橡胶混凝土叠合构件叠合层厚度优化方法与流程

本发明属于交通工程领域，尤其涉及一种橡胶混凝土叠合构件叠合层厚度优化方法。

背景技术：

橡胶集料混凝土(Crumb Rubber Concrete,简称CRC)是一种把橡胶微粒作为水泥混凝土的组成材料配制而成的特殊混凝土,具有低弹模、大变形、较好的抗裂性等优点。将CRC与普通混凝土制成叠合构件,使弹性模量小的CRC在下层,组成叠合构件，橡胶混凝土叠合构件和普通混凝土相比较:橡胶混凝土叠合构件比普通混凝土更晚达到极限拉力和极限拉应变,其抗裂性明显优于普通混凝土构件。

橡胶混凝土叠合构件和橡胶混凝土构件相较:

1)橡胶混凝土叠合构件由于上层用弹性模量更大的普通混凝土替代橡胶混凝土,增加了构件的刚度,减小了变形,延缓了其破坏。

2)减小了橡胶混凝土用量,节约了成本

但橡胶集料混凝土和普通混凝土的厚度的组合可以有无数种。橡胶集料混凝土叠合构件中橡胶集料混凝土和普通混凝土各自具有优良的力学性能，上层用弹性模量更大的普通混凝土替代橡胶混凝土,使其具有承载能力高等良好的力学性能，同时又具有良好的耐久性能。但对于橡胶集料混凝土叠合构件中各叠合层各自厚度的选取往往采取经验的方式或者试验的方式获取，往往难以取得很好的效果，且容易造成材料浪费。目前国内外还没有橡胶混凝土叠合构件的最优厚度计算方法的记载，仅是从试验或者其他渠道直接获得相应数据，可信度不高或者论证性不强，往往带有其作者的主观判断。在交通工程领域亟待研发一种使叠合构件能够达到最优的厚度，使其在力学性能指标和经济指标达到最优化的方法。

技术实现要素：

本发明的目的在于克服上述技术的不足，而提供一种橡胶混凝土叠合构件叠合层厚度优化方法，采用试验配合有限元计算及数学公式计算，使叠合构件能够达到最优的厚度，使其在力学性能指标和经济指标达到最优化。

本发明为实现上述目的，采用以下技术方案：一种橡胶混凝土叠合构件叠合层厚度优化方法，其特征是：结合试验、有限元分析及结合图表进行数学推导三者合一的优化方法得到叠合构件各部分力学性能指标的最优，具体步骤如下：

(1)橡胶集料混凝土叠合构件分析前提试验

1.1原材料

采用10目橡胶集料,表观密度为1050kg/m³；配制橡胶集料混凝土的材料还包括:水泥：P-O 42.5、中砂:细度模数2.3-3.0、碎石:5-25mm；Ⅱ级粉煤灰、矿粉和减水剂；

1.2试验配合比

试验配合比以不同橡胶集料掺量作为考察重点,体积掺量在0％～15％之间,即0～15kg/m³

1.3试验方法

进行橡胶集料混凝土四点弯曲试验,得出各种掺量下混凝土的极限弯拉应变值；

(2)运用ANSYS大型有限元分析软件，对橡胶集料混凝土叠合构件受弯性能理论进行分析，对各种掺量下混凝土层最优厚度进行定性分析；

(3)绘制橡胶混凝土层高度-承载力曲线,对橡胶混凝土层最优厚度进行定性分析；根据各掺量最大应变结果,求出:施加大小为Pp的力时,橡胶混凝土底层最大拉应变达到其极限抗拉应变能力；施加大小为Pc的力时,普通混凝土底层最大拉应变达到其极限抗拉应变能力；其中：Pp:橡胶混凝土底层的承载能力，Pc:普通混凝土底层的承载能力；当橡胶混凝土层承载力和普通混凝土承载力相同的时候,橡胶混凝土层力学性能指标最优；

(4)应用插值法,对橡胶混凝土层最优厚度进行定量反算公式为F(x)＝f(x0)+f[x0,x1](x-x0)+f[x0,x1,x2](x-x0)(x-x1)

其中：F(x)—表示通过试验或已知的标准试件橡胶混凝土与普通混凝土的应变比；

f(x0)—F(x)的一阶导数

f[x0,x1](x-x0)--F(x)的二阶导数

f[x0,x1,x2](x-x0)(x-x1)--F(x)的三阶导数

(5)根据上述结果绘制橡胶掺量和橡胶混凝土层最佳厚度层关系曲线图，进而达到给出最佳厚度时,叠合构件承载力与普通混凝土梁承载力的对比，并推出橡胶混凝土层达到最佳高度时,叠合破构件坏所需施加的荷载Pd。

有益效果：本发明的叠合层厚度优化方法通过对橡胶集料混凝土叠合构件分析前提试验，可以得到准确的力学性能指标，通过调整配合比，使得橡胶集料混凝土叠合构件在施工上有充足的依据，通过构件室内试验，可以得出客观的力学性能指标，对于叠合构件付诸应用具有很高的参考价值；

(2)运用大型有限元分析软件，对橡胶集料混凝土叠合构件受弯性能理论进行分析，给出了理论上的依据，得出各种掺量下构件的应变，为进一步理论分析提供准确的依据；

(3)绘制各种掺量橡胶混凝土层厚度-承载力曲线，此曲线可一目了然的看出叠合构件中普通混凝土和橡胶混凝土各自所起的贡献，进而分析出整体叠合构件的承载力等力学性能；

(4)根据(3)的结果，可以明了的看出叠合构件中橡胶混凝土层最优厚度的大体范围，但我们想得到精确的最优厚度解，采用了数学方法插值法进行计算，最终得出来橡胶混凝土层最优厚度。这样既能得到最优的力学性能的橡胶集料混凝土叠合构件，又能对橡胶的掺量进行控制，具有良好的经济效益。

附图说明

图1a图1b是橡胶集料混凝土叠合构件受弯性能计算模型示意图；

图2是橡胶集料混凝土四点弯曲试验示意图；

图3是橡胶掺量为5％时橡胶混凝土层高度及承载力关系图；

图4是橡胶掺量和橡胶混凝土层最佳厚度层关系曲线。

图中：1、橡胶混凝土层承载力，2、普通混凝土层承载力。

I-应变片

具体实施方式

下面结合较佳实施例详细说明本发明的具体实施方式。

实施例

本实施例以橡胶集料掺量5％为例，说明橡胶混凝土叠合构件叠合层厚度优化方法。

一种橡胶混凝土叠合构件叠合层厚度优化方法，结合试验、有限元分析及结合图表进行数学推导三者合一的优化方法得到叠合构件各部分力学性能指标的最优，具体步骤如下：

(1)分析前提试验

1.1原材料

采用10目(2mm)橡胶集料，表观密度为1 050kg/m³。配制橡胶集料混凝土的材料还有：P-042.5水泥；中砂，细度模数2.55；级配良好的碎石，Dmax＝25mm；II级粉煤灰；矿粉；UNF高效减水剂。

1.2试验配合比

试验配合比以不同橡胶集料掺量作为考察重点，体积掺量在0％～15％之间，如表1所示。同时，考虑到工程中广泛应用矿物掺合料，配比中还使用了一定量的粉煤灰和矿粉，同时使用了减水剂。

表1 试验混凝土配合比

注：橡胶集料的体积百分掺量以R表示，例如，R＝10表示每立方米混凝土中含有0.1m³的橡胶集料。

1.3试验方法

详见附图2进行橡胶集料混凝土四点弯曲试验，

试验结果可得出各种掺量下混凝土的极限弯拉应变值。

(2)运用大型有限元分析软件ANSYS，对橡胶集料混凝土叠合构件受弯性能理论进行分析，对各种掺量下混凝土层最优厚度进行定性分析，

举例：如当橡胶混凝土层橡胶掺量为5％时各层最大应变：

注：ε_p为橡胶混凝土底层最大拉应变；ε_c为普通混凝土底层最大拉应变。

表2

(3)绘制橡胶混凝土层高度-承载力曲线，对橡胶混凝土层最优厚度进行定性分析

根据以上各掺量最大应变结果，可以求出：Pp：橡胶混凝土底层的承载能力(即：施加大小为Pp的力的时候，橡胶混凝土底层最大拉应变达到其极限拉应变)。Pc：普通混凝土底层的承载能力(即：施加大小为Pc的力的时候，普通混凝土底层最大拉应变达到其极限拉应变)。

举例：如当橡胶混凝土层橡胶掺量为5％时各层最大承载力：并由下表绘制橡胶混凝土层高度-承载力关系图，详见图3

橡胶混凝土层承载力和普通混凝土承载力相同的时候，橡胶混凝土层最优，这点即为如图3所示，两条曲线的交点(x坐标在20mm左右)。

同理，也可得到当橡胶混凝土层橡胶掺量为10％、15％等时各层最大承载力表和橡胶混凝土层高度-承载力关系图。

(4)应用插值法,对橡胶混凝土层最优厚度进行定量反算举例：当橡胶混凝土层橡胶参量为5％时(见表2):

取x0＝10mm,x1＝20mm,x2＝30mm,那么,相应的F(x)值如表3。

表3

则有:

F(x)＝f(x0)+f[x0,x1](x-x0)+f[x0,x1,x2](x-x0)(x-x1)＝1.28+45(x-0.01)+1 950(x-0.01)(x-0.02)＝1 950x2-13.5x+1.22

F(x)＝1.74

1 950x²-13.5x-0.52＝0

解得:x＝0.020 15m＝20.15mm。

同理也可求得其他各掺量橡胶混凝土层最优厚度。

(5)根据上述结果绘制橡胶掺量和橡胶混凝土层最佳厚度层关系曲线图，

举例：

进而达到给出最佳厚度时,叠合构件承载力与普通混凝土梁承载力的对比，并推出橡胶混凝土层达到最佳高度时,叠合破构件坏所需施加的荷载Pd。

绘制各种掺量橡胶混凝土层厚度-承载力曲线，此曲线可一目了然的看出叠合构件中普通混凝土和橡胶混凝土各自所起的贡献，进而分析出整体叠合构件的承载力等力学性能；

根据计算的结果，可以明了的看出叠合构件中橡胶混凝土层最优厚度的大体范围，但我们需要得到精确的最优厚度解，则采用了数学方法插值法进行计算，最终得出来橡胶混凝土层最优厚度。

上述参照实施例对该一种橡胶混凝土叠合构件叠合层厚度优化方法进行的详细描述，是说明性的而不是限定性的，可按照所限定范围列举出若干个实施例，因此在不脱离本发明总体构思下的变化和修改，应属本发明的保护范围之内。