初始预压应力水平对混凝土超低温下预压性能影响试验研究_时旭东.pdf

第 53 卷 第 5 期2023 年 3 月上建 筑 结 构Building StructureVol.53 No.5Mar.2023 DOI:10.19701/j.jzjg.20201622国家自然科学基金项目(51878375)。第第一一作作者者:时旭东,博士,教授,主要从事超低温混凝土性能研究,Email:shixd 。通通信信作作者者:韩大全,硕士研究生,主要从事超低温混凝土性能研究,Email:hdq20 。初始预压应力水平对混凝土超低温下预压性能影响试验研究时旭东,韩大全,李亚强(清华大学土木工程系,北京 100084)摘要:通过试验探讨了初始预压应力水平对混凝土超低温下预压性能的影响,考察的应力水平为 0.2、0.4 及0.6,选取的作用温度分别为-40、-80、-120及-160。结果表明,不同初始预压应力水平混凝土的预压应力损失量在各降温区间的降温阶段随降温基本上呈线性增大趋势,而其恒温阶段随恒温时间则先有所增大后呈减小甚至出现预压应力损失量恢复状,且作用的低温越低时恢复越明显;混凝土预压应力损失率在各降温区间的降温阶段随初始预压应力水平提高而降低,但恒温阶段则变得较为复杂;不同初始预压应力水平混凝土预压应力损失量均随降温点温度的降低呈现出近于线性增大的趋势,而随温均点温度的降低则呈先逐渐增大之后趋于平缓的变化态势。结合试验数据,给出了降温点和温均点时混凝土预压应力损失量随温度变化的拟合关系式。关键词:预应力混凝土;超低温;预压性能;预压应力损失 中图分类号:TU528.1 文献标志码:A文章编号:1002-848X(2023)05-0041-06引用本文 时旭东,韩大全,李亚强.初始预压应力水平对混凝土超低温下预压性能影响试验研究J.建筑结构,2023,53(5):41-46.SHI Xudong,HAN Daquan,LI Yaqiang.Experimental study on influence of initial preloading stress levels on preloading performance of concrete exposed to ultralow temperatureJ.Building Structure,2023,53(5):41-46.Experimental study on influence of initial preloading stress levels on preloading performance of concrete exposed to ultralow temperature SHI Xudong,HAN Daquan,LI Yaqiang(Department of Civil Engineering,Tsinghua University,Beijing 100084,China)Abstract:The effect of initial preloading stress levels(IPSLs)on the preloading performance of concrete exposed to ultralow temperature was discussed through experiment.The examining initial preloading stress levels acting on specimen concrete are 0.2,0.4 and 0.6,and the corresponding temperatures including-40,-80,-120 and-160 are respectively exerted.The test results show that the preloading stress loss of concrete with different IPSLs increases linearly with the decrease in temperature during the cooling stage of each ultralow temperature range.However,the preloading stress loss of concrete increases first and then decreases or even recovers with increase in the time during the constant temperature stage,and the lower the exerted lower limit temperature,the more obvious the recovery.The preloading stress loss rate of concrete decreases with the increase in the IPSL during the cooling stage of each ultralow temperature range,but it will become complicated during the constant temperature stage.The preloading stress loss of concrete with different IPSLs shows a nearly linear increase trend with the decrease in temperature at the cooling target point.But it will have a different changing trend which increases first and then flattens at the temperature uniformity target point.According to the test data,the preloading stress loss of concrete with temperature at the cooling target point and the temperature uniformity target point was given.Keywords:prestressed concrete;ultralow temperature;preloading performance;preloading stress loss 0引言 随着能源结构的调整,国内天然气需求量逐年提高。2019 年的天然气使用量已达 3 067 亿 m31。因天然气液化后的体积可缩减至约气态时的1/625,通常采用常压液化方式对其进行存储和运输。液化天然气(LNG)的温度约为-165,属于超低温(不高于-40)范畴,这就对用于 LNG 存储设施(如储罐等)建造的主要受力材料混凝土超低温建 筑 结 构2023 年性能提出了较高的要求。此外,为保证罐体的密闭性,LNG 储罐类结构均采用预应力混凝土。常温下有关预应力混凝土结构的受力计算分析已较为成熟,但超低温下预压应力的变化将与之明显不同,目前有关这方面的研究极其缺乏。因此,有必要获取超低温下预应力混凝土预压应力的变化规律。有关超低温下混凝土、钢筋和钢绞线等已有不少的研究,对混凝土构件超低温受力性能也有些探讨。笔者所在课题组通过大量的试验得出2-4,超低温下混凝土受压强度、弹性模量和峰值应变等均与常温有明显的不同;随超低温冻融循环作用次数增加,混凝土受压强度将降低、弹性模量也逐渐地减小。谢剑等5通过不同的应力水平和超低温下钢绞线的拉伸试验得出,7 股钢绞线的热应变在 0-80时呈线性变化,-80 -160 时呈非线性变化;但仅当作用的温度低于-80时,其破坏才由延性转变为脆性。李扬等6对混凝土梁在 0-160温度区间进行试验得出,其抗弯刚度在温度区间0-100时随作用的温度降低呈非线性增大,而在温度区间-100-160时作用的温度对其影响较小。目前对初始预压应力作用下混凝土性能的研究较少,Elices 等7-8通过试验对预压应力作用下混凝土的变形性能进行了探讨。目前有关混凝土及其构件超低温受力性能研究仍处于起步阶段,这些研究大多基于材料层面,且多仅考虑单因素对其性能的影响,缺乏多因素耦合作用,尤其是温度-应力耦合作用对混凝土受力性能影响的探讨。本文将通过试验探讨初始预压应力水平对混凝土超低温下预压性能的影响。1试验概况 根据实际工程中对 LNG 储罐类混凝土结构的设计要求,试验选取强度等级 C50 的混凝土,作用的超低温取-40、-80、-120及-160。对试件混凝土施加 0.2、0.4 及 0.6 等 3 个初始预压应力水平后再作用预定的超低温以探讨不同初始预压应力水平对混凝土超低温下预压性能的影响。本次 试 验 的 试 件 共 12 个,采 用 截 面 尺 寸150mm150mm、长为 1 700mm 的棱柱体形式。试件的截面中心预留直径为 75mm 的孔道用以穿入预应力筋。试件均为同批次浇筑、室内自然环境养护,且均 60d 后才开始进行试验,可认为各试件的混凝土含水率基本相同,即不再考虑试件的混凝土含水率差异对试验结果的影响。试件混凝土配合比见表 1。其中,水泥为 P.O42.5 普通硅酸盐水泥,细骨料为河砂,粗骨料为碎石,掺合料为矿渣粉,外加表 1 试件混凝土配合比水泥/kg水/kg砂/kg石/kg矿渣粉/kg减水剂/kg4181477061 0571692.33剂为聚羧酸减水剂。表 2 是试验条件及其对应的试件编号。试件按YSX-T 形式进行编号,其中,YS 表示混凝土超低温预压应力损失试验;X 表示对试件施加的初始预压应力水平,X 为 2、4、6 分别表示初始预压应力水平为 0.2、0.4、0.6;T 表示作用的超低温,T 为 40、80、120、160 分别表示作用的超低温为-40、-80、-120、-160。表 2 试验条件及其对应的试件编号试件编号初始预压应力水平作用的超低温试件编号初始预压应力水平作用的超低温YS2-400.2YS4-400.4YS6-400.6-40YS2-1200.2YS4-1200.4YS6-1200.6-120YS2-800.2YS4-800.4YS6-800.6-80YS2-1600.2YS4-1600.4YS6-1600.6-160试验装置主要包括预应力低温试验炉、制冷剂储存罐、预应力施加平台、量测与采集系统等。首先在预应力施加平台上,借助专用预应力施加装置通过专门制作的直径为 40mm 的预应力筋(极限强度标准值为 1 230MPa)为试件混凝土施加指定初始预压应力 0。初始预压应力水平 0.2、0.4、0.6 所对应的试件混凝土目标初始预压应力分别为 10.0、20.0、30.0MPa,实际施加的初始预压应力分别为10.8、21.1、28.1MPa,相应的初始预压应力水平分别为 0.22、0.42、0.56。随后将已施加预压应力试件置于预应力低温试验炉中,将液氮作为制冷剂为其提供低温环境,并由程序控制试验炉的降温速率以实现预定的超低温作用工况。已有的研究9结果表明,由于混凝土的热惰性,降温过程中试件内温度将呈现出明显的滞后性。为避免试件温度的不均匀分布对其混凝土造成的损伤,所有试验均按1/min 的速率进行降温,并降至目标超低温时恒温 2h 以使试件截面温度分布趋于均匀。这里将降温达目标超低温时称之为降温点,此时的试件截面各处温度因混凝土的热惰性并不能同时达到该温度值,呈现出外低内高的温度分布状态;达降温点时再恒温一段时间使试件截面温度分布均匀,各处均达目标超低温,此时称之为温均点。图 1 是本次不同初始预压应力水平对混凝土超低温下预压性能影响试验的流程。24第 53 卷 第 5 期 时旭东,等.初始预压应力水平对混凝土超低温