本發(fā)明屬于交通工程領(lǐng)域，尤其涉及一種橡膠混凝土疊合構(gòu)件疊合層厚度優(yōu)化方法。

背景技術(shù)：

橡膠集料混凝土(Crumb Rubber Concrete,簡稱CRC)是一種把橡膠微粒作為水泥混凝土的組成材料配制而成的特殊混凝土,具有低彈模、大變形、較好的抗裂性等優(yōu)點。將CRC與普通混凝土制成疊合構(gòu)件,使彈性模量小的CRC在下層,組成疊合構(gòu)件，橡膠混凝土疊合構(gòu)件和普通混凝土相比較:橡膠混凝土疊合構(gòu)件比普通混凝土更晚達(dá)到極限拉力和極限拉應(yīng)變,其抗裂性明顯優(yōu)于普通混凝土構(gòu)件。

橡膠混凝土疊合構(gòu)件和橡膠混凝土構(gòu)件相較:

1)橡膠混凝土疊合構(gòu)件由于上層用彈性模量更大的普通混凝土替代橡膠混凝土,增加了構(gòu)件的剛度,減小了變形,延緩了其破壞。

2)減小了橡膠混凝土用量,節(jié)約了成本

但橡膠集料混凝土和普通混凝土的厚度的組合可以有無數(shù)種。橡膠集料混凝土疊合構(gòu)件中橡膠集料混凝土和普通混凝土各自具有優(yōu)良的力學(xué)性能，上層用彈性模量更大的普通混凝土替代橡膠混凝土,使其具有承載能力高等良好的力學(xué)性能，同時又具有良好的耐久性能。但對于橡膠集料混凝土疊合構(gòu)件中各疊合層各自厚度的選取往往采取經(jīng)驗的方式或者試驗的方式獲取，往往難以取得很好的效果，且容易造成材料浪費。目前國內(nèi)外還沒有橡膠混凝土疊合構(gòu)件的最優(yōu)厚度計算方法的記載，僅是從試驗或者其他渠道直接獲得相應(yīng)數(shù)據(jù)，可信度不高或者論證性不強(qiáng)，往往帶有其作者的主觀判斷。在交通工程領(lǐng)域亟待研發(fā)一種使疊合構(gòu)件能夠達(dá)到最優(yōu)的厚度，使其在力學(xué)性能指標(biāo)和經(jīng)濟(jì)指標(biāo)達(dá)到最優(yōu)化的方法。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于克服上述技術(shù)的不足，而提供一種橡膠混凝土疊合構(gòu)件疊合層厚度優(yōu)化方法，采用試驗配合有限元計算及數(shù)學(xué)公式計算，使疊合構(gòu)件能夠達(dá)到最優(yōu)的厚度，使其在力學(xué)性能指標(biāo)和經(jīng)濟(jì)指標(biāo)達(dá)到最優(yōu)化。

本發(fā)明為實現(xiàn)上述目的，采用以下技術(shù)方案：一種橡膠混凝土疊合構(gòu)件疊合層厚度優(yōu)化方法，其特征是：結(jié)合試驗、有限元分析及結(jié)合圖表進(jìn)行數(shù)學(xué)推導(dǎo)三者合一的優(yōu)化方法得到疊合構(gòu)件各部分力學(xué)性能指標(biāo)的最優(yōu)，具體步驟如下：

(1)橡膠集料混凝土疊合構(gòu)件分析前提試驗

1.1原材料

采用10目橡膠集料,表觀密度為1050kg/m³；配制橡膠集料混凝土的材料還包括:水泥：P-O 42.5、中砂:細(xì)度模數(shù)2.3-3.0、碎石:5-25mm；Ⅱ級粉煤灰、礦粉和減水劑；

1.2試驗配合比

試驗配合比以不同橡膠集料摻量作為考察重點,體積摻量在0％～15％之間,即0～15kg/m³

1.3試驗方法

進(jìn)行橡膠集料混凝土四點彎曲試驗,得出各種摻量下混凝土的極限彎拉應(yīng)變值；

(2)運用ANSYS大型有限元分析軟件，對橡膠集料混凝土疊合構(gòu)件受彎性能理論進(jìn)行分析，對各種摻量下混凝土層最優(yōu)厚度進(jìn)行定性分析；

(3)繪制橡膠混凝土層高度-承載力曲線,對橡膠混凝土層最優(yōu)厚度進(jìn)行定性分析；根據(jù)各摻量最大應(yīng)變結(jié)果,求出:施加大小為Pp的力時,橡膠混凝土底層最大拉應(yīng)變達(dá)到其極限抗拉應(yīng)變能力；施加大小為Pc的力時,普通混凝土底層最大拉應(yīng)變達(dá)到其極限抗拉應(yīng)變能力；其中：Pp:橡膠混凝土底層的承載能力，Pc:普通混凝土底層的承載能力；當(dāng)橡膠混凝土層承載力和普通混凝土承載力相同的時候,橡膠混凝土層力學(xué)性能指標(biāo)最優(yōu)；

(4)應(yīng)用插值法,對橡膠混凝土層最優(yōu)厚度進(jìn)行定量反算公式為F(x)＝f(x0)+f[x0,x1](x-x0)+f[x0,x1,x2](x-x0)(x-x1)

其中：F(x)—表示通過試驗或已知的標(biāo)準(zhǔn)試件橡膠混凝土與普通混凝土的應(yīng)變比；

f(x0)—F(x)的一階導(dǎo)數(shù)

f[x0,x1](x-x0)--F(x)的二階導(dǎo)數(shù)

f[x0,x1,x2](x-x0)(x-x1)--F(x)的三階導(dǎo)數(shù)

(5)根據(jù)上述結(jié)果繪制橡膠摻量和橡膠混凝土層最佳厚度層關(guān)系曲線圖，進(jìn)而達(dá)到給出最佳厚度時,疊合構(gòu)件承載力與普通混凝土梁承載力的對比，并推出橡膠混凝土層達(dá)到最佳高度時,疊合破構(gòu)件壞所需施加的荷載Pd。

有益效果：本發(fā)明的疊合層厚度優(yōu)化方法通過對橡膠集料混凝土疊合構(gòu)件分析前提試驗，可以得到準(zhǔn)確的力學(xué)性能指標(biāo)，通過調(diào)整配合比，使得橡膠集料混凝土疊合構(gòu)件在施工上有充足的依據(jù)，通過構(gòu)件室內(nèi)試驗，可以得出客觀的力學(xué)性能指標(biāo)，對于疊合構(gòu)件付諸應(yīng)用具有很高的參考價值；

(2)運用大型有限元分析軟件，對橡膠集料混凝土疊合構(gòu)件受彎性能理論進(jìn)行分析，給出了理論上的依據(jù)，得出各種摻量下構(gòu)件的應(yīng)變，為進(jìn)一步理論分析提供準(zhǔn)確的依據(jù)；

(3)繪制各種摻量橡膠混凝土層厚度-承載力曲線，此曲線可一目了然的看出疊合構(gòu)件中普通混凝土和橡膠混凝土各自所起的貢獻(xiàn)，進(jìn)而分析出整體疊合構(gòu)件的承載力等力學(xué)性能；

(4)根據(jù)(3)的結(jié)果，可以明了的看出疊合構(gòu)件中橡膠混凝土層最優(yōu)厚度的大體范圍，但我們想得到精確的最優(yōu)厚度解，采用了數(shù)學(xué)方法插值法進(jìn)行計算，最終得出來橡膠混凝土層最優(yōu)厚度。這樣既能得到最優(yōu)的力學(xué)性能的橡膠集料混凝土疊合構(gòu)件，又能對橡膠的摻量進(jìn)行控制，具有良好的經(jīng)濟(jì)效益。

附圖說明

圖1a圖1b是橡膠集料混凝土疊合構(gòu)件受彎性能計算模型示意圖；

圖2是橡膠集料混凝土四點彎曲試驗示意圖；

圖3是橡膠摻量為5％時橡膠混凝土層高度及承載力關(guān)系圖；

圖4是橡膠摻量和橡膠混凝土層最佳厚度層關(guān)系曲線。

圖中：1、橡膠混凝土層承載力，2、普通混凝土層承載力。

I-應(yīng)變片

具體實施方式

下面結(jié)合較佳實施例詳細(xì)說明本發(fā)明的具體實施方式。

實施例

本實施例以橡膠集料摻量5％為例，說明橡膠混凝土疊合構(gòu)件疊合層厚度優(yōu)化方法。

一種橡膠混凝土疊合構(gòu)件疊合層厚度優(yōu)化方法，結(jié)合試驗、有限元分析及結(jié)合圖表進(jìn)行數(shù)學(xué)推導(dǎo)三者合一的優(yōu)化方法得到疊合構(gòu)件各部分力學(xué)性能指標(biāo)的最優(yōu)，具體步驟如下：

(1)分析前提試驗

1.1原材料

采用10目(2mm)橡膠集料，表觀密度為1 050kg/m³。配制橡膠集料混凝土的材料還有：P-042.5水泥；中砂，細(xì)度模數(shù)2.55；級配良好的碎石，Dmax＝25mm；II級粉煤灰；礦粉；UNF高效減水劑。

1.2試驗配合比

試驗配合比以不同橡膠集料摻量作為考察重點，體積摻量在0％～15％之間，如表1所示。同時，考慮到工程中廣泛應(yīng)用礦物摻合料，配比中還使用了一定量的粉煤灰和礦粉，同時使用了減水劑。

表1 試驗混凝土配合比

注：橡膠集料的體積百分摻量以R表示，例如，R＝10表示每立方米混凝土中含有0.1m³的橡膠集料。

1.3試驗方法

詳見附圖2進(jìn)行橡膠集料混凝土四點彎曲試驗，

試驗結(jié)果可得出各種摻量下混凝土的極限彎拉應(yīng)變值。

(2)運用大型有限元分析軟件ANSYS，對橡膠集料混凝土疊合構(gòu)件受彎性能理論進(jìn)行分析，對各種摻量下混凝土層最優(yōu)厚度進(jìn)行定性分析，

舉例：如當(dāng)橡膠混凝土層橡膠摻量為5％時各層最大應(yīng)變：

注：ε_p為橡膠混凝土底層最大拉應(yīng)變；ε_c為普通混凝土底層最大拉應(yīng)變。

表2

(3)繪制橡膠混凝土層高度-承載力曲線，對橡膠混凝土層最優(yōu)厚度進(jìn)行定性分析

根據(jù)以上各摻量最大應(yīng)變結(jié)果，可以求出：Pp：橡膠混凝土底層的承載能力(即：施加大小為Pp的力的時候，橡膠混凝土底層最大拉應(yīng)變達(dá)到其極限拉應(yīng)變)。Pc：普通混凝土底層的承載能力(即：施加大小為Pc的力的時候，普通混凝土底層最大拉應(yīng)變達(dá)到其極限拉應(yīng)變)。

舉例：如當(dāng)橡膠混凝土層橡膠摻量為5％時各層最大承載力：并由下表繪制橡膠混凝土層高度-承載力關(guān)系圖，詳見圖3

橡膠混凝土層承載力和普通混凝土承載力相同的時候，橡膠混凝土層最優(yōu)，這點即為如圖3所示，兩條曲線的交點(x坐標(biāo)在20mm左右)。

同理，也可得到當(dāng)橡膠混凝土層橡膠摻量為10％、15％等時各層最大承載力表和橡膠混凝土層高度-承載力關(guān)系圖。

(4)應(yīng)用插值法,對橡膠混凝土層最優(yōu)厚度進(jìn)行定量反算舉例：當(dāng)橡膠混凝土層橡膠參量為5％時(見表2):

取x0＝10mm,x1＝20mm,x2＝30mm,那么,相應(yīng)的F(x)值如表3。

表3

則有:

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摻量橡膠混凝土層最優(yōu)厚度。

(5)根據(jù)上述結(jié)果繪制橡膠摻量和橡膠混凝土層最佳厚度層關(guān)系曲線圖，

舉例：

進(jìn)而達(dá)到給出最佳厚度時,疊合構(gòu)件承載力與普通混凝土梁承載力的對比，并推出橡膠混凝土層達(dá)到最佳高度時,疊合破構(gòu)件壞所需施加的荷載Pd。

繪制各種摻量橡膠混凝土層厚度-承載力曲線，此曲線可一目了然的看出疊合構(gòu)件中普通混凝土和橡膠混凝土各自所起的貢獻(xiàn)，進(jìn)而分析出整體疊合構(gòu)件的承載力等力學(xué)性能；

根據(jù)計算的結(jié)果，可以明了的看出疊合構(gòu)件中橡膠混凝土層最優(yōu)厚度的大體范圍，但我們需要得到精確的最優(yōu)厚度解，則采用了數(shù)學(xué)方法插值法進(jìn)行計算，最終得出來橡膠混凝土層最優(yōu)厚度。

上述參照實施例對該一種橡膠混凝土疊合構(gòu)件疊合層厚度優(yōu)化方法進(jìn)行的詳細(xì)描述，是說明性的而不是限定性的，可按照所限定范圍列舉出若干個實施例，因此在不脫離本發(fā)明總體構(gòu)思下的變化和修改，應(yīng)屬本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。