开题报告书参考样式1.doc
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1、开题报告书参考样式1 学号: 工程硕士论文开题报告高阻尼混凝土的研究及其在防震减灾中的应用Research and Application of High Damping Concrete in Disaster Prevention and Mitigation Engineering 张 文专业领域: 建筑与土木工程研究方向: 校内导师: 校外导师: 扬州大学建筑科学与工程学院2007年4月高阻尼混凝土的研究及其在防震减灾中的应用一 研究意义及国内外研究现状1 本课题的研究意义近二十年来,为使土木工程结构能够抵御强烈地震、风振以及其它外部激励而引起的结构破坏,各国学者进行了大量的研究,并在
2、结构抗震、隔震、耗能、控制等领域取得了长足的进展。近年来,随着国际恐怖活动的加剧,尤其是美国“9.11”事件以后,有效提高结构物抗冲击能力的问题更是变得十分迫切。 由于地震、风振、爆炸冲击等外部激励均属于随机广谱外激励,因此,现有的以改变结构自振周期的抗震、减震手段对于这些广谱外激励的有效性受到制约。显然,结构的高阻尼化是未来结构抵御地震、爆炸等外部冲击的必由之路1。混凝土材料在土木工程相关学科中是一个历史悠久的传统领域,但近年来它的研究内容正在发生重大的转变。新型高性能阻尼材料的研究是当前功能材料领域的一个热点课题2,3,但其材料阻尼与材料强度的矛盾一直未能得到很好的解决。与此同时,普通混凝
3、土的阻尼值一直偏低,严重制约着混凝土构筑物的动力学性能。高阻尼混凝土对建筑物的防震减灾,以及降低城市噪声污染和桥梁风振危害等方面有重要意义。另外,随着我国高新技术的发展,在航天航空、核技术工程和高精度机床设备安装等方面也需要有良好减振性能的混凝土基础和构件。因此,揭示混凝土材料能量耗散特性产生的内在机制,建立材料阻尼与结构阻尼之间的内在关系,根据工程实际需要,设计阻尼性能、强度和刚度相统一的高阻尼混凝土,以上诸多方面的研究工作,从理论和实践两方面都有重大的现实意义。2 本课题国内外研究现状混凝土是建筑结构中最常用的材料,强度较高,但阻尼系数较小,结构消耗能量是以混凝土发生塑性变形丧失部分结构功
4、能为代价的。目前,世界各国学者对聚合物混凝土的研究十分关注47。我国在上个世纪80年代也开始了聚合物混凝土阻尼材料的研究8。直至目前,各国学者对普通混凝土阻尼比的研究较少,有关聚合物对混凝土的阻尼性能影响的研究也并不成熟,到目前为止这是尚未探明而需要深入研究的课题,不少学者对这个问题也做了很多的试验和理论研究。尚世英等在文献9中采用实验的方法,对不同混凝土强度等级的钢筋混凝土小型悬臂梁的阻尼比进行了测定,实验表明,钢筋混凝土试件材料的阻尼值与应力水平有关,应力增加,阻尼变大,而混凝土强度对阻尼比影响不大。郭文武等在文献10中分析总结了混凝土拌合物振动密实时阻尼的产生机理,阻尼主要来自三个方面:
5、摩擦阻尼、流体的粘滞阻尼、压缩空气的阻尼。其中摩擦阻尼包括混凝土拌合物中颗粒的振动和下沉运动使颗粒间摩擦力做功构成摩擦耗能,以及在上述运动中颗粒和水泥浆体之间的摩擦力做功构成摩擦耗能;水泥浆体的阻尼又包括粘滞损耗和涡流损耗两部分。石建军等11对不同柱纵筋和箍筋配筋率的钢筋混凝土材料阻尼值进行了试验研究,实验采用自由振动衰减法。结果认为,纵筋配筋率的增加使试件抗弯刚度增大,导致阻尼比有所降低;而配箍率的变化对试件阻尼比的影响不大,这是由于配箍后主要是增加了截面的剪切刚度。李祝龙等在文献12中分析了聚合物乳液改性砂浆的阻尼机理,聚合物是一种具有长链状的高分子物质,其颗粒分散在水泥胶凝材料的连续相内
6、,在砂浆中形成空间三维连续网状结构,穿梭在硬化浆体中的缺陷与微裂缝之间,形成富有弹性的“铰”结构,既分散了砂浆的应力集中,又增加了变形耗能能力,可克服缺陷或减缓微裂缝在脆性砂浆中的扩散。胡佳山等在文献13中提到了采用自行设计组装的测试系统,研究集料级配、橡胶和界面处理对环氧树脂混凝土(EPC)减振阻尼性能的影响。结果认为,在环氧树脂混凝土中,采用间断级配,可以明显提高材料的动弹模量和抗折强度;掺入橡胶,同时选用偶联剂可以提高材料的阻尼;在集料和树脂间引入具有良好粘结的弹性界面层,可以获得阻尼与动弹模量均较好的环氧树脂混凝土。柯国军等14对羧基丁苯胶水泥混凝土阻尼值进行了探索性研究,分析了不同的
7、丁苯掺量对混凝土阻尼值的影响,试图获得一种有较高阻尼,同时又有较高弹性模量和抗压强度的混凝土。试验结果认为,丁苯掺量控制在一定的范围内可以获得综合指标较好的混凝土,即混凝土的阻尼比、弹性模量和轴心抗压强度等都能令人满意。同时,对丁苯胶乳提高混凝土阻尼值的机理分析认为,丁苯因化学吸附或物理作用,包裹在骨料颗粒和水泥凝胶的表面,将水泥水化产物交联起来,形成结构网。这不同程度地改变了粗骨料与水泥石之间的界面,使混凝土的阻尼值增大。在20世纪60年代,德国学者H.Schutz15和H.Tanner16研究了用作机床零部件的聚合物混凝土的静力和动力性能以及在机械设计中的运用,由于其阻尼性能优越,由其制成
8、的机床能极大提高零件切割的表面光洁度。所以聚合物混凝土被用来部分代替钢和铸铁,主要用于机械工业。Sezan Orak17研究了掺入聚酯树脂的聚合物混凝土的振动阻尼性能,试验表明,聚合物混凝土的临界阻尼比是铸铁的47倍,但对聚合物提高混凝土阻尼性能的产生机理并没有阐述。W.G.Wong18等人通过试验研究聚合物改性水泥(混凝土)的振动阻尼性能,试验结果认为,聚灰比对表征阻尼性能的参量损耗因子影响较大,当聚灰比在15%20%的范围时,聚合物水泥(混凝土)表现出较好的阻尼能力。同时作者还强烈建议将聚合物水泥(混凝土)用于建筑结构或构件上抵抗动荷载,以获得最优的振动阻尼。L.Yan19,20等研究了聚
9、烯烃纤维增强混凝土复合材料的阻尼机理,L.Yan和C.H.Jenkins等人认为,该复合材料的阻尼主要来自于两个方面:颗粒界面的相对位移以及由此引起的界面剥离和界面摩擦是最基本的能量耗散方式;在拉应力作用下,基体和纤维断面处微裂纹的开展和延伸也会产生能量消耗。文献20中指出,要在获得高阻尼的同时不降低纤维增强混凝土的其它力学性能,建议选用具有不同几何特征的增强纤维。从上述文献可以看出,对聚合物混凝土阻尼机理的研究主要是从宏观的角度出发,所以对能量耗散的内在机制研究并不深入和完善。而且人们通过实践发现,聚合物混凝土阻尼的增加一般会导致结构在强度和刚度性能上的退化和降低,这对于致力于将聚合物混凝土
10、用作结构材料显然是不希望看到的结果。对于结构型材料,阻尼优化必须从结构全局性能要求出发,在确保获得所期望的阻尼性能的同时,不能以牺牲材料的刚度和强度性能为代价,即需将阻尼、强度、刚度等宏观性能同时作为设计目标。而这一直是尚未能有效解决的问题。二 本课题研究内容及拟解决关键问题1 本课题研究内容本课题的研究内容包括聚合物混凝土阻尼机理的研究、高阻尼混凝土的研制以及高阻尼混凝土在结构高阻尼化中的应用,现分述如下:在进一步深入研究普通混凝土阻尼机理的基础上,分析和探讨聚合物混凝土的变形阻尼机理及能量转换机理。聚合物混凝土的阻尼机理与普通混凝土的阻尼机理具有较大差异。普通混凝土的阻尼来自于混凝土的初始
11、缺陷(如微孔、裂纹、夹杂)以及动力变形过程中微裂纹的扩展和界面的内摩擦。由于普通混凝土属于脆性材料,变形能力小,在冲击荷载作用下,吸收能量很少,故阻尼性能差;聚合物混凝土由于高分子聚合物的作用,大幅度提高了混凝土的变形能力,因而其能够在动荷载下吸收较多的能量,故而表现出比普通混凝土更优越的阻尼性能。聚合物混凝土低弹模、大变形、粘弹特征明显等特点,符合阻尼材料的一般特征,但聚合物混凝土又不同于一般的高分子材料,由于其中含有无机的砂、石等填料,其阻尼机理也不同于普通的高分子材料。因此,聚合物混凝土的各组份是研究其阻尼机理的重要切入点。本课题在研究聚合物混凝土阻尼机理和能量转换机理的基础上,通过选择
12、合适的聚合物、添加剂、纤维增强材料和合理的配合比,探索提高聚合物混凝土的阻尼性能和强度的方法,研制新型高阻尼混凝土材料。新型高阻尼混凝土应具有低弹模、高阻尼、大变形的特征,同时具有足够的强度,从而使这种具有优良阻尼性能的新型材料用作结构材料成为可能。在研制高阻尼混凝土材料的基础上研究材料阻尼与结构阻尼的内在规律,探索高阻尼混凝土在结构抗震减灾方面的应用方式。鉴于目前聚合物混凝土成本较高,在一定程度上制约了该技术的推广与应用。在本课题的研究中,提出了结构局部高阻尼化的概念,拟对局部高阻尼化结构体系进行一些初步的探索。2 本课题关键问题本课题的关键问题是解决材料的强度、阻尼及成本三者之间的关系。目
13、前存在的问题是强度高的结构材料阻尼值小,变形能力小,而阻尼高的材料强度低,没有足够的承载能力,因而不能作为结构材料使用。此外,高阻尼混凝土大量使用高分子材料,其成本要高于普通混凝土。如果高阻尼混凝土在工程中大量使用,势必会增加工程造价,因而必须解决高阻尼混凝土在结构设计时的合理使用方式。三 本课题研究方法和技术路线本课题的主要研究模块为:(1)聚合物混凝土阻尼机理研究:该研究内容首先是建立试验装置,测定聚合物混凝土的力学参数,包括弹性模量、强度、阻尼比等。阻尼比测试采用T型模型,试验装置如图1所示。继而通过变焦成像系统、电镜扫描等手段对聚合图1 T型试件锤击振动试验装置物混凝土形态结构进行细观
14、和微观的观察和分析,探讨高分子材料、添加剂以及填料在聚合物混凝土中对其阻尼性能的影响,从而提出力学模型,根据力学模型分析弹性模量、强度、阻尼值和组份比例等各种因素之间的关系。阻尼理论研究是长期以来国内外所关注的一个研究课题,近年来,随着智能材料、智能结构、结构健康诊断等研究热点的兴起,不少学者对此课题十分感兴趣,提出了各种阻尼理论,并取得了一定的进展。对于此研究模块,目前国内外在该方面的研究虽然已有一定的基础,但在细观层面上对聚合物混凝土的阻尼机理进行深入研究,建立其细观构造与宏观阻尼参数之间的联系方面,尚很少有学者问津。电镜扫描是了解材料细观构造的有效手段,本课题欲借助这种手段,分析材料受力
15、变形机理,由细观到宏观,探索聚合物混凝土的细观构造与其宏观阻尼性能的关系。(2)高阻尼混凝土的研制:在研究聚合物混凝土阻尼机理和能量耗散转换机理的基础上,研究增强类填料(包括砂、石、纤维等)和阻尼类填料(包括胶乳、石墨、强磁等)的添加种类和合理掺量。通过胶乳、添加剂、填料等配比的改变,反复试验,调整高阻尼混凝土的玻璃态转换温度,探索新型的能量消耗转换方式,如动能热能、动能电磁能等,提高材料的阻尼性能。但在混凝土中加入过多的柔性聚合物材料,其强度会迅速降低。针对本课题的这一关键问题,解决方案是拟采取根据结构要求,对混凝土进行材料功能定向设计的新思路。在实际工程中,对混凝土的强度要求并不都是各向同
16、性的,根据构件或结构功能要求的不同,混凝土各向可具有不同的强度,比如柱主要是纵向受压,该方向的抗压强度要求比较高,但横向强度要求并不高。根据结构要求对混凝土进行材料功能定向设计,这类技术在结构工程学科中已被成功应用,如叠层橡胶隔震支座、钢管混凝土、预应力技术等,对提高材料的强度有充分的理论依据。该研究内容目前在国内外属于开创性的工作,如何将结构工程领域中的研究成果成功地移植到材料设计中来,可以直接借鉴的经验不多。但国内外近期在相关学科的一些领先科研成果仍具有重要的参考价值,如高分子聚合物阻尼材料、复合金属阻尼材料、巨磁材料以及纤维增强技术等方面的研究成果。(3)高阻尼混凝土在结构高阻尼化中的应
17、用:高阻尼混凝土具有极其广泛的应用前景,本研究模块着重于具有承载与高阻尼双重功能的结构阻尼元件的开发应用以及结构局部高阻尼化的设计理论与方法研究。图2 课题开展流程图四 本课题的特色与创新之处(1) 在聚合物混凝土的基础上,通过对能量转换机理和阻尼机理的研究,调整聚合物的掺量和添加剂的种类,研制具有高弹性、高阻尼性同时又能保持相当的定向功能强度的新型功能混凝土材料。(2) 将结构设计中的叠层约束,管状约束以及预应力技术,移植到阻尼混凝土材料研制中,根据结构使用要求,对混凝土进行材料功能定向设计,有望解决聚合物混凝土研制中长期未能得到有效解决的强度与阻尼性能之间矛盾的关键难题。(3) 提出了结构
18、局部高阻尼化的概念,将高阻尼混凝土局部使用于工程结构,改善整体结构的动力学性能,降低高阻尼混凝土在结构工程中的使用成本。(4) 高阻尼混凝土可以用于制作各类隔震、减振元件,尤其是制作具有承载和高阻尼双重功能的结构阻尼元件,其特点是低频减振效果远高于金属类隔振元件。五 进度安排及预期成果1 进度安排(1) 2003年11月2004年2月 资料检索,调研,试验方案制定。(2) 2004年3月6月 聚合物混凝土试验,对试件的细观构造进行观察分析研究。(3) 2004年7月 测定聚合物混凝土的力学性能参数,建立力学模型。(4) 2004年8月2004年9月 分析聚合物、添加剂、填料等组份以及材料内摩擦
19、产生阻尼的机理。(5) 2004年10月11月 测定高阻尼混凝土的阻尼性能,获得制备高阻尼混凝土的最佳配合比和相关生产条件。(6) 2004年12月 试制结构阻尼元件,通过模型试验,以及力学分析、有限元分析,完成材料阻尼与结构整体阻尼之间关系的研究。(7) 2005年1月2月 试验、理论研究成果整理,完成论文初稿。(8) 2005年3月4月 论文修改并定稿。 (9) 2005年5月 论文送审,答辩准备。(10) 2005年6月 论文答辩。2 预期成果从细观和微观的角度,完成对聚合物混凝土材料阻尼机理的研究,寻找到制备高阻尼混凝土的合理途径,解决优化聚合物混凝土阻尼性能的同时,难以兼顾高强度、高
20、刚度性能的问题,为结构的高阻尼化提供理论支持和实践支持。六. 参考文献1 刘平,万泽青. 结构高阻尼化发展策略A. 第三届中-日-美结构健康监测与控制学术研讨会暨第四届中国结构控制年会,大连,2004.2 张照宇,吴芳. 聚合物水泥高性能混凝土的研究J. 苏州城建环保学院学报,1998,11(4):10-14.3 杨志强,王东. 聚合物对混凝土结构和性能影响的研究J. 混凝土与水泥制品,1995,(1):1113.4 李湘洲. 国内外聚合物混凝土现状与趋势J. 硅酸盐建筑制品,1996,(1):4245.5 Ioana C.Finegan, Ronald F.Gibson. Recent Re
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