构及相关设计方法与流程

本发明涉及混凝土材料和结构，更具体的说是涉及一种变温自适应弹性混凝土、复合结构及相关设计方法。

背景技术：

1、目前，温度循环作用下的结构开裂成为混凝土结构在大温差地区服役过程中面临的重大挑战。为解决大温差地区混凝土结构的开裂问题，现有研究常采用纤维增韧技术提升混凝土的抗裂性，并配合设计复合结构以降低使用成本，使结构各部位“各司其职”。专利《一种智能frp-混凝土复合结构及其制造方法(cn201210380940.9)》发明了一种基于碳纤维分布式传感的智能纤维增强树脂复合材料，提出了智能frp-混凝土复合结构制造方法，并借由碳纤维的导电属性实现了结构服役数据的实时监测。专利《混杂纤维增强树脂复合材料混凝土复合结构及其制造方法(cn200610037891.3)》发明了一种混杂纤维增强树脂复合材料混凝土及复合结构制备方法，该复合结构是由混杂frp外包覆层、现浇混凝土芯子组成的矩形截面复合结构，有效控制了混凝土结构的开裂，但该复合结构并未明确复合结构内外层尺寸的设计方法，仍无法实现新抗裂混凝土材料和传统混凝土材料间的合理利用。专利《钢纤维聚合物混凝土复合结构及其制备方法与应用(cn201610077878.4)》发明了一种钢纤维聚合物混凝土，并根据受弯构件的主要受弯部位有针对性地提出了受弯构件的复合结构设计方法，以此制备所得复合结构具有高强、高韧、变形协调性好等优势，但该方法主要是针对受弯荷载作用下混凝土的抗弯强度提升和韧性提升，对温度疲劳应力下混凝土表层抗裂效果不明显。

2、目前混凝土复合结构设计方法尚存在以下问题：

3、(1)现阶段复合结构主要利用纤维的桥接作用增强桥梁等受弯结构的弯曲承载力和韧性，对于大温差环境下混凝土结构的开裂机理和抗裂性提升措施的研究较少。

4、(2)复合结构混凝土能够让混凝土结构各部分“各司其职”，但现有研究多是通过成型大量不同比例的复合结构，从中对比找到“最佳比例”，缺乏理论依据、可重复性差，尚未提出混凝土复合结构的理论设计依据和设计方法，无法形成针对实际大温差环境的抗裂混凝土复合结构设计体系。

5、因此，如何构建混凝土复合结构设计体系，实现大温差环境下混凝土复合结构的可重复设计是本领域技术人员亟需解决的问题。

技术实现思路

1、有鉴于此，本发明提供了一种变温自适应弹性混凝土、复合结构及相关设计方法，自主研发的变温自适应弹性混凝土具备“低温高模—高温低模”的模量随温度可控的独特属性，能够有效防止混凝土结构在温度疲劳应力作用下发生的开裂问题。同时，为合理利用变温自适应弹性混凝土材料，提出了大温差环境混凝土结构温度应力传递模型和温度疲劳累积损伤模型，并基于有限元分析技术模拟了大温差环境下混凝土结构向阳面和背阴面的开裂情况，明确了大温差环境下混凝土结构发生开裂的部位、最大深度及损伤发展规律，提出了聚氨酯改性混凝土外包覆抗裂，常规混凝土内浇筑承载的“内刚外延”型高抗裂弹性混凝土复合结构柱设计方法，在保证混凝土结构具备高抗温度疲劳开裂特性的同时，做到资源的合理利用，实现了依据实际大温差环境的高抗裂混凝土复合结构参数配套设计体系。

2、为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

3、一种变温自适应弹性混凝土设计方法，变温自适应弹性混凝土的各组分含量的确定方法为：

4、步骤11：采集环境温差数据；

5、步骤12：获取混凝土结构实际尺寸、常规混凝土浇筑配合比和混凝土结构基本力学性能指标；

6、步骤13：根据所述混凝土结构实际尺寸、所述常规混凝土浇筑配合比和所述混凝土结构基本力学性能指标，采用有限元分析系统构建混凝土结构模型，结合温度应力传递模型和温度疲劳累积损伤模型，获得温度形变模型；将所述环境温差数据输入所述温度形变模型，获得混凝土结构模型的开裂部位、开裂最大深度和初裂时间；

7、步骤14：根据变温自适应混凝土配合比与所述初裂时间的映射关系，确定变温自适应弹性混凝土配合比。

8、优选的，所述温度应力传递模型的基本原理为：根据所述环境温差数据和所述混凝土结构模型获得环境温差下对应的混凝土局部温差；大温差环境下混凝土在环境温差和混凝土局部温差作用下产生了温度梯度，在温度梯度变化过程中混凝土结构的收缩和膨胀受到限制，从而产生自约束温度应力和表面温度应力，如下所示：

9、

10、式中，a为混凝土的线膨胀系数(℃-1)；δt1(t)为根据所述环境温差数据和所述混凝土结构模型获得的混凝土中心与表面温度差(℃)；k(t,τ)为混凝土应力松弛系数；e(t)表示混凝土的弹性模量；t为应力产生时间(s)；τ为应力保持时间(s)；δt2(t)为根据所述环境温差数据和所述混凝土结构模型获得的混凝土综合温差减小量；r(t)为广义约束系数；cx为外约束水平变形刚度(n·m-3)；h为混凝土结构厚度(m)；l为混凝土结构长度(m)。

11、优选的，所述温度疲劳累积损伤模型的基本原理为：根据所述环境温差数据和所述混凝土结构模型获得环境温差下对应的混凝土局部温差；昼夜温度循环作用下混凝土结构内外温度梯度产生的温度应力周期性地增大和减小，温度疲劳应力使混凝土结构内部损伤逐渐累积，直至达到某一界限时使混凝土结构发生开裂。

12、优选的，所述温度疲劳累积损伤模型计算损伤变量dc表示为：

13、

14、式中，ddc为疲劳损伤的增量；dum为变形增量；um为变形量；uε为温度疲劳作用下的变形累积量；t为当前应力增量；ft为初始最大法向应力；δ0为变形阈值；cf为校正系数(0<cf<1)。

15、优选的，温度疲劳应力作用下混凝土结构如果发生开裂应同时满足以下准则：

16、只有当应变超过混凝土的极限拉伸应变时才会发生破坏；

17、损伤的增加程度取决于混凝土应变的变化，当损伤变量达到某一阈值时混凝土才会发生开裂。

18、优选的，混凝土发生开裂的损伤变量阈值，对于c40～c80混凝土而言，当损伤变量达到0.2～0.3时混凝土才会发生开裂。

19、优选的，温度疲劳作用下混凝土不会产损伤的应变极限值，对于c40～c80混凝土而言，该极限值为混凝土材料极限拉伸应变的0.2～0.4倍。

20、一种变温自适应弹性混凝土复合结构设计方法，包括以下步骤：

21、步骤21：明确混凝土结构所处环境的气象数据，得到该地月平均昼夜温差，获得环境温差数据；

22、步骤22：确定混凝土复合结构的实际尺寸、常规混凝土浇筑配合比和基本力学性能指标；

23、步骤23：将所述混凝土复合结构实际尺寸、所述常规混凝土浇筑配合比和所述混凝土结构基本力学性能指标导入有限元分析系统中构建混凝土结构模型，结合温度应力传递模型和温度疲劳累积损伤模型，获得温度形变模型；将所述环境温差数据输入所述温度形变模型，计算出混凝土结构模型的开裂部位、开裂最大深度和初裂时间；

24、步骤24：根据变温自适应混凝土配合比与所述初裂时间的映射关系，确定变温自适应弹性混凝土配合比；

25、步骤25：步骤21-23是进行若干年的模拟，以服役年限内混凝土结构模型出现的最大开裂最大深度为分界线，根据分界线确定混凝土复合结构中变温自适应弹性混凝土的占比，构建变温自适应弹性混凝土复合结构，分界线外层构建变温自适应弹性混凝土层，内层构建常规混凝土层；设计得到外层采用变温自适应弹性混凝土、内部采用常规混凝土的“内刚外延”型变温自适应弹性混凝土复合结构。

26、优选的，服役年限内混凝土结构出现的开裂最大深度分界线，定义为由设计使用年限内混凝土结构内部损伤变量为0的位置连接组成的闭合曲线。

27、一种变温自适应弹性混凝土，包括水泥、机制砂、5mm～10mm级配碎石、10mm～20mm级配碎石、a组水性聚氨酯、b组水性聚氨酯、减水消泡功能组分和水。

28、优选的，所述变温自适应弹性混凝土原料组分的用量为：水泥300kg/m3～600kg/m3、机制砂400kg/m3～800kg/m3、5mm～10mm级配碎石300kg/m3～700kg/m3、10mm～20mm级配碎石400kg/m3～800kg/m3、a组水性聚氨酯10kg/m3～50kg/m3、b组水性聚氨酯5kg/m3～25kg/m3、减水消泡功能组分0kg/m3～50kg/m3、水50kg/m3～200kg/m3。

29、优选的，所述a组水性聚氨酯主要由如下重量份的各原料制备而成：大分子二元醇30份～80份、亲水扩链剂30份～60份、环氧乙烷1份～10份、有机锡化合物1份～5份、抗氧化剂1份～5份；所述b组水性聚氨酯主要由如下重量份的各原料制备而成：二异氰酸酯60份～90份、有机胺化合物10份～20份等原料组成。

30、上述技术方案的技术效果为，所述变温自适应弹性混凝土的极限应变率较常规混凝土提升180％～250％，弹性吸能效果提升100％～240％，并且具有“低温高模—高温低模”的模量随温度可控的特征，当环境温度升高40℃时，变温自适应弹性混凝土的弹性模量降低15％～25％，通过降低弹模提升其变形自适应能力，从而避免混凝土的塑性开裂。

31、一种变温自适应弹性混凝土复合结构，包括外层结构和内层结构，所述外层结构采用变温自适应弹性混凝土。

32、优选的，内层结构采用常规混凝土。

33、经由上述的技术方案可知，与现有技术相比，本发明公开提供了一种变温自适应弹性混凝土、复合结构及相关设计方法，具有以下有益效果：

34、(1)基于水性聚氨酯改性技术研发的变温自适应弹性混凝土材料具备改性处理前后强度变化小、弹性吸能效果强、极限应变率高、高温下强度损失小、温度疲劳应力作用下抗裂性好等优势，同时，高抗裂弹性混凝土材料还具备“低温高模—高温低模”的模量随温度可控的特征，提高了混凝土结构在大温差环境下的适应性；

35、(2)建立了针对实际大温差环境的混凝土结构开裂预测方法：采用混凝土结构温度应力传递模型和温度疲劳累积损伤模型界定了混凝土结构在大温差环境下的损伤机理和开裂特征，利用有限元分析方法可根据实际大温差环境状况，直观反映大温差环境下混凝土结构从损伤累积到开裂的全过程；

36、(3)提出了与大温差环境相适应的“内刚外延”型混凝土复合结构设计方法：基于大温差环境下混凝土结构的有限元计算结果，可以分析得到设计使用年限内混凝土结构的损伤开裂情况，并依据使用年限内混凝土结构内部损伤变量为0部位组成的闭合曲线，设计外部“高抗裂”变温自适应弹性混凝土和内部“高承载”常规混凝土的比例，实现符合实际大温差环境特征的高抗裂混凝土复合结构设计。