CECS 38-2004《纤维混凝土结构技术规程》.pdf

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  • 《钢纤维混凝土结构设计与施工规程CECS38 92)自1992年颁布以来,对推动我国钢纤维混凝土的 工程应用和技术进步起到了重要的作用钢纤维的年 用量由2000t增加到现在的20000估计值但是 随着技术的发展和与原规程相衔接的有关规范的修 订规程的内容有些已经不适合了。编制组对原规程 进行了全面修订编制成了新版本的《纤维混凝土结构 技术规程》CECS382004),该规程已于2004年11月 由中国工程建设标准化协会颁布执行。规程的主要内 容有1总则2术语和符号3材料4基本设计规定5 钢纤维混凝土结构构件承载能力极限状态计算6钢 筋钢纤维混凝土结构构件正常使用极限状态验算7 钢纤维混凝土结构构件的构造规定8钢纤维增强和 局部增强混凝土结构构件;9钢纤维混凝土公路路面、 机场道面、港区道路和堆场铺面:10钢纤维混凝土工

    业建筑地面;11钢纤维混凝土刚性防水工程;12钢纤 维增强公路、城市桥梁结构和桥面;13钢纤维增强水 工混凝土结构14钢纤维混凝土的施工及检验15钢 纤维喷射混凝土;16合成纤维混凝土附录A~E。 全面修订的内容主要有:1)增补了合成纤维混凝 土的有关设计与施工的内容2)钢纤维品种中淘汰了 低强圆直型纤维、碳钢熔抽型纤维新增了高强钢丝切 断型、铣削型、剪切异型和低合金钢熔抽型纤维3 凝土的强度等级由原规程的CF20~CF40扩大到 CF80并考虑了钢纤维对中低强度和高强度混凝土增 强作用的不同分别给出了有关材料性能和结构设计 的影响系数4)在隧洞支护与衬砌和工业建筑地面设 计中引入了考虑钢纤维混凝土韧性的设计概念并对 设计方法作了较大修改5增补了钢纤维增强屋面板 承台、牛腿、深梁、码头铺面、桥面、桥梁结构、水工结 构、层布式复合路面等领域有关钢纤维混凝土结构设

    计施工的内容)增补了纤维砂浆、混凝土收缩裂缝试 验和评定方法。下面对规程修订中的几个重要问题作 简要说明。 二、钢纤维混凝土对纤维品种、特性和掺量的要求 1.钢纤维的品种和特性 钢纤维与基体的粘结性能是关系到钢纤维混凝土 性能的最重要的因素。根据试验和工程实践,钢丝切 断圆直型纤维与基体的粘结性能差碳钢熔抽型纤维 在高温冷却过程中表面形成氧化皮严重降低与基体 的粘结性能这两种纤维应予以淘汰。考虑到新的钢 纤维品种如高强钢丝切断端钩型纤维、钢锭铣削端钩 型一面有麻面纤维、剪切异型端钩形、大头形、压痕 形)纤维、低合金钢熔抽型直形、大头形)纤维,因其性 能优良且国内已有工程经验,故将其列入规程。剪切 直形、微扭形和波纹形由于生产工艺简单成本相对较 低在剪切过程中使纤维表面不规则有利于与基体粘 结故规程中仍予以保留。注意到低碳钢板剪制的纤 维在基体开裂后其扭曲或波纹很容易拉直其增强增 韧效果与直形差别很小故使用中可划归一类。除非 纤维的强度和刚度都很高扭曲和波纹纤维才能达到 异型纤维的效果。 考虑到高强混凝土基体破坏时强度较低的异型纤 维有些被拉断同时异型纤维的效能与其本身的强度 有关,所以将钢纤维强度划分为三个等级:380MPa (380~599MPa)600MPa(600~999MPa),1000MP (不小于1000MPa)应当指出对中低强度的混凝土 钢纤维的强度并不重要,日本的规范中就只规定钢纤维 强度的最低限制为380MPa。因此在设计和应用中, 般情况下对钢纤维本身的强度不应提出过分要求。 为防止钢纤维在纤维混凝土拌合过程中被骨料碰 撞折断,钢纤维本身不能太脆。吸收美国ASTMA820 的有关规定要求对钢纤维做弯折检验钢纤维围绕直 径3mm的圆棒弯折90°不折断。 2.钢纤维几何参数和掺量范围 根据国内大量的试验研究和工程应用,规程建议 了不同工程采用的钢纤维几何参数如表1所示。在选 取钢纤维几何参数和掺量时,要兼顾拌合物的施工性 能硬化混凝土的阻裂、增强、增韧效果和工程的成本。 对于钢纤维混凝土拌合物的施工性能纤维短而 粗、长径比小、掺量低有利对于钢纤维混凝土强度和 韧性纤维细而长、长径比大、掺量高有利。对于施工 有特殊要求的如泵送混凝土、湿喷法喷射混凝土以及 低流态混凝土(如轨枕)钢纤维不宜太长掺量不宜太 高对于韧性要求较高或承受地震作用、动力荷载的情 形纤维宜长些掺量宜高些。

    需要特别指出的是:钢纤维的长度还应与基体混 疑土所用骨料的粒径相匹配不应小于骨料粒径的 1.5倍。骨料粒径不宜大于20mm,粒径大于20mm时 应通过专门试验确定钢纤维的品种、尺寸和掺量。 表1给出的是参考范围具体应通过设计计算和 纤维混凝土试验确定。钢纤维的最小体积率与纤维的 品种特性有关,一般不应小于0.35%(掺量28kg/m3) 对于异型高强纤维不应小于0.25%(掺量20kg/m) 钢纤维常用体积率为0.8%~1.5%。

    稀土标准钢纤维几何参数参考范围

    三、钢纤维混凝土的强度和韧性 1.钢纤维混凝土的强度指标 大量的试验研究表明钢纤维的掺入er<2%时 对混凝土抗压强度影响较小平均增长为9%钢纤维 混凝土轴压强度和立方体抗压强度间的换算关系与普 通混凝土的相应换算关系相近。设计中采用相同的强 度保证率和材料分项系数就可以按有关混凝土结构 规范的相应规定根据钢纤维混凝土的强度等级确定 轴心抗压强度标准值与设计值。 关于抗拉强度仍采用原规程的计算模式

    = f(1+ a,l/dror)

    式中ftf分别为钢纤维混凝土、同条件素混凝土抗 拉强度设计值;df分别为钢纤维长度、直径或等效 直径;为钢纤维体积率α,为钢纤维对抗拉强度的 影响系数。 根据大连理工大学、东南大学、空军工程学院、铁 道部科学研究院、浙江省水利水电科学研究所、哈尔滨 工业大学、华北水利学院、郑州大学等单位的试验资 料进行α,的统计分析,统计中各项参数均采用实测 值统计结果如表 2. 所示[5]。

    钢纤维对抗拉强度的影响系数表

    除了表2所列的数据外,还考虑了原规程CECS 3892中的试验数据。设计中采用的α,应较统计平均 值降低。其理由是1)统计的试验数据有限2)设计中 般应以轴心抗拉强度为准,但目前所获得的抗拉强 度均为劈裂法测得的抗拉强度,可近似取劈拉初裂强 度进行增强效果的分析。钢纤维混凝土劈裂抗拉初裂 强度和极限强度的差异随纤维体积率增加而增大,变 化范围大约为极限强度的0~15%,上述统计值是根 据试验测得的极限强度统计的。基于上述原因对统计 结果作适当降低得出了表3的建议值。 关于弯拉强度仍采用原规程的计算模式

    frm = fm(1 + amlrer/d,

    式中N。为标准轴载作用下的等效疲劳循环次数 frm为钢纤维混凝土弯拉疲劳强度frm为钢纤维混凝 土的弯拉强度。

    钢纤维对弯拉强度的影响系数

    式中f为钢纤维混凝土设计弯拉强度或弯拉强度标 准值f为同强度等级混凝土设计弯拉强度或弯拉强 度标准值α为钢纤维对弯拉强度的影响系数,根据 东南大学、大连理工大学等单位的试验资料统计分析 得出表4的结果[5]。 除了表4所列的数据外,还考虑了原规程CECS 3892中的试验数据。设计时对采用的αm值同样作了 适当的降低,其理由是1)试验数据数量较少2)已发 现国产有些品牌的试验机的弯曲试验台支座水平摩阻 力较大从而引起弯拉强度和弯曲韧性较大的试验误 差。设计中采用的弯拉强度影响系数如表3所示。

    钢纤维对抗拉强度、拉强度的影响系数参考值表

    注同强度等级素混凝土设计弯拉强度系指与钢纤维混凝土具 有相同的配合材料、水灰比和相同稠度(单位用水量和砂率可适当调 整)的素混凝土的设计弯拉强度。

    关于钢纤维混凝土的弯曲疲劳强度,对于机场道 面、公路路面和码头铺面设计,适应新修改的行业规 范规程根据以往实验数据的回归分析分别给出了4 种不同的弯曲疲劳方程:

    2.钢纤维混凝土的弯曲韧性 钢纤维混凝土的弯曲韧性是评价钢纤维混凝土性 能的重要指标已得到广泛认可但在结构设计中这 指标有什么用处和怎样用它,一直是一个问题。参考 欧洲有关规范,在工业建筑地面和隧道喷射混凝土支 护设计中引入了弯曲韧性的概念初步回答了这个问 题。根据日本JSCEG552标准将跨中挠度=I/150 时1=450mm时,=3mm=300mm时,=2mm 的平均应力f。定义为韧度指数(toughness factor):

    钢纤维混凝土初裂弯拉强度可根据荷载挠度曲线 上升段出现明显拐点时的荷载值确定。由于弯拉初裂 强度试验观察比较困难已有文献资料较少为此规 程根据试验资料分析还给出了考虑钢纤维特性和掺量 影响的用弯拉强度换算弯拉初裂强度的经验公式。 已有一些试验结果表明,在工业建筑地面的受力 变形过程中土壤地基上的钢纤维混凝土地面板承载 力要比根据抗拉强度或弯拉强度按弹性分析方法推算 的承载力大得多。与同板厚、同强度等级的素混凝土 板相比其承载力成倍提高。究其原因是由于钢纤维 混凝土板具有较高的韧性在板的极限状态时,产生了 内力重分布,使板的抗力得以充分发挥。根据G.G Meyerhoff的塑性屈服线理论地面板的受力变形过程 如图1所示。图中M.为径向弯矩,M,为切向弯矩 Mimax为板开裂时的最大弯矩,Mu为板开裂后保持的 极限弯矩F为板上作用的集中荷载S为板中点的弯

    装修工艺、技术(3 (4) (5) 【6)

    曲沉降值,FR为板底开裂荷载,F为板顶开裂荷载 F"为板的极限荷载,f。为纤维混凝土的等效弯拉强 度frmc为纤维混凝土的初裂弯拉强度。加载过程中 板底首先出现十字形裂缝,超过钢纤维混凝土的初裂 弯拉强度。随着荷载增加板底应力超过弯拉强度但 仍可维持等效平均弯拉强度f。板顶径向弯矩继续增 加,直到板顶出现环向裂缝板顶应力达到钢纤维混凝 土初裂弯拉强度随着荷载增加形成塑性铰线”板发 生破环。根据这一破环原理钢纤维混凝土地面板在 荷载作用下承载力极限状态表达式为:

    M+ M. ≤(1 + R)frmc W

    试件的脆性断裂二是要消除试验装置支座的摩阻力 造成的误差。否则会使试验测得的曲线严重失真,夸 大弯曲韧度比从而带来安全上的隐患。 四、钢纤维混凝土结构设计

    1,钢钢纤维混规工结铝构设计原划 这次规程修订,钢纤维用于钢筋混凝土结构增强 的设计原则没有变,即各项设计方法依附于相应行业 规范但同时须考虑钢纤维的有利影响。其计算模式 可表达为:

    R= Rfr ak ..) R= R(f.ifs ak Br ar r..

    式中:M,M.分别为单位板宽上的板底切向弯矩、板 顶径向弯矩的设计值,W为单位板宽截面抵抗矩。 在钢纤维喷射混凝土隧道支护中,钢纤维混凝土 弯拉韧性高抗剪、抗冲切能力强给排水工艺、技术,具有很高的适应围 岩变形而不破坏的能力。已有的模拟对比试验结果证 明了钢纤维混凝土在较大的变形下仍能保持相当高的 承载力素喷混凝土在达到荷载峰值后立即破环此时 的变形很小挂网喷射混凝土在达到荷载峰值后由于 弯剪联合作用荷载也急剧下降适应变形能力也不如 钢纤维混凝土。由于隧道喷射混凝土支护设计是根据 围岩条件的经验法,弯曲韧度比作为一个经验限制指 标出现规程参照欧洲和挪威规范规定,钢纤维喷射混 凝土的弯曲韧度比不低于0.7。 顺便指出在进行钢纤维混凝土弯曲韧性试验时 有两点要特别注意:一是要采用刚性试验机或附加刚 性辅助试验装置以避免混凝土和低含量纤维混凝士

    式中:R(.…)是构件承载力函数按有关混凝土结构设 计规范的规定采用;f是钢纤维混凝土的强度设计值 ak是几何参数标准值R(.….)是以有关混凝土结构设 计规范规定的承载力函数为基础,并考虑钢纤维影响 的钢纤维混凝土构件的承载力函数;f。是据钢纤维混 凝土强度等级按有关混凝土结构设计规范确定的混凝 土强度设计值;f。是钢筋强度设计值β是钢纤维对 承载力的影响系数。 具体说来上述两种表达式中第一种是按普通混凝 土构件的算法计算其中的混凝土强度参数代之以钢纤 维混凝土的强度参数。例如当进行无筋钢纤维混凝士 构件用于水工结构承载力计算时,可采用这种方法 第二种以普通混凝土构件的算法为基础引入钢纤维对 承载力影响修正项。例如,当进行钢纤维增强钢筋混凝 土构件各项承载力计算时采用这种方法。 2.应用领域的拓宽 采用钢纤维对钢筋混凝土结构增强,主要在于提 高构件的抗剪、抗冲切、抗裂和抗震性能限制裂缝宽 度和提高构件的延性,以及适应复杂应力区、应力方向 不定区和高冲刷、高磨耗区等的特殊要求。规程拓宽 的内容为在正截面承载力和裂缝宽度计算时从受弯 拓宽到偏心受压、轴心受拉、偏心受拉受弯构件计算 补充了T形截面和工字形截面的计算在斜截面受剪 承载力计算时搜集了大量的试验数据对经验系数重 新作了分析并根据国内试验数据给出了不同纤维品 种对应于各种工况的计算方法和影响系数。 课题组专门做了CF60~CF80的钢纤维混凝土结 构构件试验并搜集近年来发表的有关钢纤维高强 凝土构件的试验数据对其设计方法进行了研究。结 果表明钢纤维对高、低强混凝土构件正截面、斜截面 承载力影响的差别不明显有时增强效果略有提高所 以规程在结构计算时大多数情况不区分混凝土的强度 等级。只有在构件裂缝控制计算中,考虑了高强高粘 结性纤维对高强基体裂缝宽度的不同限制作用,

    用基于围岩分类的经验法给出了设计的基本原则,同 时在条文说明中以铁路隧道衬砌为例给出了设计方 法并对弯曲韧性的要求和确定方法作了详细解说。 (2)对原材料及配合比作了详细的规定纤维含量 考虑有利于喷射施工和近年来纤维性能的提高规定 了纤维的实际体积率不宜超过1.0%,增加了关于硅 粉、粉煤灰、高效减水剂、速凝剂等的规定。 (3)强调钢纤维喷射混凝土宜采用湿喷法施工针 对湿喷法施工工艺作了几项原则规定。由于喷射施工 与采用的机具、作业条件和施工人员的经验有关故对 这些施工细节没有必要做具体规定。 (4)关于质量检验作了较详细的规定规定了钻心 取样法测定抗压强度及评定方法;弯拉强度和弯曲韧 性的检验和评定方法喷层厚度和粘结强度的检验和评 定方法源材料及纤维含量的检验方法洛项施工检验 根据工程的重要性要求的检验频度。对于试件的制备 方法以及有关的试验和检验的细节由于国内尚无相应 的标准故在条文说明中结合国外相关标准作了介绍。 (5将一般的修补加固工程和水工结构的防裂防 渗面层分两节做出规定。对后者的施工方法如旧坝 面的处理、与坝基防渗的连接、喷层厚度、喷层分缝处 理、施工程序等作了较详细的规定。 钢纤维喷射混凝土已成为隧道支护的主要结构形 式和施工方法,欧洲喷射混凝土规范(EFNARC)已将 钢纤维喷射混凝土作为主要内容。我国近年来发展得 也较快相应的研究、技术指导文件、行业标准有些滞 后。为此修订天量引用国外标准内容但是由于缺乏 国内大量工程应用的检验,规程条文不得不大量采用 宜"或可"的形式给出有些具体要求还放在条文说 明中这样使规程的使用者有较大的选择余地。 六、合成纤维混凝士 1.合成纤维的要求 合成纤维混凝土是近年来发展较快的工程复合材 料工程中目前常用的纤维品种有聚丙烯睛(睛纶)纤 维、聚丙烯丙纶)纤维、改性聚脂(涤纶)纤维、聚酰胺 尼龙纤维。其中聚酯纤维由于耐碱性差需要经过 耐碱改性处理确认在混凝土中强度不降低才可使用。 用于混凝土的合成纤维分两类:粗纤维(d=0.1~ 1.0mm)和细纤维d=0.01~0.1mm)鉴于国内粗纤 维还没有生产和应用规程仅对有关细纤维的应用作 了规定。纤维混凝土采用的合成纤维应为不含再生链 烯烃的纯聚合物纤维及其表面处理层对人体的健康 和环境无不利影响纤维在混凝土拌合物中和硬化的 混凝土中应具有化学稳定性保持纤维强度不降低纤 维应在混凝士拌合物中易于分散并且与硬化混凝士

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