一种高性能人防工程挡窗板及其设计方法

1.本发明涉及一种建筑结构的构件，尤其涉及一种新型钢-连续纤维复合筋活性粉末混凝土挡窗板，属于建筑结构技术领域。


背景技术：

2.现代人防工程既考虑到战时防空的需要，又考虑到平时经济建设、城市建设和人民生活的需要，具有平战双重功能。建造程序严格有序，成功投入使用后，可取得显著的战备效益、社会效益和经济效益。
3.现有的挡窗板主要是由普通混凝土中配置普通钢筋制成，存在强度差、承载力差、韧性低、配重大、延性和稳定性差等缺陷，而挡窗板作为人防工程建筑的一部分，其质量的把控非常重要。因此，亟需一种高性能人防工程挡窗板及其设计方法。


技术实现要素：

4.本发明的目的是针对上述现有技术的不足提供一种sfcb、活性粉末混凝土结合的人防工程挡窗板及其设计方法，保证截面尺寸和配筋率不变的情况下，大幅提高人防工程挡窗板的承载能力，提高结构安全性。
5.本发明的第一个目的是提供：
6.一种高性能人防工程挡窗板，其特征是，包括由上层架立筋、下层sfcb、矩形箍筋绑扎成的钢筋网，以及与钢筋网浇筑成一体的rpc。
7.所述rpc的组分包括水泥、矿粉、硅灰、粉煤灰、钢纤维、砂、水和减水剂。矿粉的最大粒径不超过0.2mm，钢纤维为圆直形，直径在0.2～0.4mm间，长度范围在12～15mm间，抗拉强度2800mpa，减水剂为聚羧酸系高性能减水剂。
8.上述rpc各组分的重量比为：水泥10％～50％、矿粉10％～25％、硅灰10％～35％、粉煤灰0％～25％、砂8.8％～44％、钢纤维1.5％～2.5％、水15％～20％、减水剂0.2％～2.5％。在rpc层中掺入钢纤维，提高了其抗压、抗拉强度、韧性和延性。
9.上述方案在普通钢筋混凝土结构挡窗板的基础上，引入钢-连续纤维复合筋(sfcb)与活性粉末混凝土(rpc)，rpc有更高的强度、韧性以及优良的耐久性能等，契合人防工程的高承载力、高韧性要求，sfcb具有较高的强度、良好的延性、稳定的二次刚度和良好的耐久性能。当sfcb与rpc结合用于人防工程挡窗板，可以有效提高截面的抗弯承载力、抗冲击性能，减少裂缝的产生与变形。
10.本发明的第二个目的是提供：
11.一种高性能人防工程挡窗板的设计方法，其特征是，包括以下步骤：
12.1)根据挡窗板的实际受力情况配置绑扎板的钢筋网，钢筋网包括：sfcb、矩形箍筋、架立筋；
13.2)根据图纸上预留洞位置，在锚板上放置套管，并用螺栓螺母固定，做好套管临时封堵防止在混凝土浇筑过程中，混凝土流入套管，同时固定套管，防止套管偏位；
14.3)制作模板，最外层钢筋的外表面到截面边缘(底部模板)的垂直距离为保护层厚度，顶部、底部的保护层厚度一致；顶部、底部的保护层厚度为15mm；一次性浇筑rpc；
15.4)养护达到强度要求后，拆掉模板，rpc与sfcb、架立筋、矩形箍筋连为一体，得到人防工程挡窗板。
16.所述rpc的制作步骤如下：将按比例称量好的水泥、矿粉、硅灰、粉煤灰依次倒入搅拌机，干拌3min使得各材料充分混合；然后将称好的水与高效减水剂混合均匀后倒入搅拌机，先慢转3min，再快转2min；待流动性良好后，慢慢加入钢纤维，搅拌5min使纤钢维分散均匀，出料；此外，需要在20℃左右的环境中进行搅拌，有利于提高活性粉末混凝土的成型率。
17.本发明在普通钢筋混凝土结构的基础上，引入sfcb与活性粉末混凝土人防工程挡窗板，根据图集号为07fg05的《钢筋混凝土通风采光窗井》中6级防空地下室挡窗板选型表进行结构设计，箍筋布置为以c35级混凝土和b10钢筋作为对照组，立方体抗压强度为100mpa，150mpa的活性粉末混凝土与内芯钢筋面积与全截面面积比值ra为0.25的sfcb两种不同的组合。
18.本发明通过将活性粉末混凝土(rpc)、钢-连续纤维复合筋(sfcb)结合用于人防工程挡窗板，通过恰当的组合方式，它可以充分发挥活性粉末混凝土和sfcb超高的力学性能，韧性，耐久性能等优点，保持原结构构造情况下，提高人防工程挡窗板的抗弯承载力，保障人防工程构件的安全性与稳定性。
附图说明
19.下面结合附图和实施方式对本发明作进一步详细的说明。
20.图1是实施例1中的人防工程挡窗板示意图；
21.图2是图1的a—a截面的示意图；
22.图3为实施例3中1)单筋矩形截面受弯构件正截面受弯承载力计算简图；
23.图4为实施例3中2)单筋活性粉末混凝土板正截面受弯承载力计算简图；
24.图5为实施例3中3)sfcb混凝土适筋板极限承载力计算简图；
25.图6为实施例2中挡窗板的安装示意图；
26.图中：1.钢-连续纤维复合筋sfcb，2.箍筋，3.活性粉末混凝土rpc，4架立筋，5锚板，6套管，7螺栓螺母。
具体实施方式
27.实施例1
28.请参见图1～图2，请参见图1～图2，本发明的一优选实施列的新型现浇挡窗板，该现浇板由钢筋网、活性粉末混凝土叠加而成。其中，钢筋网包括sfcb1、箍筋2、架立筋4通过常规的实施方法组合而成。板顶部和底部钢筋混凝土保护层的厚度都等于15mm。工程完工后即组合为一整体的sfcb与rpc现浇板即本发明的新型人防工程挡窗板。
29.实施例2
30.实施例1中挡窗板的制作方法，其顺序如下：
31.1.根据板的实际受力情况配置绑扎板的钢筋网，钢筋网包括：sfcb1、箍筋2、架立筋4；箍筋2为矩形，以起到约束作用，箍筋配置根据计算确定，绑扎方式为常规绑扎；
32.2.根据图纸上预留洞位置，如图6所示，在锚板5(10mm厚)上放置套管6，并用螺栓螺母7(普通c级六角头螺栓m16)固定，做好套管临时封堵防止在混凝土浇筑过程中，混凝土流入套管，同时固定套管，防止套管偏位；
33.3.制作模板，最外层钢筋的外表面到截面边缘(底部模板)的垂直距离为保护层厚度，优选的底部和顶部的rpc3的厚度为15mm；一次性浇筑rpc 3；
34.4.养护达到强度要求后，拆掉模板，rpc3与sfcb1和箍筋2连为一体，即为sfcb1与rpc3现浇板，即为本发明的新型人防工程挡窗板。
35.上述的rpc3，其成分包括水泥、矿粉、硅灰、粉煤灰、砂、钢纤维、水和减水剂。各组成成分的重量比为：水泥10％～50％、矿粉10％～25％、硅灰10％～35％、粉煤灰0％～25％、砂8.8％～44％、钢纤维(体积掺量)1.5％～2.5％、水15％～20％、减水剂0.2％～2.5％。
36.水和胶凝材料(本实施例中的水泥、粉煤灰、矿粉、硅灰)的比值称之为水胶比。水胶比对rpc的抗压强度影响最为显著，随着水胶比的逐渐降低，rpc的试件强压强度会逐渐升高，因为水胶比的增加使得rpc基体内部自由水含量增加，使得基体内部孔与毛细孔的数量增大，降低了密实程度导致强度下降。故为了实际施工rpc配置方便，主要保持rpc其他组分不变，调整水胶比来控制rpc的抗压强度。
37.表1 rpc(立方体抗压强度fc＝100mpa)的原材料优化配合比(kg/m3)
38.水泥水胶比砂硅灰矿粉减水剂粉煤灰钢纤维10.220.880.250.32.5％0.21.5％
39.表2 rpc(立方体抗压强度fc＝150mpa)的原材料优化配合比(kg/m3)
40.水泥水胶比砂硅灰矿粉减水剂粉煤灰钢纤维10.20.880.250.32.5％0.22％
41.值得注意的是：
42.(1)矿粉的最大粒径不超过0.2mm；
43.(2)选用钢纤维来达到增强增韧的效果，进而提高水泥基材料的抗拉能力。所用的钢纤维为圆直形，直径在0.2～0.4mm间，长度范围在12～15mm间，抗拉强度2800mpa左右；
44.(3)减水剂为聚羧酸系高性能减水剂。
45.rpc3的制作步骤：在各个材料实施搅拌期间，为了提高搅拌的质量，需要使用强制式的搅拌机搅拌，将按比例称量好的水泥、硅灰、矿粉、粉煤灰依次倒入搅拌机，干拌3min使得各材料充分混合；然后将称好的水与高效减水剂混合均匀后倒入搅拌机，先慢转3min，再快转2min；待流动性良好后，慢慢加入钢纤维，搅拌5min使纤钢维分散均匀，出料。此外，在材料搅拌期间，搅拌工作人员要严格检查搅拌物的制备环境，需要在20℃左右的环境中进行搅拌，有利于提高活性粉末混凝土的成型率。
46.准确控制用水量，不允许rpc拌合物出搅拌机后加水；首拌时间不能过少，否则钢纤维就不能够完全分散均匀，加入水泥等粉料后钢纤维会抱团；rpc拌合料在常温下凝固速率非常快，粘性很大，容易粘壁，搅拌均匀的rpc拌合料，最好在30s内卸料完毕；运送rpc拌合料的模板和传送带，应不吸水，不漏浆，并保证卸料及输送通畅。
47.要获得良好的振实效果，使rpc材料具有较高的强度和密实度，必须合理选择振捣工艺。rpc拌合物的振动加速度与振动床一致，尽量避免跳跃式振动，减少能量损失，降低噪
声，振动时间控制在2～4min。
48.入模后的拌合物在振动床上边振动边用抹子抹平压光，达到标准要求的平整度，不外露钢纤维，模板周围不外漏拌合物，这样就会避免拆模后盖板周围出现毛边，影响整体美观，也可以省去大量的人工打磨时间。
49.rpc材料的凝固速率很快，所以搅拌完毕的rpc拌合物应在30min内灌注完毕，构件宜连续灌注，最大间隔时间应不超过6min。整个挡窗板的养护采取热养护，现场施工人员应严控养护温度。
50.实施例3
51.本实施例用于比较承载力，涉及：
52.相同截面面积与配筋率时，比较承载力，分：1).钢筋混凝土挡窗板、2).钢筋活性粉末混凝土挡窗板、3.)钢-连续纤维复合筋活性粉末混凝土挡窗板)。
53.其中，用不同等级的活性粉末混凝土(立方体抗压强度为100mpa、150mpa)代替普通混凝土组合筋材截面含钢率ra为0.25(内芯钢筋面积与筋材全截面面积比值)的sfcb计算相同截面尺寸与配筋率下可以提高多少承载力。
54.1)钢筋混凝土人防工程挡窗板
55.如图3所示，由力的平衡可得：
56.α1fcbx＝f
yas
ꢀꢀ
(1)，
57.由力矩平衡得：
[0058][0059]
适用条件：
[0060]
或满足条件(3)是为了防止超筋破坏，因此单筋矩形截面的最大受弯承载力；
[0061]
适用条件(4)是为了防止少筋破坏。
[0062]
取板的保护层厚度c为15mm，d为钢筋直径。
[0063][0064][0065][0066][0067]b‑‑‑‑‑‑‑‑‑
截面宽度(mm)
[0068]h‑‑‑‑‑‑‑‑‑
截面高度(mm)
[0069]
h0‑‑‑‑‑‑‑‑‑
截面有效高度(mm)
[0070]
α1‑‑‑‑‑‑‑‑‑
受压区混凝土矩形应力图与混凝土轴心抗压强度设计值的比值
[0071]
αs‑‑‑‑‑‑‑‑‑
截面抵抗弯矩系数
[0072]
ρ
‑‑‑‑‑‑‑‑‑
纵向受拉钢筋的配筋率
[0073]
ρb‑‑‑‑‑‑‑‑‑
纵向受拉钢筋界限配筋率
[0074]as
‑‑‑‑‑‑‑‑‑
受拉区纵向受拉钢筋的截面面积(mm2)
[0075]
ξ
‑‑‑‑‑‑‑‑‑
相对受压区高度(mm)
[0076]
ξb‑‑‑‑‑‑‑‑‑
界限相对受压区高度(mm)
[0077]fy
‑‑‑‑‑‑‑‑‑
普通钢筋抗拉强度设计值(n/mm2)
[0078]
fc‑‑‑‑‑‑‑‑‑
混凝土轴心抗压强度设计值(n/mm2)
[0079]mu
‑‑‑‑‑‑‑‑‑
普通钢筋混凝土正截面受弯承载力设计值(kn
·
m)
[0080]
2)钢筋rpc人防工程挡窗板：
[0081]
如图4所示，考虑到rpc的受拉性能以及板厚不大的实际情况，为了简化计算，将下半截面的均布拉应力静力等效为0.5bhkf
t
,作用点与钢筋拉力作用点一致，由力的平衡可得：
[0082]
αcfcbx＝f
yas
0.5bhkf
t
ꢀꢀ
(9)，
[0083]
k为受拉强度折减系数，f
t
为rpc的抗拉强度，出于安全考虑k取0.25，rpc立方体强度在100mpa～150mpa时，f
t
可近似取4n/mm2，由力矩平衡得：
[0084][0085]
rpc受压本构可根据rpc轴心抗压强度采用相关文献的受压本构模型。
[0086]
fc＝100mpa
[0087][0088]
fc＝150mpa
[0089][0090]
其中ε为rpc压应变，ε0为rpc峰值应变且ε0＝(9.31fc 2269)
×
10-6
，σ为rpc压应力，fc为rpc轴心抗压强度。
[0091]
(a)rpc100，f
cu
＝100mpa
[0092]
取板的保护层厚度c为15mm，d为钢筋直径。
[0093][0094]
[0095][0096][0097]
(b)rpc150，f
cu
＝150mpa
[0098]
取板的保护层厚度c为15mm，d为钢筋直径。
[0099][0100][0101][0102][0103]b‑‑‑‑‑‑‑‑‑
截面宽度(mm)
[0104]h‑‑‑‑‑‑‑‑‑
截面高度(mm)
[0105]
h0‑‑‑‑‑‑‑‑‑
截面有效高度(mm)
[0106]
αs‑‑‑‑‑‑‑‑‑
截面抵抗弯矩系数
[0107]
αc‑‑‑‑‑‑‑‑‑
活性粉末混凝土等效矩形应力系数
[0108]
x
‑‑‑‑‑‑‑‑‑
计算受压区高度(mm)
[0109]as
‑‑‑‑‑‑‑‑‑
受拉区纵向受拉钢筋的截面面积(mm2)
[0110]fy
‑‑‑‑‑‑‑‑‑
普通钢筋抗拉强度设计值(n/mm2)
[0111]
fc‑‑‑‑‑‑‑‑‑
rpc轴心抗压强度设计值(n/mm2)
[0112]mu1
‑‑‑‑‑‑‑‑‑
rpc(f
cu
＝100mpa)与普通钢筋组合后的正截面受弯承载力设计值(kn
·
m)
[0113]mu2
‑‑‑‑‑‑‑‑‑
rpc(f
cu
＝150mpa)与普通钢筋组合后的正截面受弯承载力设计值(kn
·
m)通过上述计算可以得出,相同截面尺寸与配筋条件下，活性粉末混凝土(f
cu
＝100mpa及150mpa)代替普通混凝土用作人防工程挡窗板，可分别提高28.11％与29.72％的截面抗弯承载力。
[0114]
3)sfcb活性粉末混凝土人防工程挡窗板：
[0115]
如图5所示，sfcb采用简化的双折线模型，表达式如下
[0116][0117]
其中，ε
sfy
和f
sfy
分别为sfcb的屈服应变和屈服强度，ε
sfu
和f
sfu
分别为sfcb的极限应变和极限强度，eⅰ和eⅱ分别为sfcb的弹性模量和屈服后的刚度。
[0118]
sfcb的抗拉强度远大于下半截面rpc的实际抗拉强度，为简化计算，不考虑rpc受拉，且该情况是偏安全的。根据板截面的力的平衡可得知以下公式：
[0119]
αcfcbx＝σ
sfasf
，
ꢀꢀ
(16)
[0120]
ε
sf
＝ε
cu
(βc/ξ-1)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(17)
[0121]
其中xc和x分别是混凝土实际受压区高度和计算区高度，且x＝βcxc；σ
sf
和a
sf
分别为sfcb的拉应力和面积。
[0122]
根据简化后的应力分布图的合力、合力矩应与实际状态的合力、合力矩相等的原则，可得如下公式：
[0123][0124]
其中σc(x)是距离中和轴高度为x处的混凝土压应力。
[0125]
将试验测得的混凝土材料的力学性能参数带入公式(18)，可得ac和βc对公式(1)联立方程组，得到如下关于ε
sf
的一元二次方程。
[0126]
舍去不合理负号的解答，保留合理解。
[0127]
其中a＝eⅱ，b＝f
sfy
eⅱε
cu-eⅱε
sfy
，c＝ε
cufsfy-e
ii
ε
cu
ε
sfy-αcβcε
cu
fc/ρ
ꢀꢀ
(20)
[0128]
(a)rpc100(f
cu
＝100mpa)与ra＝0.25(内芯钢筋面积与全截面面积比值为0.25)的sfcb组合
[0129][0130][0131]
ξ＝βcε
cu
/(ε
cu
ε
sf
)＝0.123
ꢀꢀ
(23)
[0132]mu
′1＝αcfcbh
02
(ξ-ξ2/2)＝5.62
×
106kn
·mꢀꢀ
(24)
[0133][0134]
(b)rpc150(f
cu
＝150mpa)与ra＝0.25(内芯钢筋面积与全截面面积比值为0.25)的sfcb组合
[0135][0136][0137]
ξ＝βcε
cu
/(ε
cu
ε
sf
)＝0.092
ꢀꢀ
(23)
[0138]mu
′2＝αcfcbh
02
(ξ-ξ2/2)＝6.91
×
106kn
·mꢀꢀ
(24)
[0139][0140]
αc，βc‑‑‑‑‑‑‑‑‑
活性粉末混凝土等效矩形应力参数
[0141]fsfy
‑‑‑‑‑‑‑‑‑
sfcb屈服强度(mpa)
[0142]fru
‑‑‑‑‑‑‑‑‑
sfcb极限强度(mpa)
[0143]
ε
sfy
‑‑‑‑‑‑‑‑‑
sfcb屈服应变
[0144]
ε
cu
‑‑‑‑‑‑‑‑‑
rpc极限压应变
[0145]
ε
sf
‑‑‑‑‑‑‑‑‑
sfcb理论应变
[0146]
ξ
‑‑‑‑‑‑‑‑‑
计算受压区高度系数
[0147]b‑‑‑‑‑‑‑‑‑
截面宽度(mm)
[0148]
h0‑‑‑‑‑‑‑‑‑
截面有效高度(mm)
[0149]m′
u1
‑‑‑‑‑‑‑‑‑
rpc(f
cu
＝100mpa)与sfcb组合后的正截面抗弯承载力设计值(kn
·
m)
[0150]m′
u2
‑‑‑‑‑‑‑‑‑
rpc(f
cu
＝150mpa)与sfcb组合后的正截面抗弯承载力设计值(kn
·
m)通过上述计算方式可以得出，相同截面尺寸与配筋条件下，当sfcb的ra＝0.25时，与rpc(f
cu
＝100mpa及f
cu
＝150mpa)组合时候，sfcb活性粉末混凝土人防工程挡窗板抗弯承载力较钢筋活性粉末混凝土人防工程挡窗板相比可分别提高76.18％和113.93％。