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基本信息
- 項目名稱：
- 一種高強(qiáng)度再生塑料棒取代鋼筋作為加筋體的綠色基坑支擋結(jié)構(gòu)
- 小類：
- 機(jī)械與控制
- 簡介：
- 臨時性基坑開挖支護(hù)結(jié)構(gòu)耗用大量鋼材。本項目通過對27組不同配筋率的PVC水泥土、PVC混凝土、尼龍水泥土、聚甲醛水泥土梁以及標(biāo)準(zhǔn)梁的抗彎承載力進(jìn)行測定，分析得出：高強(qiáng)工程塑料與水泥土共同工作效果良好，合理配筋率0.8%-1.6%，基本可以替代鋼筋發(fā)揮抗拉性能，因此在實際工程中可合理應(yīng)用。高強(qiáng)回收工程塑料有環(huán)保、低耗能、可循環(huán)、低成本及易生產(chǎn)、研發(fā)等優(yōu)點，替代鋼筋可降低成本1/2-2/3甚至更多。
- 詳細(xì)介紹：
- 一、項目背景 由于城市高層建筑的大量建設(shè)和地下空間的開發(fā)利用，基坑開挖支護(hù)結(jié)構(gòu)每年需要耗用大量鋼材。然而，基坑擋土結(jié)構(gòu)往往是一種臨時性結(jié)構(gòu)，因此大量鋼材的耗用不符合綠色、環(huán)保和可持續(xù)發(fā)展的要求。本項目試圖提出一種新型的綠色基坑支護(hù)技術(shù)，采用具有相對較高強(qiáng)度的再生塑料替代鋼筋，形成塑料棒加筋混凝土樁或塑料棒加筋水泥土擋土墻，取代傳統(tǒng)的鋼筋混凝土樁或水泥攪拌樁重力式擋土墻。該技術(shù)可在保證基坑支護(hù)功能的前提下，最大程度的降低鋼筋和水泥用量，降低工程成本，且可望形成一種產(chǎn)業(yè)，造福人類。 傳統(tǒng)的水泥攪拌樁重力式擋土墻中的水泥土和鋼筋強(qiáng)度存在非常大的差異，水泥土強(qiáng)度很低，這就造成結(jié)構(gòu)破壞由水泥土的破壞引起，鋼筋不能充分發(fā)揮其強(qiáng)度，造成了極大的浪費。高強(qiáng)再生塑料棒的抗拉強(qiáng)度約為鋼筋的1/6，若用高強(qiáng)度再生塑料棒來替代鋼筋，則更能充分發(fā)揮出其強(qiáng)度，避免了浪費。 對于鋼筋混凝土樁結(jié)構(gòu)，盡管高強(qiáng)度再生塑料強(qiáng)度約為鋼筋的1/6，但是完全可以通過增加配筋來提高結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，即高強(qiáng)再生塑料棒混凝土樁結(jié)構(gòu)完全適用于基坑深度不大的基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)中。由于高強(qiáng)再生塑料綠色、環(huán)保、低成本，這種材料的樁必將是基坑支護(hù)的發(fā)展方向，可望在基坑支護(hù)工程中形成產(chǎn)業(yè)化發(fā)展。 本實驗旨在為高能再生塑料棒在基坑邊坡支護(hù)結(jié)構(gòu)中替代鋼筋提供理論依據(jù)，使該技術(shù)的應(yīng)用在實際工程中科學(xué)化和規(guī)范化。 二、項目創(chuàng)新 濱海新區(qū)土質(zhì)屬于淤泥質(zhì)軟土，基坑極易發(fā)生邊坡失穩(wěn)破壞，所以必須進(jìn)行基坑邊坡支護(hù)。目前國內(nèi)常用的支護(hù)方式有鋼樁支護(hù)、鉆孔灌注樁支護(hù)和擋土支護(hù)等，這些支護(hù)方式需要大量的鋼筋和水泥，具有高能耗的特點。同時，鋼筋與水泥土強(qiáng)度的巨大差異也使得鋼筋的強(qiáng)度不能充分發(fā)揮，極大的浪費了材料。這種高成本，高能耗的施工方式已經(jīng)不適應(yīng)現(xiàn)代建筑發(fā)展的理念。節(jié)能環(huán)保的國際化建筑施工趨勢要求在保證工程質(zhì)量即基坑邊坡支護(hù)強(qiáng)度的前提下，盡可能降低能耗。用高強(qiáng)再生塑料棒代替鋼筋可以在保證功能的前提下極大地發(fā)揮材料的強(qiáng)度，節(jié)約能耗，是建筑發(fā)展的必然趨勢。而目前這方面的試驗研究僅在少數(shù)發(fā)達(dá)國家剛剛起步，在國內(nèi)還近乎空白。 整個試驗歷時近一年，從試驗準(zhǔn)備、具體操作、數(shù)據(jù)采集到最后的結(jié)果分析，我們做了大量工作。 試驗中，我們分別以直徑8mm鋼筋和不同性能的高強(qiáng)再生工程塑料作為特殊配受拉筋制作27組混凝土簡支梁試件與水泥土試件模擬實際工程中受力條件，利用靜力加載實驗得到試件受彎基本工程力學(xué)性能數(shù)值。通過4種變量、6個類型（鋼筋混凝土標(biāo)準(zhǔn)件、鋼筋水泥土標(biāo)準(zhǔn)件、變“配筋率”PVC混凝土、變“配筋率”PVC水泥土、變“配筋率”尼龍水泥土、變“配筋率”聚甲醛水泥土）的簡支梁的受彎承載力以及各級荷載下的變形和裂縫開展情況，初步掌握了高強(qiáng)再生塑料的實際工程性能，為高強(qiáng)再生塑料替代鋼筋形成塑料棒加筋混凝土樁或塑料棒加筋水泥土擋土墻，取代傳統(tǒng)的鋼筋混凝土樁或水泥攪拌樁重力式擋土墻在實際工程中的應(yīng)用提供了一定的理論依據(jù)： 試驗得出以下結(jié)論： （1）PVC混凝土抗彎承載力沒有明顯峰值，走向呈上升趨勢，而PVC水泥土、尼龍水泥土、聚甲醛水泥土抗彎承載力均有明顯峰值，說明PVC所代表的高強(qiáng)綠色工程塑料與混凝土共同作用的契合度并不理想，而PVC、尼龍、聚甲醛等高強(qiáng)綠色工程塑料與水泥土共同工作效果良好，同時顯現(xiàn)適筋梁特性，合理配筋率范圍0.8%-1.6%，在實際工程中可以合理應(yīng)用。 （2）鋼筋砼梁與鋼筋水泥土梁抗彎承載力分別為16527N?m與 4927 N?m， PVC混凝土梁與PVC、尼龍、聚甲醛水泥土梁最大抗彎承載力分別為2061 N?m、3358 N?m、2435 N?m、4544 N?m。說明PVC混凝土梁中的PVC并不能替代鋼筋砼梁中鋼筋的性能， 而水泥土梁中工程塑料則基本可以替代鋼筋發(fā)揮其抗拉性能，承受相應(yīng)的彎矩。 （3）梁構(gòu)件破壞時，在鋼筋混凝土中配筋拉應(yīng)力的發(fā)揮效率鋼筋占優(yōu)勢，而水泥土梁中工程塑料的發(fā)揮效率明顯大于鋼筋，說明水泥土中鋼筋不能夠發(fā)揮其應(yīng)有的性能而造成了鋼材的極大浪費。 （4）梁破壞時，鋼筋混凝土梁與鋼筋水泥土梁中點撓度變形值明顯小于工程塑料混凝土梁與水泥土梁，這與鋼材與工程塑料彈性模量的巨大差異有關(guān)，在實際工程應(yīng)用中應(yīng)注意對變形的控制。 （5）市場上每噸鋼材價格（5000元/噸）略低于工程塑料價格（8000-12000元/噸），但工程塑料比重僅有鋼材的1/5，并且利用回收塑料成本低廉，綜合比較，按等強(qiáng)度估算使用量，使用工程塑料替代鋼筋可以降低配筋花費1/2-2/3甚至更多，可以極大地降低成本。 （6）高強(qiáng)回收工程塑料有環(huán)保、低耗能、可循環(huán)、低成本以及易生產(chǎn)、研發(fā)等優(yōu)點，實際工程應(yīng)用完全可以通過摻加劑改變其工程性能，使其產(chǎn)生一種全新的適用于巖土甚至土建工程的高強(qiáng)工程塑料，能更好地發(fā)揮工程塑料在水泥土中的性能，甚至有可能實現(xiàn)鋼筋混凝土中工程塑料替代鋼筋的前沿思想。 四、工程應(yīng)用 （1）實際工程應(yīng)用中注意對工程塑料棒的端錨固與摩擦力的增強(qiáng)，可以做成帶肋螺紋工程塑料棒。 （2）在基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計中，可以使用高強(qiáng)回收工程塑料替代部分鋼筋，達(dá)到降低成本與能耗的目的。 （3）對于剛性過大的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，可以使用部分高強(qiáng)回收工程塑料，增大其變形性能。 （4）基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)中水泥土配筋可用高強(qiáng)回收工程塑料網(wǎng)完全或部分替代。
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作品專業(yè)信息
撰寫目的和基本思路
- 由于城市高層建筑的大量建設(shè)和地下空間的開發(fā)利用，基坑開挖支護(hù)結(jié)構(gòu)每年需要耗用大量鋼材。這種臨時性結(jié)構(gòu)耗用大量鋼材不符合綠色、環(huán)保和可持續(xù)發(fā)展的要求。本項目提出了一種新型基坑支護(hù)技術(shù)，采用具有較高強(qiáng)度的再生塑料替代鋼筋，形成塑料棒加筋混凝土樁或塑料棒加筋水泥土擋土墻，取代傳統(tǒng)的鋼筋混凝土樁或水泥攪拌樁重力式擋土墻。該技術(shù)可最大程度的降低鋼筋和水泥用量，降低工程成本，且可望形成一種產(chǎn)業(yè)，造福人類。
科學(xué)性、先進(jìn)性及獨特之處
- 目前國內(nèi)常用的支護(hù)方式有鋼樁支護(hù)、鉆孔灌注樁支護(hù)和擋土支護(hù)等，這些支護(hù)方式需要大量的鋼筋和水泥，具有高能耗的特點。同時，鋼筋與水泥土強(qiáng)度的巨大差異也使得鋼筋的強(qiáng)度不能充分發(fā)揮，極大的浪費了材料。用高強(qiáng)再生塑料棒代替鋼筋可以在保證功能的前提下極大地發(fā)揮材料的強(qiáng)度，節(jié)約能耗，是節(jié)能環(huán)保的國際化建筑施工的必然趨勢。而目前這方面的試驗研究僅在少數(shù)發(fā)達(dá)國家剛剛起步，在國內(nèi)還近乎空白。
應(yīng)用價值和現(xiàn)實意義
- 以天津市的實際工程環(huán)境為例，濱海新區(qū)的建設(shè)在帶動天津市乃至區(qū)域經(jīng)濟(jì)發(fā)展的同時，也消耗掉巨大能源。因為濱海新區(qū)甚至整個天津地區(qū)土層都為淤泥質(zhì)軟土，基坑的邊坡支護(hù)需要投入大量能源。而本實驗的研究成果就可以最大程度的節(jié)約開支、降低能耗。將基坑邊坡支護(hù)工程引領(lǐng)到一個新的低能耗領(lǐng)域是基坑邊坡支護(hù)工程發(fā)展的必然趨勢，故就全國甚至全球的基坑邊坡支護(hù)工程來講，本課題的成果更具有跨時代的意義。
學(xué)術(shù)論文摘要
- 試驗分別以直徑8mm鋼筋和不同性能的高強(qiáng)再生工程塑料作為特殊配受拉筋制作27組混凝土簡支梁試件與水泥土試件模擬實際工程中受力條件，利用靜力加載實驗得到試件受彎基本工程力學(xué)性能數(shù)值。通過4種變量、6個類型（鋼筋混凝土標(biāo)準(zhǔn)件、鋼筋水泥土標(biāo)準(zhǔn)件、變配筋率的PVC混凝土、PVC水泥土、尼龍水泥土、聚甲醛水泥土）的簡支梁的受彎承載力以及各級荷載下的變形和裂縫開展情況，初步掌握了高強(qiáng)再生塑料的實際工程性能。 PVC所代表的高強(qiáng)綠色工程塑料與混凝土共同作用的契合度并不理想，而PVC、尼龍、聚甲醛等與水泥土共同工作效果良好，同時顯現(xiàn)適筋梁特性，合理配筋率范圍0.8%-1.6%，在實際工程中可以合理應(yīng)用。 工程塑料利用回收塑料成本低廉，按等強(qiáng)度估算使用量，使用工程塑料替代鋼筋可以降低配筋花費1/2-2/3甚至更多，可極大地降低成本。高強(qiáng)回收工程塑料有環(huán)保、低耗能、可循環(huán)、低成本以及易生產(chǎn)、研發(fā)等優(yōu)點，實際工程應(yīng)用完全可以通過摻加劑改變其工程性能，使其產(chǎn)生一種全新的適用于巖土甚至土建工程的高強(qiáng)工程塑料，能更好地發(fā)揮工程塑料在水泥土中的性能，甚至有可能實現(xiàn)鋼筋混凝土中工程塑料替代鋼筋的前沿思想。
獲獎情況
- 2009年，該項目成功通過審批，成為天津大學(xué)建工學(xué)院科技立項項目，并在眾多項目中脫穎而出入選國家大學(xué)生創(chuàng)新性試驗計劃，獲得國家經(jīng)費支持。
鑒定結(jié)果
- 無
參考文獻(xiàn)
- [1] 楊建中、熊光晶，高強(qiáng)玻璃纖維-碳纖維混雜復(fù)合材料加固混凝土梁的抗彎試驗研究，土木工程學(xué)報2004年7月． [2] 蔣小青，高強(qiáng)玻璃纖維布碳纖維布混雜加固混凝土梁柱的試驗研究，纖維復(fù)合材料2007年12月． [3] 金廣謙、吳小軍，碳/?；祀s纖維筋混凝土梁抗彎性能的試驗研究，工業(yè)建筑2003年． [4] 高丹盈、朱海堂、李趁趁，纖維增強(qiáng)塑料筋混凝土梁受彎性能的計算方法，鄭州大學(xué)學(xué)報． [5]謝莉萍、福阿德，碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料加固鋼筋混凝土梁試驗研究，結(jié)構(gòu)工程師2002年第1期． [6]姜艷、霍尹才，碳纖維復(fù)合材料加固混凝土梁破壞類型的分析，黑龍江水專學(xué)報2008年4期． [7]王文煒，纖維復(fù)合材料加固鋼筋混凝土梁抗彎性能研究，中國科學(xué)院上海冶金研究所． [8]賈寶書、鄒海江，碳纖維復(fù)合材料加固鋼筋混凝土梁的應(yīng)用研究，山西建筑2009年．
同類課題研究水平概述
- 濱海新區(qū)土質(zhì)屬于淤泥質(zhì)軟土，基坑極易發(fā)生邊坡失穩(wěn)破壞，所以必須進(jìn)行基坑邊坡支護(hù)。目前國內(nèi)常用的支護(hù)方式有鋼樁支護(hù)、鉆孔灌注樁支護(hù)和擋土支護(hù)等，這些支護(hù)方式需要大量的鋼筋和水泥，具有高能耗的特點。同時，鋼筋與水泥土強(qiáng)度的巨大差異也使得鋼筋的強(qiáng)度不能充分發(fā)揮，極大的浪費了材料。這種高成本，高能耗的施工方式已經(jīng)不適應(yīng)現(xiàn)代建筑發(fā)展的理念。節(jié)能環(huán)保的國際化建筑施工趨勢要求在保證工程質(zhì)量即基坑邊坡支護(hù)強(qiáng)度的前提下，盡可能降低能耗。用高強(qiáng)再生塑料棒代替鋼筋可以在保證功能的前提下極大地發(fā)揮材料的強(qiáng)度，節(jié)約能耗，是建筑發(fā)展的必然趨勢。而目前這方面的試驗研究僅在少數(shù)發(fā)達(dá)國家剛剛起步，在國內(nèi)還近乎空白。
