第1章 绪论
1.1 课题背景及研究的目的和意义
1.1.1 研究背景
水泥混凝土是当今世界上使用量最大，使用最广泛的建筑材料，如今已成为人类社会生活和文化生活的基础[1]。随着社会的进步，就我国来说水泥产量来说，已经从建国初期 1950 年的 290 万吨，到 2018 年的 21.77 亿吨[2]，近半个世纪我国的水泥产量就增长了 750 多倍，且还有继续增长的趋势。于此同时，在水泥的生产过程中，会消耗大量的资料、能源并且排放大量的二氧化碳（CO2），一氧化氮和二氧化氮（NOx），二氧化硫（SO2）等有害气体及粉尘，这些气体也是引起温室气体，酸雨的主要因素。据研究调查水泥生产是全球二氧化碳排放的相对重要来源，约占全球工业二氧化碳排放量的4.5%[3]，每生产一吨水泥排放约一吨二氧化碳[4]。
绿色可持续发展是人类最迫切的问题，到 2009 年 2 月，一共有 183 个国家（超过全球排放量的 61%）通过了《京都议定书》[5]，承诺限制或减少二氧化碳的排放。2016年 3 月 17 号。我国发布了《十三五规划纲要》，纲要明确指出在今后五年将绿色理念作为发展的主基调[6]，坚持绿色发展，建筑行业更应首当其冲。吴忠伟院士就指出混凝土的生产及施工技术必从传统粗放生产经营方式 , 向大量节约资源, 减轻地球环境负荷及维护生态平衡的具有最新 、最高技术水平的生产经营方式发展[7]。
粉煤灰的使用正好符合绿色发展的理念，粉煤灰本身就是工业废料，使用粉煤灰能减少粉煤灰掩埋或直接排放造成的土地或空气污染，粉煤灰本身作为一种胶凝材料，粉煤灰的使用能减少混凝土中水泥的使用，因此能变废为宝，节约资料，保护环境，此外工程中用粉煤灰的售价通常也比水泥低，使用粉煤灰能够降低工程成本。此外，我国的粉煤灰产量高，使用率低，据统计我国粉煤灰的库存量至少有 25 亿吨，而且在未来几年里还在以每年 5.6~6.1 亿吨的速度增加[8]。因此提高粉煤灰综合利用意义重大。
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1.2 粉煤灰混凝土国内外研究现状
据估计，全球普通硅酸盐水泥（OPC）生产对温室气体排放的贡献约为每年 13.5亿吨，约占全球大气温室气体排放总量的 7%[15]，特别是那些在腐蚀性环境中建造的，在 20 至 30 年后开始恶化，即使它们的设计使用寿命超过 50 年[16]。为了生产环境友好型混凝土，Mehta[17]建议使用更少的自然资源，更少的能源，并尽量减少二氧化碳的排放。他把这些短期的努力归为工业生态学。降低材料消耗率，可以达到降低工业副产品有害影响的长期目标。根据上述观点，生产更环保混凝土的努力之一，是用粉煤灰等副产品材料部分替代混凝土中的 OPC 含量。
国际上，20世纪初，粉煤灰的研究和利用开始进行[18]，20世纪30年代,针对粉煤灰在混凝土中的应用开始开展了较为系统的研究。此后，德国、美国等国越来越重视和发展粉煤灰的研究和应用 [19]。20世纪40年代，第一篇对含粉煤灰混凝土性能的最全面研究文献发表了，为粉煤灰在混凝土中的应用开辟了道路[20]，粉煤灰混凝土的第一个主要用途是美国垦务局报告的马坝。1958年，美国陆军工程兵团在萨顿大坝的施工中使用了粉煤灰混凝土[21]。20世纪50年代，我国开始开展粉煤灰的科研和应用工作。目前关于粉煤灰混凝土的研究已经比较深入，粉煤灰混凝土也广泛地应用于各种工程中。
1.2.1 适宜掺量粉煤灰混凝土
关于在混凝土中掺入粉煤灰的较为适宜的掺量，Thomas MDA [22]和Song HW [23]等人认为粉煤灰替代胶凝材料替代率低于25%常用于混凝土中，因为它能够为混凝土提供显著的益处，例如长期强度的提高、水化热的降低、抗氯离子侵蚀的提高和工作性的提高。且Yoo S W[24]认为在大批量商品混凝土生产中，粉煤灰替代率大于30%时存在质量控制困难、早期强度低等缺点。徐刚[25]认为混凝土中粉煤灰的含量通常为水泥基粘合剂质量的15%到30%。李红君[26]认为：II级粉煤灰掺量不宜超过水泥用量的20%，I级粉煤灰掺量不宜超过水泥用量的30%。尹宁[27]认为粉煤灰取代率存在一个最佳值，关于劈裂抗拉强度为25%，关于拉压比为30%。肖佳[28]认为粉煤灰掺量23%、矿粉掺量10%的混凝土为较佳配合比。汪冬冬[29]通过试验发现：在粉煤灰掺量20 %时, 综合各项力学性能指标都优于普通混凝土。所以通常可以认为20%~30%为粉煤灰混凝土的最适宜掺量。
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第2章 钢筋混凝土梁短期刚度公式的研究
2.1 各国混凝土结构设计规范短期刚度公式
目前国内外关于梁短期刚度的研究成果丰富，新材料的兴起导致大多数规范在普通钢筋混凝土梁为试验基础上的研究适用性值得商榷，但各国规范的理论分析部分确意义充分且权威，所以目前绝大多数的研究都是基于规范公式或者是对规范公式的补充和修正，因此下面对当前应用较广的主流规范的短期刚度公式做简要介绍。
2.1.1 我国规范的短期刚度计算公式
2.1.1.1 混凝土结构设计规范 (GB50010-2010)
我国《混凝土结构设计规范》中钢筋混凝土受弯构件的抗弯刚度计算部分是通过计算直接验算变形，要求荷载效应与考虑长期效应的变形的标准组合小于允许变形。这个公式是丁大钧教授提出的。在分析裂缝阶段影响构件刚度的主要因素的基础上，考虑受拉钢筋和受压混凝土在构件裂缝后沿构件轴向长度的应变不均匀性引起的构件各截面刚度的不同，平均提出了裂纹沿构件轴向长度的平均曲率和平均刚度。
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2.2短期刚度公式的对比分析
当前各国混凝土结构设计规范受弯构件短期刚度计算的主要基本方法包括以下三种：1.有效惯性矩法，采用该方法的规范主要有美规 ACI318-11、加拿大规范 CSA A23.3-04、澳洲规范 AS3600-2001、新西兰规范 NZS3101:2006、日本规范 JGC15-2007 以及欧规 Eurocode2。2.刚度解析法，刚度解析法是我国规范 GB50010-2010 采用的方法，我国水工混土规范 SL 191-2008 也是使用该方法。3.受拉刚化效应法，欧规 CEB-FIP MC90 是采用此方法。
目前对于受弯构件短期刚度的计算公式虽然种类繁多，各个也不尽相同，但从原理来说，刚度的计算主要分为以下几种：1.通过钢筋混凝土应变计算截面曲率，然后通过弯矩-曲率计算刚度。2.直接通过截面曲率计算刚度。3.通过截面惯性矩直接计算刚度。4.通过挠度计算刚度。5.通过对各种情况下的刚度进行统计分析计算刚度。我国规范《混凝土结构设计原理》（GB50010-2010）则是按方法 1，欧洲规范(Eurocode2 和 CEB-FIP MC90)是按照方法 2，美规 ACI-318 和我国的《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》（JTG D62-2016）是按照方法 3。俄罗斯规范（SP52-101）是按照方法 5。一般情况下我们是通过计算刚度后计算挠度，所以通过挠度确定刚度计算公式的方式未看到使用。
梁开裂对梁刚度的影响是短期刚度计算的难点也是必要研究点。同时，随着荷载的增加，梁开裂程度变大或裂缝截面变多，或裂缝截面变大。对开裂程度的考虑将体现着公式计算的精度。下面简要描述不同的规范用不同的方法考虑梁的开裂对梁刚度的影响，
和对开裂程度的考虑。
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第 3 章 试验研究 .................................... 26
3.1 试验概况....................................... 26
3.1.1 研究变量 .................................. 26
3.1.2 试验梁设计 ................................. 26
第 4 章 短期刚度理论分析 ............................... 52
4.1 基于刚度解析法的刚度系数折减法 ..................................... 52
4.1.1 公式推导 .............................................. 52
4.1.2 误差分析 ......................................... 56
第 5 章 ABAQUS 模拟分析 ................................ 62
5.1ABAQUS 模拟与实测对比 ..................................... 62
5.1.1 模型建立 .................................. 62
5.1.2 混凝土损伤塑性模型（CDP 模型）参数的选取 ................. 63
第5章 Abaqus 模拟分析
5.1Abaqus 模拟与实测对比
当混凝土处于受拉状态时，其非线性行为主要表现为损伤引起的刚度退化；当混凝土处于受压状态时，其非线性行为不仅是混凝土损伤，而且是明显的塑性变形。可见，混凝土的力学性能非常复杂，用弹性损伤本构模型来描述显然是不够的。损伤与塑性相结合的本构模型不仅能反映损伤引起的刚度退化，而且能反映应变软化和塑性变形。ABAQUS 为混凝土材料提供了三种本构模型：混凝土开裂模型、分散开裂模型和混凝土损伤塑性模型（CDP 模型[80]），混凝土损伤塑性模型可以模拟混凝土在各种荷载（单调荷载、循环荷载、动荷载）下的力学行为。将各向同性拉压塑性理论与各向同性弹性模量相结合，可以表征混凝土的非弹性行为，与其它模型相比，循环荷载作用下混凝土刚度的恢复可以控制，CDP 模型可以精确地模拟混凝土的力学性能[81]。下面将开始介绍模型的建立和模型参数的设定。
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结论与展望
1.结论
本文通过对适宜工程结构应用的两种粉煤灰替代率钢筋混凝土梁进行受弯性能分析，探究粉煤灰钢筋混凝土梁的基本受弯性能，和粉煤灰对梁短期刚度的影响，以及对规范短期刚度公式在粉煤灰钢筋混凝土梁适用性进行了分析，并给出了修正公式。并且通过理论推导和分析给出了两种计算梁短期刚度的新公式，为短期刚度的计算提供了新思路和新方法，最后通过 Abaqus 软件模拟分析并对比试验结果。可以得出以下结论：
1.粉煤灰钢筋混凝土梁与普通混凝土梁在基本受弯性能，和裂缝形态上差异不大，在 28d 下，掺入 20%~40%粉煤灰并不会使梁承载力有太大的影响，能满足工程早期强度需求。
2.粉煤灰替代率在 20%左右时，可以提升梁的短期刚度，粉煤替代率在 40%左右时，对梁短期刚度影响不大。
3.规范公式在计算 40%粉煤灰替代率梁短期刚度时，计算值偏低，可能是过高的体现了强度的影响，而过低的忽略了弹性模量的影响，对此，本文给出了适合与 40%粉煤灰钢筋混凝土梁短期刚度规范修正公式。
4.本文给出的基于刚度解析法的刚度折减法计算梁短期刚度公式比规范公式更简洁，基本误差小，给出的基于弹性理论的刚度图形解析法与试验十分吻合，并且与其他文献试验也教吻合，能满足设计使用需求。 5.使用 Abaqus 模拟分析和试验值比较吻合，证明了试验的可靠性，通过 Abaqus 模拟分析粉煤灰对梁短期刚度的影响与试验一致。
参考文献（略）