混凝土弹性模量

2024-06-05

混凝土弹性模量（共9篇）

混凝土弹性模量篇1

混凝土弹性模量是计算混凝土结构应力、变形、裂缝控制和大体积混凝土的温度应力所必需的参数之一。随着预应力混凝土和大体积混凝土技术的不断发展, 准确并且快速的获取混凝土的弹性模量值成为了一个重要课题, 很多工程技术工作者在这方面进行了一系列的探索。

1 混凝土弹性模量测定现状

在建国后的很长一段时间内, 受当时技术条件和工程特点的限制, 对混凝土弹性模量的检验批次、检验方法并没有明确的要求, 仅在规范中提供了一个设计计算的建议值和一种利用微变形测量仪 (千分表) 的测定方法。目前这种测定方法还在使用, 但存在数据离散、安装复杂、受人为因素影响大等诸多问题, 已经不能很好的适应工程发展的需要。

80年代初期, 成都科技大学的蔡树伦为改进微变形测量仪在弹性模量测试过程中的弊端, 根据电测原理提出了4种新的测试仪制作方案;90年代国家链条质量监督检验中心的黄梅对混凝土弹性模量的测试方法进行了总结和探讨, 并提出了用电子引伸计测定的方案;针对微变形测量仪测定混凝土弹性模量经常出现数据无效的问题, 2008年黄躲兵、彭龙涛提出了以数据分析法处理测试数据以改善准确性的方案;2011年东南大学的管东芝、韩苏闽等人研究了电测法应用于混凝土结构表面的应变测试技术, 并详细探讨了应变片标距和测量精度的关系;为纪念电阻应变片诞生70周年 (1938~2008年) , 中国运载火箭技术研究院702研究所的尹福炎对国内外电阻应变片70a的发展历程进行了总结, 指出目前我电阻国应变片的生产技术已经达到世界先进水平, 且价格低廉, 早期在使用过程中出现的一些问题现在都已经得到了解决。

2 混凝土弹性模量测定规范的变化

2.1 铁道部标准

随着预应力桥梁的发展, 混凝土弹性模量的重要性日益显现了出来, 铁路部门在这个方面走在了其它行业的前面。TB10424-2003《铁路混凝土与砌体工程施工质量与验收标准》中6.4.1部分对结构混凝土的弹性模量检验提出了初步要求, 但可操作性不强。铁道部科技基[2005]101号文件发布了《客运专线高性能混凝土暂行技术条件》, 附录G对预应力混凝土弹性模量的检验提出了明确要求, 具体见表1所示。

铁建设[2005]160号文件发布《铁路混凝土工程施工质量验收补充标准》, 其中6.4.13也对混凝土弹性模量的检验提出了要求, 基本与科技基[2005]101号文件要求一致。

在吸收TB10424-2003和铁建设[2005]160号文件的基础上, 结合京津、武广、郑西、合宁、合武、石太等铁路建设经验, 铁道部颁布了TB10424-2010《铁路混凝土工程施工质量验收标准》, 其中6.4.13对混凝土弹性模量检验提出了具体要求, 做出了下述规定:

当设计对混凝土的弹性模量有要求时, 混凝土弹性模量必须符合设计要求。弹性模量试件应在混凝土的浇筑地点随机抽样制作, 试件制作数量应符合下列规定:

随构件同条件养护的终张拉/放张弹性模量试件不得少于1组;标准条件养护28d弹性模量试件不得少于1组;其他条件养护试件按设计要求、相关标准规定和实际需要确定。

检验数量:施工单位按规定制作弹性模量试件。

检验方法:施工单位进行混凝土弹性模量试验;监理单位检查混试验报告。

2.2 交通部规范

公路行业对混凝土静力受压弹性模量的研究虽然较早, 但受当时技术条件及工程规模的限制对这个指标一直没有明确的检验要求。随着我国大桥、特大桥的不断修建及桥梁跨径的不断增大, 对变形及预应力损失的计算提出了更高的要求, 这就涉及到了弹性模量的问题。

公路行业较早就对混凝土静力受压弹性模量的建议值有了规定, JTJ023-85《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》中2.1.3建议取值如表2。

随着材料科学的发展, JTG D62-2004《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》又对混凝土静力受压弹性模量取值进行了修正和补充, 在其3.1.5中对混凝土受压或受拉时的弹性模量的取值建议如表3所示。

2006年中华人民共和国交通部开始组织新规的修订, 并于2011年8月1日实施了新规范JTG/T F50-2011《公路桥涵施工技术规范》, 其中6.5.2规定:当设计有要求或构件有变形控制要求时, 配制的混凝土还应满足弹性模量的要求。这是目前公路桥梁规范中对混凝土静力受压弹性模量的最新规定, 但也没有明确的检验标准, 相信随着技术的进步及大跨径桥梁的不断修建, 下次交通部修订规范时也会对这个问题展开探讨。

2.3 国家标准

国家标准的《钢筋混凝土设计规范》自BJG21-66就对混凝土受拉或受压时的弹性模量取值有规定, 以后历经TJ10-74、GBJ10-89、GB50010-2002、GB50010-2010四次修订, 不断对混凝土静力受压弹性模量值进行修正, 目前GB50010-2010的取值与JTG D62-2004《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》一致。

混凝土静力受压弹性模量的试验方法最早在加气混凝土的试验方法规范中进行了说明。对于普通混凝土来说, 在《普通混凝土力学性能试验方法标准》GB/T50081-2002中才正式将混凝土静力受压弹性模量试验方法 (利用微变形测量仪测定) 列入标准, 对混凝土静力受压弹性模量的检验还没有明确的规定。

3 存在的主要问题及原因

笔者从事混凝土的试验检测工作多年, 在采用微变形测量仪测定混凝土静力受压弹性模量时发现了诸多问题, 具体如下:

数据离散、偏差较大;试验数据无效比例大;仪器调试比较困难。

利用微变形测量仪进行测定存在上述问题的原因主要有以下4个方面:

混凝土试件尺寸偏差对测试数据影响较大;变形值数据较小, 读数受人为因素影响大;微变形测量仪支架安装、固定过程容易产生较大偏差;测量仪与试件的相对滑移不可避免。

鉴于现实工程中试件数量有限, 所以这种不稳定的试验方法很难适应实际工程的需要, 亟需改进。

4 发展趋势

电测法是将电阻应变片粘贴在被测构件表面测定应变的一种实验方法。电阻应变片问世至今已经有70多年的历史, 目前已经发展到了精度高、数据稳定、测试范围广、适应各种复杂环境、粘贴方便的阶段。针对上述混凝土弹性模量试验过程中的问题, 结合笔者长期的试验检测经验, 认为采用电阻应变片代替微变形测量仪对混凝土弹性模量进行测定能解决目前试验过程中出现的问题, 但需要对数据采集设备及试验操作方法进行针对性的研究。

参考文献

[1]蔡树伦, 李永浚.弹模测试计的研制[J].试验技术与试验机, 1980 (01) :83-87.

[2]黄梅等.混凝土弹性模量测试方法的探讨[J].试验技术与试验机, 1997, 37 (01) :15-16.

[3]黄躲兵, 等.混凝土抗压弹性模量测定方法探讨[J].四川建材, 2008 (01) :2-4.

[4]管东芝, 等.电测法应用于混凝土结构的表面应变测试[J].实验室研究与探索, 2011, 30 (01) :30-32.

[5]尹福炎.电阻应变片发展历史的回顾[J].衡器, 2009 (04) :46-52.

混凝土弹性模量篇2

弹性模量E和泊松比是材料的两个重要力学性能参数，在解决工程构件的强度、刚度和稳定性问题时，会经常用到。本实验以拉伸和压缩试件为例，用实验一的数据测定试件材料的弹性模量E和泊松比。

一、试验目的1．测定材料的弹性模量E和泊松比。

2．验证胡克定律。

二、仪器、设备

1.力学试验台。

2.辅助工具和量具。

三、试样

利用实验一的数据进行计算。

四、试验原理和方法

杆件承受轴向载荷时，在比例极限内，应力与应变遵循胡克定律：

E

式中，ε为沿拉力方向的线应变（或称纵向线应变），E为材料的弹性模量。

同时试件的横向线应变与纵向线应变之间存在着以下关系：







式中，称为横向变形系数或泊松比。

按平均值法或最小二乘法计算E和。

1.平均值法

因各级载荷增量相同并等于F，由下式计算弹性模量E和泊松比：EiF

bt

EEi

n(3.1)(3.1a)

i

2i2i

(3.2)1i1i



2.最小二乘法

i

(3.2a)

Fi

2E

bti1i

（3.3）（3.4）



式中，b、t为试样的宽度和厚度。

五、试验结果处理

i2i

i1i

表1 材料弹性常数E、测定数据处理列表(最小二乘法)

将数据按表3.1作初步处理，然后按公式（3.1）、（3.1a），（3.2）、（3.2a）计算E和。如用最小二乘法按公式（3.3）和（3.4）计算E、，计算步骤参考表3.2列表示出。

六、预习要求

1.参考实验一。

2.参考数据处理列表，按实验要求，自已设计并绘制好本实验记录表格。

七、实验报告要求

1.实验报告应包括实验目的，仪器、设备名称和型号，测试原理与方法，实验数据与处理。

2.在坐标纸上作图，验证其符合胡克定律的程度。

八、思考题

混凝土弹性模量篇3

关键词:有限元;动力特性;模态分析

中图分类号:TU362文献标识码:A文章编号:1000-8136(2010)05-0043-02

我国是一个文明古国,辉煌灿烂的古建筑是其重要的标志之一。在古建筑中,砖石古塔占有重要地位。古塔融合了外来文化和中华传统建筑艺术的精华,是我国古代高层建筑的杰出代表。各地现存的古塔不仅具有宝贵的文物价值,也具有极高的科研价值,对研究我国古代建筑技术的发展具有极其重要的意义[1]。

我国是一个多地震的国家,我国的古塔建筑大都处于地震高发区,据文献统计,觉大多数古塔的破坏、倒塌、都是因为地震造成的[2],今后仍然面临着地震破坏的威胁。现阶段古塔建筑的抗震计算方法主要是有限元法,古塔年代久远,材料弹性模量的取值具有特殊性和不确定性。本文运用有限元软件ANSYS,建立砖石古塔三维实体模型,以研究塔体在不同弹性模量下的抗震性能。

1 砖塔的结构构造及有限线元模型

1.1 砖塔的结构构造

该塔平面为正六边形,塔身共17层,坐落在正六边形的塔基上,塔体由基座、塔身、塔檐等部分组成,螺旋蹬道从底部贯穿到7层。标准层平面图见图1,各层结构尺寸见表1。

1.2 有限元模型

1.2.1 材料的特性

砖石古塔结构的质量及其分布一般是均匀、合理的。根据规范[2]砖砌体的密度一般取为1 900 kg/m3,在轴心受压的情况下,砖砌体将产生横向变形。横向变形与纵向变形的比值为泊松比,由于此塔年代久远泊松比?酌取为0.15。根据《砌体结构设计规范》(2002-03-01)在一定的应力范围(弹性形变)内,材料的应力与应变量成正比,这个比例常数称为弹性模量或弹性系数[3],对于砌体结构材料的弹性模量由砌块强度和砂浆强度决定。初步确定砖为MU15,由于砖石古塔年代久远对确定砂浆强度带来一定的困难,以下分3种方案研究砖石古塔的动力特性。

方案一:砂浆强度为M0.4,弹性模量为E=785f=785×0.96=784 MPa;

方案二:砂浆强度为M1.0,弹性模量为E=1 100f=1 100×1.54=1 694 MPa;

方案三:砂浆强度为M2.5,弹性模量为E=1 300f=1 300×1.69=2 197 Mpa;

1.2.2 模型的建立

采用solid45单元建模,三维模型见图2,自动划分网格,共生成165 320个单元,14 986个节点,有限元模型见图3。

2 砖塔的动力特性

2.1 动力分析模型

砖石古塔属于高耸建筑,与现代高层建筑有类似之处,通常将塔看作底端固定的悬臂杆[4]。采用的计算模型有离散参数的杆系模型、壁式框架模型及平面应力有限元模型等等,本结构分析采用有限元模型[5]。该砖塔结构规则对称,质量和刚度逐层均匀变化,可将塔体结构简化成变截面的悬臂杆模型,即可假定塔体底部刚接,每层简化成一个正六变形截面,采用弹性梁单元,建立动力模型,并对其进行地震反应分析,其运动方程如下:

注:表中相对差异分别为方案二和方案三与方案一的百分比

表2可以看出弹性模量对塔体结构自振周期影响加大,因此对古建砖结构进行分析时,材料弹性模量取值尤为重要。

2.2 砖塔地震反应分析

该砖塔为国家一级保护文物,根据现行《建筑抗震设计规范》(GB50011—2001)取为乙类建筑。抗震设防烈度在本地区抗震设防烈度(7度)的基础上提高一度,故以下计算按8度考虑,场地类别为Ⅱ类,地震分组为第二组,其特征周期Tg=0.4 s,结构阻尼比为0.02,地震波采用El-Centro波(N-S),分别对以上3种情况进行常遇地震进行分析。各种方案位移图见图4。

2.3 计算结果分析

就砖塔结构在3种不同弹性模量下位移反应来看(见图4),由于弹性模量的不同,位移差别很大。方案一顶部位移为246 mm,方案二顶部位移为328 mm,方案三顶部位移为441 mm,方案一与方案三相差44.2%,可见弹性模量是影响砖石古塔动力特性重要因素之一。

3 结论

由以上分析可以看出,弹性模量对砖石古塔动力特性影响较大,弹性模量的取值直接影响着古塔的抗震性能,在古建筑分析中要加强对弹性模量取值的重视,以免使分析结果与实际偏差过大。

参考文献:

[1]魏俊亚,古塔建筑的抗震保护研究[J],西安建筑科技大学硕士论文,2005.5

[2]周云,宗兰等土木工程抗震设计[s],科学出版社,2005

[3]魏俊亚,张东平.砖石古塔动力特性研究[J].工程抗震与加固改造,2008,30(5):103 106

[4]蔡勇,施楚贤,马超林,包太.砌体在剪压作用下抗剪强度研究[J].建筑结构学报,2004,25(5):118-123

[5]苏明辉,张欣,砌体结构的抗震综述[J],陕西建筑,20066(132):13

Influence on Elasticity Coefficient to Bricks and Stones Ancient Tower Earthquake Resistance Performance

Tian Zhou

Abstract: According to bricks and stones ancient tower geometry size and the structure structure, utilization large-scale finite element software ANSYS has carried on under the dynamic analysis and the equivalent earthquake lateral force to it under the research on the different elasticity coefficient resists earthquakes the performance. The result indicated that the elasticity coefficient is big to the bricks and stones ancient tower structure’s earthquake resistance performance influence.

玻化微珠保温混凝土弹性模量计算篇4

关键词：玻化微珠保温混凝土,弹性模量,经验公式

0 前言

保温材料是建筑节能与可持续发展中不可缺少的重要的物质基础, 合理地用好保温材料, 设计好保温构造, 最重要的就是很好地发挥保温材料在建筑节能中的重要作用。多年来, 建筑物保温节能技术的研究, 大多都集中在以研究开发附加到建筑物结构外表面或内表面的保温建筑材料上, 此做法不仅增加了建筑施工过程, 加大了建造成本, 延长了建造周期, 而且不利于建筑物结构受力和安全。从系统科学的方法与原理出发, 研究开发一种既具有一般混凝土的物理力学性能, 同时又具有保温性能, 符合绿色、环保的高效益生态建筑材料是十分必要的[1]。玻化微珠保温混凝土正是在此基础上提出来的。

弹性模量是混凝土重要的力学性能指标, 它反映了混凝土所受应力与所产生应变之间的关系, 是计算钢筋混凝土结构的变形、裂缝扩展和大体积混凝土的温度应力所必需的参数。普通混凝土的弹性模量只与混凝土的强度有关, 轻集料混凝土的弹性模量与混凝土的强度及容重有关。掺入轻骨料“玻化微珠”的玻化微珠保温混凝土是一种新型的混凝土, 它既不同于普通混凝土, 也有别于一般的轻集料混凝土, 因此需要对玻化微珠保温混凝土的弹性模量进行测定, 这对采用玻化微珠保温混凝土进行结构设计具有一定的指导意义。

1 混凝土弹性模量经验公式

(1) 我国《混凝土结构设计规范》 (GBJIO-89) 给出了普通混凝土弹性模量的计算公式:

式中, fcu·k—普通混凝土标准立方体抗压强度标准值, MPa;

Ec—普通混凝土弹性模量, MPa。

(2) 我国《轻骨料及轻骨料混凝土技术规定和试验方法》 (JGJ51-78) 中弹性模量是以下列公式标定的[2]:

式中, Ec—轻集料混凝土弹性模量, kgf/cm2;

ρ—轻集料混凝土表观密度, kg/cm3;

R—轻集料混凝土 (20cm×20cm×20cm试件) 的抗压强度, kgf/cm2。

该公式的计算值, 经调整, 与按规定的试验方法测得的实测值相比, 除膨珠、自燃煤矸石混凝土较低外, 其它都比较吻合, 其平均误差约为12%。

为了便于比较, 将该式中抗压强度换成标准立方体抗压强度, 乘以系数1.05, 并换算成国际单位, 则上式变为:

(3) 我国《轻集料混凝土技术规程》 (JGJ51-90) 建议采用下面的公式:

式中, Ec—轻集料混凝土弹性模量, MPa;

ρ—轻集料混凝土的表观密度, kg/m3;

fcu·k—轻集料混凝土标准立方体抗压强度标准值, MPa。

(4) 美国混凝土协会ACI 318和ACI 213R委员会从1979年至2000年也相继将轻集料混凝土弹性模量公式列入有关标准性文件中。归纳起来结构轻集料混凝土的弹性模量可按下式计算:

式中, Ec—轻集料混凝土弹性模量, MPa;

ρc—轻集料混凝土表观密度, kg/m3;

fc′—轻集料混凝土 (圆柱体试件) 的抗压强度, MPa。

该式适用于表观密度 (ρ值) 为1440~2480kg/m3的优质结构混凝土, 其偏差约在± (15~20) %, 实测值一般比计算值偏低。

为了便于比较, 将该式中圆柱体试件换算成标准立方体强度, 换算系数为1.20, 则上式变为:

2 试验

2.1 原材料

水泥:42.5级普通硅酸盐水泥。

玻化微珠:是一种无机玻璃质矿物材料, 由火山岩粉碎成矿砂, 经过特殊膨化烧法加工而成, 产品呈不规则球状题颗粒, 内部为空腔结构, 表面玻化封闭, 理化性能稳定, 具有质轻、隔热防火、耐高低温、抗老化、吸水率小等优良特征, 是一种环保型高性能无机轻质绝热材料。试验选用太原某公司生产的SKD-Ⅱ产品, 产品的物理性能和形状见表1[4]和图1。

石:碎石, 粒径5~20mm, 堆积密度1630kg/m3。

砂:普通河砂, 含泥量小于2%, 中砂, 堆积密度1500kg/m3。掺合料和外加剂:课题组自行研制的Ⅰ型和Ⅲ型外加剂以及复合矿物超细粉。

2.2 配合比

试验共分5组, 每组的配合比见表2。

在每组试验中掺入适量的外加剂和复合矿物超细粉。

2.3 试验过程

试验中成型150mm×150mm×150mm的立方体试块测定抗压强度, 成型100mm×100mm×300mm的试件测定弹性模量, 且每组试验中测定抗压强度和弹性模量的试件各做3块。试验过程中混凝土拌合物采用机械搅拌, 振动台振捣密实, 并在养护箱中养护28d。抗压强度与弹性模量采用WAW-1000KN微机控制电液伺服万能试验机和引伸仪进行测定, 表观密度由电子秤称得质量后计算可得。弹性模量测定时先将试件表面与上下承压板面擦干净, 然后将引伸仪安装在试件两侧的中间上并对称于试件的两端。仔细调整试件在压力试验机上的位置, 使其轴心与下压板的中心对准。加荷的初始荷载值为50k N。并应连续匀速地加载至200k N, 保持恒载60s并在后30s内记录变形数, 然后以同样的速度卸载到50k N, 如次重复加、卸5次, 测定并计算出试件的弹性模量值。

3 试验结果与分析

3.1 弹性模量的实测曲线

由于弹性模量实测曲线具有相似的形状及特征, 本文仅给出Ⅰ、Ⅱ组试验中某典型试件的实测曲线, 见图2和图3[5]。

3.2 试验结果与原经验公式比较

试验所测得的玻化微珠保温混凝土密度, 抗压强度、及弹性模量如表3所列, 利用经验公式 (1) 、公式 (2) 、公式 (3) 、公式 (4) 计算的弹性模量值见表3。其中, 各公式中抗压强度值均为标准值, fcu·k=fcu-1.645σ, σ取5.0MPa。

由表3可以看出, 采用现有经验公式计算出的弹性模量值均比实测值高, 且相对误差较大。

3.3 由试验数据回归的计算公式

由于玻化微珠保温混凝土具有轻骨料混凝土的许多特征, 可以看作一种特殊的轻骨料混凝土, 且弹性模量较普通混凝土更接近于按轻骨料混凝土的公式值, 考虑到与现有公式相比较, 以公式 (3) 为基础确定回归模型。回归模型为, 其中β0为回归系数。

由试验数据可得β0为1.82, 则拟合出玻化微珠保温混凝土弹性模量计算公式为:

利用公式 (5) 计算出的弹性模量值见表3, 其平均相对误差较小, 且每个值的相对误差小于6%。

4 结论

(1) 采用普通混凝土或轻骨料混凝土经验公式计算玻化微珠保温混凝土的弹性模量误差较大, 其计算值均大于实测值。

(2) 根据试验拟合出了玻化微珠保温混凝土的弹性模量计算公式为, 相对误差小于6%, 为利用玻化微珠保温混凝土进行结构设计提供了参考。

参考文献

[1]张泽平, 董彦莉, 李珠.玻化微珠保温混凝土正交试验研究[J].混凝土与水泥制品, 2007 (6) :55-57.

[2]龚洛书, 丁威.重新标定轻集料混凝土弹性模量[J].混凝土, 2002 (3) :13-15.

[3]宋小软, 张燕坤, 侣建.粉煤灰陶粒混凝土的弹性模量计算[J].工业建筑, 2006 (2) :61-63.

[4]DBJ104-250-2007, 玻化微珠保温砂浆应用技术规程[S].山西:山西科学技术出版社, 2007.

混凝土弹性模量篇5

关键词：混凝土多孔砖砌体,混凝土多孔砖,砂浆,本构关系,弹性模量

0前言

砌体弹性模量是砌体结构的基本力学指标[1],是进行砌体构件强度[2]、刚度、稳定性计算及抗震[3,4]、有限元分析时必不可少的一个材料参量。随着混凝土多孔砖成为替代黏土制品的主导产品之一,有必要对其力学性能进行更全面的了解,而该砌体及砌体材料的弹性模量亦是研究其力学性能的一个重要指标[5,6]。

当根据棱柱体试验确定砌体弹性模量时,ACI/ASCE5-02/TMS402-02和Uniform Building Code(UBC-91)均采用由σ=0.05f'm和σ=0.33f'm两点之间的割线的斜率确定(其中,f'm为砌体28 d的抗压强度);当不进行棱柱体试验时,ACI/AS-CE5-02/TMS402-02的方法即根据影响砌体弹性模量的主要因素——砌体抗压强度(f'm)和砂浆类型(M,S,N)制成表格,供设计时使用,而这种取值的特点为对于同一类砌体,当采用强度等级不同的砂浆时,砌体弹性模量取值存在不连续性。

我国《砌体结构设计规范》依据砌体弹性模量与砌体抗压强度或砂浆强度等级之间的关系[7,8],由砌体抗压强度或砂浆强度确定砌体的弹性模量,与此法类似的DB22/T 442—2007《混凝土多孔砖砌体结构技术规程》规定,当砂浆强度分别为M7.5及M10时,混凝土多孔砖砌体弹性模量为其抗压强度设计值的1600倍和1700倍。这种方法计算虽然简单,但不能反映出各种不同的砌体材料砌体在受力性能上的差别。可见,提供具有连续性的混凝土多孔砖砌体弹性模量的统一表达式,对于该结构的理论研究和工程设计具有重要意义。

利用有限元方法对混凝土多孔砖砌体结构进行静态、动力分析时,可将砌体视为各向同性单相介质,采用匀质材料的变形规律,其弹性模量可按规范所述方法确定。但如果对组成砌体的各个组成部分的各种破坏机理作进一步的应力分析,则必须将块体、砂浆层分开模拟,分别提供块体、砂浆的弹性模量取值。因此,确定块体、砂浆的弹性模量也具有十分重要的意义。

1 利用试验统计资料得到的混凝土多孔砖砌体及砌体材料弹性模量取值的方法

1.1 混凝土多孔砖砌体弹性模量

1.1.1 试件制作

本试验采用KP1型混凝土多孔砖,外形尺寸为240 mm×115 mm×90 mm,孔洞率约为28%,密度约1440 kg/m3,其原材料配比为:水泥18%,粉煤灰19%,煤矸石11%,中砂17%,5~10 mm的碎石35%。测试弹性模量及轴心抗压的试件各6组共120件。试件数量、几何尺寸、使用的砖及砂浆强度见表1。试件砌筑尺寸满足GBJ 129—90《砌体基本力学性能试验方法》要求。试件砌筑时孔洞面向下,在盲孔面铺砌砂浆。施工应保证层间砂浆砌筑饱满度达90%以上,立缝砂浆砌筑饱满度85%以上,进入砖孔内砂浆高度不小于6 mm。由于混凝土多孔砖的吸水率较低,砌筑后砌体强度上升速度缓慢,因此,试件砌筑完毕应立即在其顶部压砖。将试件放入标准养护室[温度(20±3)℃,相对湿度60%~80%]养护,约24 h后可达到初期强度,继续养护至28 d。

1.1.2 试验设备及加载方式

混凝土多孔砖砌体弹性模量的测试在20 t电液伺服万能试验机上完成,示值的相对误差不大于±2%。为了保证加载时砌体均匀受压,试件顶部采用1∶3水泥砂浆找平并用水平尺检查其平整度,试件承压面的不平度应为每100 mm不超过0.05mm,承压面与相邻面的不垂直度不应超过±1%。将千分表安装在测试弹性模量的试件上,保证将其安装在试件成型时两侧面的中线上,并对称于试件两端。试件的测量标距为150 mm。千分表安装完毕后,应仔细调整试件在试验机上的位置,使其轴心与下压板的中心对准。开动试验机,先用位移控制,速度为0.05 mm/s,当上压板与试件接近时,调整球座,使接触均衡。再改为力控制,按7 k N/s的加荷速度连续而均匀地加荷至轴心抗压强度的40%左右,即达到弹性模量试验的控制荷载值,然后以同样的速度卸载至零,如此反复预压3次。在预压过程中,应观察试验机及千分表运转是否正常,如不正常,应及时予以调整。混凝土多孔砖砌体弹性模量试验加载示意见图1。

预压3次后,用上述同样速度进行第4次加荷,先加荷到应力为0.5 MPa的初始荷载值,保持30 s后分别读取试件两侧千分表的初始读数,然后加载至控制荷载,保持30 s后,读取两侧千分表的读数。两侧读数增值的平均值,即为该次试验的变形值。

按上述速度卸载至初始荷载,30 s后再读取试件两侧千分表的初始读数,并按上述方法继续进行第5次加荷、持荷、读数,并计算出该次试验的变形值。前后2次试验的变形值相差不大于0.0002测量标距时,试验即可结束。否则,应重复上述过程,直到2次相邻加荷的变形值相差符合上述要求为止。然后卸除千分表,以同样速度加荷至破坏,测得试件的棱柱体抗压强度fm。

1.1.3 试验结果及分析

试验数据表明,其弹性模量与抗压强度有关,并随混凝土多孔砖砌体抗压强度的提高而增大,两者之间并不成线性关系,采用最小二乘法拟合,可以得到其割线模量(变形模量)。为了符合砌体在使用阶段受力状态下的工作性能,建议在工程应用中取混凝土多孔砖砌体的弹性模量表达式为:

将按式(1)确定的砌体弹性模量计算值E与实测值Ee、DB22/T 442—2007取值Ec进行比较,结果见表2。其中:E/Ee的平均值为1.004,变异系数为0.108;E/Ec的平均值为0.954,变异系数为0.039,吻合较好。

1.2 混凝土多孔砖的弹性模量

与砖厂合作按砖的材料原配比配制混凝土并将其制成试件,混凝土多孔砖弹性模量的试件为棱柱体,取其截面尺寸为150 mm×150 mm×300 mm,并将试件模板的一侧钻1个Φ60mm圆孔,插入1根DN50的PPR管,严格按照要求灌注、养护混凝土,并于1 d后抽出PPR管,使其形成空心的混凝土试件,如图2所示。每组试验制备6个试件,其中3个用于测定轴心抗压强度,共做4组。试验设备及加载方式同上。

经分析,得到混凝土多孔砖的弹性模量表达式为:

按式(2)确定的Eb与实测值Ebe进行比较,结果如表3所示。Eb/Ebe的平均值为1.006,变异系数为0.154,吻合较好。

1.3 砂浆的弹性模量

砂浆弹性模量的标准试件为棱柱体,其截面尺寸为70.7mm×70.7 mm,高为210 mm。每组试验制备6个试件,其中3个用于测定轴心抗压强度,每种砂浆设计强度[M15、M10、M10(混)]做3组,共做9组。养护条件及加载方式同上。

根据试验结果发现,砂浆的弹性模量亦与其抗压强度有关,并随砂浆抗压强度的提高而增大。经数理统计回归,得到砂浆的弹性模量表达式为:

按式(3)确定的Em与实测值Eme进行比较,结果如表4所示。Em/Eme的平均值为1.002,变异系数为0.096,吻合较好。

2 基于混凝土多孔砖砌体受压本构关系推导其弹性模量取值的方法

2.1 试验过程及结果

轴心抗压砌体试件数量、几何尺寸、使用的砖及砂浆强度见表1,试件养护条件及试验设备同弹性模量测试试件[9]。

试验应连续而均匀地加荷,先用位移控制,速度为0.05mm/s,待试件与试验机完全接触后,改为力控制,速度为7k N/s,观察试验过程中的力与变形曲线,试验采用分级加载,每级加载50 k N,两级加载之间持荷5 min,持荷期间观察砌体裂缝的发生与发展。当试件接近破坏而开始迅速变形时,应停止调整试验机油门,直至试验破坏,然后记录破坏荷载;得到混凝土多孔砖砌体轴心抗压的数据如表5所示,并绘制砌体轴心受压的应力-应变曲线(见图3)。

2.2 结果分析

由图3可知,从受压一开始,混凝土多孔砖砌体的本构曲线就不成线性变化。随着荷载的增加,变形增长逐渐加快,在接近破坏时,荷载很少增加,变形急剧增长。可以将变形曲线分两部分,其中,上升段基本上成抛物线形,下降段则可近似用直线描述。基于以上试验数据,采用最小二乘法拟合,得到混凝土多孔砖砌体受压本构曲线为[10,11,12]:

当ε≤ε0时,

当ε0<ε≤3ε0时,

式中:fm——砌体的抗压强度平均值,MPa。

通过计算砌体受压本构曲线上原点处的切线的正切值,得到该点应力增量与应变增量的比值,即切线弹性模量为:

当ε0取0.002时,式(6)则为:

按式(7)确定混凝土多孔砖砌体的弹性模量E2与按式(1)确定的混凝土多孔砖砌体的弹性模量E1进行比较,结果如表6所示,E2/E1的平均值为0.896,变异系数为0.040,吻合较好。

3 基于多孔砖、砂浆的弹性模量推导砌体弹性模量的方法

混凝土多孔砖砌体是弹塑性材料,而根据弹性模量的力学意义可知,在弹性阶段,压应力σ作用下的砌体压应变ε(ε=σ/E)应等于砌块产生的压应变εb(εb=σ/Eb)与砂浆产生的压应变εm(εm=σ/Em)之和,即

式中:E、Eb、Em——分别为砌体、砌块、砂浆的弹性模量,MPa。

由轴心受压砌体中的砌块和砂浆的实际受力特点,需将式(8)中的Eb乘以小于1的系数k1,Em乘以大于1的系数k2予以调整。经分析,对于混凝土多孔砖砌体,系数k1、k2值应分别取0.85、1.55,同时将式(2)和式(3)代入式(8),得到弹性模量的表达式为:

按式(9)确定的混凝土多孔砖砌体的弹性模量E3与按式(1)确定的混凝土多孔砖砌体的弹性模量E1进行比较,结果如表6所示,E3/E1的平均值为0.906,变异系数为0.139,吻合较好。

4 结语

本文从3个不同的途径,即根据混凝土多孔砖砌体的弹性模量试验结果、受压的本构关系、应变分析,采用3种方法[按式(1)、(7)、(9)]确定其弹性模量,可以看出,前2种方法较第3种方法的计算结果与试验结果、现行规范的取值更加吻合。

根据试验结果,混凝土多孔砖、砂浆的弹性模量表达式,可分别按式(2)、式(3)确定。

由本文的3种计算途径可以看出,混凝土多孔砖砌体的弹性模量既可由砌体的抗压强度亦可由多孔砖、砂浆的抗压强度确定,后者更有利于利用混凝土多孔砖砌体材料的力学性质深入研究,即混凝土多孔砖砌体结构的受力性能及开裂、破坏机理。

在本文的研究基础上,还可以对混凝土多孔砖砌体沿水平灰缝切向的弹性模量、动力荷载作用下的弹性模量以及复杂应力状态下的弹性模量取值作进一步研究。

参考文献

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[2]唐岱新,王凤来.混合结构房屋墙体计算简图的研究[J].哈尔滨建筑大学学报,2000(5):16-20.

[3]杨伟军,林立,杨春侠.混凝土多孔砖砌体房屋抗震可靠度分析[J].工程力学,2007,24(10):100-104.

[4]王凤来,陈再现,刘洧骥,等.底层框支配筋砌块砌体短肢剪力墙结构抗震性能试验[J].建筑砌块与砌块建筑,2008(5):100-104.

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[6]Lidia La Mendola.Influence of nonlinear constitutive law on ma-sonry pier stability[J].J.Struct.Engrg.,ASCE,1997,123(10):1303-1311.

[7]朱伯龙.砌体结构设计原理[M].1版.上海:同济大学出版社,1998:13-16.

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[9]庄一舟,黄承逵.模型砖砌体力学性能的实验研究[J].建筑结构,1997,27(2):22-25.

[10]Senthivel R,Sinha S N,Alok Madan.Influence of bed jointorientation on the stress-strain characteristics of sand plast brick masonry under uniaxial compression and tension.12th Brick/Block Masonry conference,Spain,2000:1655-1666.

[11]Madan A,Reinhorn A M,Mander J B,et al.Modeling of masonry infillpanels for structural analysis[J].J.Struct.Engrg.,AS-CE,1997,123(10):1295-1301.

混凝土弹性模量篇6

关键词：防渗墙,塑性混凝土,弹性模量,检测方法

一、塑性混凝土的特点

塑性混凝土是一种水泥用量很少并加入了膨润土 (有时掺加粘土、粉煤灰) 的混凝土, 其水泥胶结物的粘结力低, 从而使其强度大大降低, 塑性变大。塑性混凝土防渗墙具有弹性模量低、极限应变大的优良特性, 可以大大提了防渗墙的安全性, 塑性混凝土的优良性能主要取决于以下特性。

1. 塑性混凝土具有极低的变形模量, 而且可以人为控制其配合比, 使其变形模量在较大范围内变化。

2. 塑性混凝土具有与土层形态非常相似的应力应变曲线, 可以人为地选择与周围土层应力应变曲线相吻合的塑性混凝土配合比。

3. 塑性混凝土的极限应变值比普通混凝土大得多, 普通混凝土的受压极限应变值为e=0.08%~0.3%, 而塑性混凝土在无侧限条件下的极限应变超过1%, 比普通混凝土大几倍甚至几十倍。

4. 在三向受力条件下塑性混凝土的强度有很大的提高, 而且几乎与围压呈直线增大, 这就意味着随着围压的增加。塑性混凝土的强度增加了, 防渗墙的安全度也就得以提高了。

二、混凝土的弹性模量

混凝土的弹性模量有4种表示方法:割线模量Ec;切线模量Ec′;初始切线 (原点) 弹性模量Ec″;静力抗压弹性模量。

所表示的集料、混凝土与硬化水泥浆体的典型应力—应变曲线中, 可以看出集料与硬化水泥浆体前半段的应力-应变曲线都呈现弹性关系, 而混凝土应力-应变曲线呈现高度的非线性关系, 这表明混凝土在荷载作用下的非弹性力学行为。

抗压弹性模量是结合割线模量、切线模量、初始切线 (原点) 弹性模量测试方法, 在应力-应变曲线上作应力为0.5 MPa时的荷载 (P2) 与40%的极限破坏荷载 (P1) 的连线, 以消除应力—应变曲线起始时所呈现的轻微凹形的影响, 以提高数据的准确性、可靠性。由于该方法测试结果相对较准确, 因此在工程中常被采用。

式中:Ec为混凝土静力抗压弹性模量, MPa;

P1为40%的极限破坏荷载, N;

P2为应力为0.5 MPa时的荷载, N;

A为试件受压面积, mm2;

L为原始标距, mm;

ΔL为应力从0.5 MPa增加到40%破坏应力时的试件变形值, mm。

三、对防渗墙塑性混凝土弹性模量检测方法

某水电站尾水渠和泄洪渠一标防渗墙, 全长3 000 m。防渗墙塑性混凝土强度要求≥C5, 弹性模量≤2 100 MPa。其他情况:抗渗指标≤i×10-7 cm/s, 防渗墙构造深度12~30 m之间, 膨润土参量70 Kg/m3, 水泥用量110 Kg/m3。对其弹性模量检测试样为标准圆形体, 原始标距分别使用150 mm和300 mm, 检测结果前者均高于后者。其检测方法相同, 标距不同, 结果就存在差异。目前, 对防渗墙塑性混凝土弹性模量检测均无统一的标准, 只能通过大量试验, 才可能得到有利于不同等级的混凝土结构设计参数。本文采用冲击弹性波作为测试媒介, 通过测试弹性波的波速, 据此计算出材料的动弹性模量和推算相应的静弹模, 进而根据静弹模与抗压强度的相关关系推算混凝土的抗压强度, 其核心在于精确地测试混凝土材料的弹性模量EC。

混凝土的弹性模量EC不仅影响到了结构的变形, 而且也是反映混凝土质量、耐久性的重要指标。第一, 可以反映材料的刚性特性, 在结构的变形计算中是重要的参数。特别是对于高强度混凝土, 简单地采用抗压强度反推弹模的方法往往具有较大的误差;第二, 混凝土材料的老化往往先从弹模的降低开始, 而新建结构的施工不良也会在弹模方面有所显现。

在高铁梁的施工中, 不仅要求控制抗压强度 (通常为C50) , 也要求控制弹模CE在34.5 GPa以上。

在本系统中, 弹模的测试主要是通过对波速的测试。

对于1维均质弹性体, 其弹性模量E与弹性波P波波速VP1的关系可以表示为。

其中, 为材料的密度。对于混凝土, 一般为2 400 kg/m3左右。当测试对象为2维或3维时, P波速度有一定的变化。

而对于表面波 (瑞利波) , 其关系可以表示为:

一般来说, 混凝土的动泊松比为0.2~0.25。

需要指出的是, 材料在小应变条件下的动弹性模量 (Ed) , 而非静弹性模量E。对于钢材这样的均质弹性材料, Ed与E非常接近;而对于混凝土这样非线性材料而言, Ed与E之间则有一定的差异。

钢筋混凝土结构设计规范BS8110 (Part2) 中, 对于高性能混凝土 (GPa) :

而根据Neville的研究成果为:

在本系统中, 采用了3-6式的计算方法。

由于测试对象和测试位置的不同, 在系统中也集成了多种测试方法。主要有基于反射特性的测试方法, 如冲击回波法;基于透过特性的测试方法, 如单面传播法和双面透过法。

四、结语

现有的混凝土强度理论各具有优点, 但都存在一定缺陷。因此, 如何研究发展混凝土的强度理论, 建立适用于不同环境, 不同应力状态、不同应力路径的强度理论显得尤为重要。弹塑性理论知识有助于人们更加充分的了解混凝土的物理化学性能及其变形和破坏规律, 增进了人们对混凝土强度形成机理的认识, 为人们采用数值方法生成和构筑混凝土的本构关系提供了强有力的工具。

参考文献

[1]徐秉业.应用弹塑性理论[M].北京:清华大学出版社, 1995.

混凝土弹性模量篇7

高性能海工混凝土是针对混凝土结构在海洋环境中的使用特点, 通过合理的配制技术, 形成耐久性能、施工性能、物理力学性能以及相关性能俱佳的混凝土材料。高性能海工混凝土的突出特点表现在其高耐久和耐腐蚀性能, 尤其是混凝土抵抗氯离子侵蚀的性能方面。

与普通混凝土在原材料、配合比以及生产和施工工艺等方面有所差别。具体表现在:1) 高性能海工混凝土胶凝材料的原材料除水泥外, 还要掺用至少一种矿物掺合料, 并保证一定的胶凝材料用量, 从而使得混凝土微结构得以优化, 孔隙结构得以改善。2) 高性能海工混凝土通过高性能混凝土减水剂的合理使用, 降低混凝土单方用水量, 有利于形成混凝土致密结构。3) 高性能海工混凝土在保证其良好的施工性能和物理力学性能的同时, 最大化地提高其耐久性能, 尤其是抵抗海洋环境中的氯离子侵蚀作用。

2 高性能海工混凝土静压弹性模量实测的过程、结果分析

2.1 混凝土配合比设计

结合工程实际采用了C50和C60两组高性能海工混凝土配合比作为受检混凝土, C50混凝土坍落度在160 mm～200 mm之间, C60混凝土坍落度在50 mm～70 mm之间, 另外配制两组同等级普通混凝土作为基准混凝土进行对比, 坍落度控制在与受检混凝土基本相同, 主要区别在于基准混凝土不掺矿物掺合料, 使用普通减水剂。

2.2 试验过程

混凝土试件的制备和养护应符合有关规定。每组成型150 mm×150 mm×150 mm试件一组3块, 测定立方体抗压强度, 150 mm×150 mm×300 mm试件一组6根, 其中3根用于测定轴心抗压强度, 提出弹性模量试验的加荷标准, 另外3根则作弹性模量试验。

(1) 主要仪器设备:

微机屏显液压万能试验机WEW-1000D型1000kN;

全自动混凝土压力试验机DY-2008型2000kN;

混凝土弹性模量测定仪HTY-Ⅱ型0～1 mm精度0.001 mm。

(2) 轴心抗压强度试验:

1) 先将试件擦拭干净, 测量尺寸, 并检查其外观。试件尺寸测量精确至1 mm, 并据此计算试件的承压面积。2) 将试件直立放置在试验机的下压板上, 试件的轴心应与压力机下压板中心对准。开动试验机, 当上压板与试件接近时, 调整球座, 使接触均衡。

混凝土试件的试验应连续而均匀地加荷, 当试件接近破坏而开始迅速变形时, 应停止调整试验机油门一直至试件破坏。然后记录破坏极限荷载F (N) 。

2.3 静力受压弹性模量试验

测定的混凝土受压弹性模量取应力对应轴心抗压强度1/3时的弹性模量。

试件从养护地点取出后应及时进行试验。试验前试件用湿毛巾覆盖, 混凝土静力受压弹性模量试验应按下列步骤进行。

(1) 先将试件擦拭干净, 测量尺寸, 并检查其外观。试件尺寸测量精确至1 mm, 并据此计算试件的承压面积。试件不得有明显缺损, 端面不平时须先抹平。

(2) 微变形测量仪应安装在试件成型时两侧面的中线上, 并对称于试件的两侧。

(3) 标准试件的测量标距采用150 mm。

(4) 预压:确认对中符合要求后, 以相同速度卸荷至基准应力为0.5 MPa对应的初始荷载值F0, 保持恒载60 s。以相同速度加荷到Fa, 保持恒载60 s, 最后以相同速度卸荷初始荷载值F0, 至少进行两次预压循环。

3 弹性模量的提高对材料工程应用的影响

长期以来, 面对所能够使用的传统工程材料和长期的工程教育, 工程师们都认为没有延性的材料是不能作为工程结构使用的, 也甚至忘记历史上, 人们曾经使用铸铁、石头和木材等这些近似弹脆性材料所建造的大量工程结构, 仍然具有足够的安全储备。

应该指出的是, 从结构体系整体角度, 高强弹性材料对保证整体结构的承载力、低损伤性和可修复性具有重要意义, 因为:

(1) 高强弹性材料强度高, 结构构件尺寸小, 自重轻, 便于实现超高度和大跨度工程结构, 也有利于较小地震等意外事件作用的动力响应。

(2) 高强弹性材料弹性范围大, 在弹性范围无损伤, 且具有良好的弹性回复能力, 有利于结构在经受大变形后的复位。

(3) 高弹性材料弹性变形能力大, 尽管高弹性材料在达到其极限强度时往往具有脆性破坏特征, 但其相应的变形能力与低强材料的延性是相适应的, 当在结构体系中高强高性能材料构件与低强高延性材料构件结合, 有利于整个结构体系形成合理的损伤破坏机制, 有利于减小和抵御意外事件的动力作用。

(4) 在正常使用阶段, 高强弹性材料的应力水平通常远低于其强度, 高强材料结构构件的承载力安全储备高。从安全储备理论来分析, 对于意外事件的作用, 承载力储备要比塑性变形能力储备更有意义。塑性变形能力储备的最重要功能是改变结构自身的动力特性和耗散动力输入能量, 减小结构在意外事件作用下的动力响应, 并使结构尽快停止振动。

4 结语

本文结合高性能工程材料的试验对比和工程实践, 论述了高性能海工混凝土由于材料、配比和施工工艺的变化带来了变形特性的强化, 以及不同试验方法产生的影响, 取得以下主要结论:

(1) 可以考虑根据结构所处环境和使用功能的要求, 将高强高性能混凝土材料用于严酷作用下的关键部位, 而将低强高延性材料用于结构次要部位, 而且这种设计概念可以引伸到结构构件层次。

(2) 针对高强高性能工程混凝土结构的受力特性不同于传统工程结构的问题, 本文指出高性能海工混凝土材料基本性能的变化, 其弹性极限有显著提高, 而弹性极限是宏观裂缝的起点, 这对提高工程结构的耐久性有很好的支撑。

(3) 可以说, 新材料的性能研究和在工程中的应用, 印证了科学理论螺旋型发展的模式。高性能混凝土是个广泛的概念, 高性能海工混凝土的研究成果在今后工程中不断丰富, 更好地为工程服务是我们的期待。

摘要：在实测高性能海工混凝土静力受压弹性模量的基础上, 分析这一复合材料的变形性能, 结合新旧规范和试验方法标准的变化, 分析其原因和由此产生的影响。

关键词：高性能海工混凝土,静压弹性模量,实测过程

参考文献

[1]JTG D62-2005.公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范[S].

混凝土弹性模量篇8

在高速公路建设过程中, 混凝土的早期 (28天龄期以前) 强度和弹性模量极大的影响着施工期结构安全, 常成为建设期工程进度的控制因素和结构安全的决定因素。水、胶凝材料和骨料 (粗、细) 通过一定比例配合, 然后拌合, 最后经一定时间硬化而成的人工合成的混合材料就是混凝土, 水灰比、水泥的标号、龄期、砂率、级配、外加剂的性能等众多因素影响着它强度性能。其强度随时间的变化有一个发展过程, 这使得混凝土的性质在建设期更加难以控制。目前的专家、学者和业界工程人员多在研究28天龄期以后的混凝土强度和弹性模量, 很少研究28天龄期以前的混凝土强度和弹性模量。而时间是影响28天以前的混凝土强度的主要因素, 其28天以前的强度和弹性模量根据时间的增长而不断增大。目前对混凝土早期强度的研究多用早期强度的推算和强度增长曲线的拟合方法, 对于混凝土早期弹性模量的研究尚不多。神经网络具有很强的非线性映射功能, 本文利用神经网络理论建立预测数学模型, 通过对混凝土的早期弹性模量进行预测, 为解决混凝土的早期弹性模量不易测定的问题提供了有意义的参考价值。

2 BP神经网络

由Rumelhart和McClelland提出的BP神经网络模型是目前应用最广泛的模型之一[1], BP训练方法是通过反向误差传播原理不断调整网络权值使得实际输出与期望输出之间的误差平方和达到最小或小于某个阈值。当H未知时, 通常采用梯度下降法迭代调整W:

, 其中η代表学习速率。

本文介绍BP神经网络的结构及算法是以单隐层为例, 在解决实际工程问题过程中, 输入层与输出层的单元数的判定是由实际工程问题决定, 隐层层数与单元数的判定是由试算来确定。如图1所示。

3 BP神经网络模型应用实例

1) BP神经网络模型

为了提高预测混凝土弹性模量模型的收敛速度和计算精度, 本文采用双隐层的前馈BP神经网络来建立预测混凝土弹性模量模型。预测模型结构如图2所示, 一个输入层、两个隐层, 一个输出层共同组成了预测混凝土弹性模量的BP神经网络模型。本文以混凝土的早期强度和混凝土的龄期作为输入单元;以最终误差最小及收敛速度快的原则调整隐层节点数;采用一个神经元作为预测混凝土弹性模量的BP神经网络模型输出。表1基本参数取值范围表明确了基本数据中所有参数的取值范围, 并标准化处理了输入数据中的龄期 (天) 、混凝土的早期强度 (MPa) 和混凝土的早期弹性模量 (GPa) , 使原始数据进入 (0, 1) 范围内。

2) BP神经网络的学习

本文的试验样本数据共52组, 来自于文献[2]中的实验数据。本文仿真试验的训练集是选择其中的40组数据, 测试集是剩余的12组数据。中间隐层通过试算选用两层, 第一层、二层分别为12个和10个单元。经过试算, 可以达到较好的收敛速度和输出精度。

本文的试验环境是选择Matlab6.0开发程序, 训练集合是用表2原始训练数据表中的数据。测试集合是用表3测试样本、网络输出及误差表中的原始数据, 通过训练网络仿真试验, 得到计算结果显示在表3测试样本、网络输出及误差表中。在学习中, 本文采用了带动量项的网络修正方法, 使网络收敛速度快且系统误差较小, 与之对应的α (动量系数) =0.90, epochs (迭代次数) =1000, lr (学习速率) =0.0010, err (训练误差) =0.06, run_time (训练时间) =25.765 (s) 。网络训练误差及迭代收敛曲线见图3网络仿真误差、训练次数及学习率。

3) 网络性能的评定

观测上述预测混凝土弹性模量的BP神经网络模型训练和学习的参数以及表3测试样本、网络输出及误差表中列出的计算结果, 与文献[3]中的期望结果 (表3测试样本、网络输出及误差表) 进行比对, 结果显示预测混凝土弹性模量的BP神经网络模型输出的弹性模量同实际回归公式计算的弹性模量结果较为接近, 最大误差为4.2%, 平均误差为2.3%, 满足误差精度, 能够很好地满足高速公路建设施工的工程要求。

4 结论

本文采用BP神经网络模型方法, 在混凝土的龄期参数、早期强度、早期弹性模量三者之间建立关联关系模型, 通过上述仿真试验计算表明:BP神经网络模型能够有效地预测混凝土的早期弹性模量, 相对误差小, 可以认定为是一种实用的求混凝土早期弹性模量的方法。

摘要：神经网络具有很强的非线性映射功能, 该文在测定混凝土早期强度的基础上利用BP神经网络对其弹性模量进行预测。重点讨论了BP神经网络的拓扑结构和修正算法。通过对检验结果进行分析比较, 表明利用BP神经网络能对混凝土早期的弹性模量进行预测。

关键词：BP神经网络,混凝土,弹性模量,预测

参考文献

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[2]严家级.道路建筑材料[M].北京:人民交通出版社, 2001.

混凝土弹性模量篇9

关于普通混凝土在高温后力学性能的研究表明,火灾(高温)后混凝土各项力学性能劣化,混凝土结构安全性降低。造成高温后混凝土损伤有诸多因素,包括火灾温度、冷却方式、恒温时间等[2]。弹性模量是进行构件设计和计算结构位移的重要参数,所以对高温后混凝土的弹性模量研究具有十分重要的意义。本文重点试验研究不同温度作用与冷却方式对玻化微珠保温混凝土弹性模量的影响程度。

1 试验概况

1.1 试验材料

玻化微珠:由火山岩碎成矿砂,经过特殊膨化烧法加工而成,具有质轻、耐高低温、抗老化、吸水率小等优良特性。本试验所用玻化微珠采用某企业生产的体积密度为120 kg/m2玻化微珠产品,。性能指标[3]为:粒度0.5~1.5 mm、密度80~130kg/m3、导热系数0.032~0.045 W/(m·K)、漂浮率≥98%、表面玻化率≥95%。采用真空抽滤法测定吸水率20%~50%、1 MPa压力的体积损失率38%~46%、耐火度1280~1360℃、使用温度1000℃以下。

水泥:太原狮头水泥厂生产的42.5级普通硅酸盐水泥;

石子:碎石,最大粒径20 mm,堆积密度1600 kg/m3;

砂:堆积密度1460 kg/m3,细度模数2.4;

外加剂:自行配制外加剂;

水:自来水。

1.2 试验设计

本试验玻化微珠保温混凝土强度为C45,参考C45普通混凝土的配合比,玻化微珠掺量占混凝土体积的60%,制备150 mm×150 mm×300 mm的棱柱体试件。本试验的高温试件在太原理工大学实验中心的SRJX型电阻炉中经过煅烧。加热温度为100、300、400、500、600、700℃,加热时间为2 h,养护时间为28 d。在进行弹性模量测试时,应选取表面平整的试件进行测量,使用微机控制电液伺服万能试验机STYE-3000C(见图1)。加热2 h以后,立即打开电炉取出试件置于地面上静止,即为自然冷却的试件;浇水冷却的试件取出后立即予以浇水冷却。每种温度下各取3组试块,均取其平均值作为该组试验值。如果试验结果出现离散,应及时增加试件数量,以求数据的准确完整,各项数据均由计算机动态采集[4]。

2 试验现象

经过高温处理后的试件,其表面发黄,无裂缝和断面的出现。经过300℃及以下温度处理的试件,在加载初期不会出现明显裂纹,而经过400℃及以上温度处理的试件,在加载初期会出现明显的裂纹。当达到极限压力时,试件突然失去承载力而破坏。破坏面沿试件上下表面的中心线展开,将试件一分为二,且处理温度越高,破坏越快,破坏面也越平整。

3 试验数据及分析

3.1 自然冷却后的弹性模量

根据前述试验方法,测得经过不同温度处理后自然冷却试件的弹性模量见表1。

用20℃下玻化微珠保温混凝土弹性模量Ec除表1中各弹性模量平均值,采用最小二乘法,得到弹性模量与温度的关系式(1)为:

图2给出了弹性模量与温度的曲线,可见,玻化微珠保温混凝土的弹性模量随着温度的升高,基本呈线性下降的趋势。从100℃开始,弹性模量急剧下降。由式(1)的计算结果与试验值符合较好。

3.2 浇水冷却后的弹性模量

根据前述试验方法,测得经过不同温度处理后浇水冷却试件的极限弹性模量见表2。

用20℃下玻化微珠保温混凝土弹性模量Ec除表2中各弹性模量平均值,采用最小二乘法,得到弹性模量与温度的关系式(2)为:

图3给出了弹性模量与温度的曲线,可见,玻化微珠保温混凝土的弹性模量随着温度的升高,基本呈线性下降的趋势。从100℃开始,弹性模量急剧下降。由式(2)的计算结果与试验值符合较好。

3.3 双因素方差分析

采用统计学软件SPSS,对双因素方差分析法进行冷却方式和温度对弹性模量的显著性影响分析。设温度为因素A,冷却方式为因素B。因素A为20、100、300、400、500、600、700℃7个水平(r=1,2,3,4,5,6,7),因素B有自然冷却和浇水冷却2个水平(s=1,2),相关计算数据见表3。

将表3数据代入相关公式,计算得到检验因素显著性的F分部值分别为FA=415.45,FB=16.45;又可知F0.01(6,6)=8.47,F0.01(1,6)=13.7;