一种主动封存CO2的混凝土梁的截面设计方法技术

本发明专利技术首次提出了一种主动封存CO2的混凝土梁的截面设计方法，该方法先计算并获得混凝土梁试件截面的中和轴到截面受压区边缘的竖向距离x

【技术实现步骤摘要】
一种主动封存CO2的混凝土梁的截面设计方法


[0001]本专利技术属于混凝土梁
，涉及混凝土梁的截面设计，具体涉及一种 主动封存CO2的混凝土梁的截面设计方法。

技术介绍

[0002]混凝土孔溶液的主要成分相包括水化硅酸钙、氢氧化钙、钙矾石和水化硫 铝酸钙，混凝土孔溶液为pH值高达13以上的高碱性混合物，易于与CO2发生 化学反应。采用高浓度CO2气体养护水泥基材料，使得CO2气体与水泥熟料反 应，生成稳定碳酸钙晶体，能够实现CO2永久封存。相比于地质封存和深海封 存，采用混凝土封存CO2没有气体泄露风险，无需进行实时监测及风险评估。 此外，主动封存CO2水泥基材料的力学与耐久性能好，使用寿命长，进而能够 降低建筑业能源消耗与碳排放。然而，对钢筋混凝土结构采用长时间CO2养护， 虽然能够实现大规模的CO2的主动封存，但是容易造成钢筋锈蚀的耐久性问题。
[0003]纤维增强复合材料(Fiber Reinforced Polymer，简称FRP)具有极强耐腐蚀 性能，能够取代腐蚀性环境下混凝土结构中的钢筋。然而，由于OH
‑
能够诱发纤 维与基体界面脱粘，以及纤维分子结构破坏等内在微细观损伤，所以混凝土孔 溶液中的高碱性环境不利于FRP筋的长期性能。
[0004]因此，采用钢筋和FRP筋混合配筋的混凝土结构主动封存CO2，能够同时 解决混凝土结构中钢筋易锈蚀和FRP筋容易发生微细观损伤的问题，同时还能 兼顾低碳需求。然而，由于这种能够主动封存CO2的混合配筋混凝土结构的截 面为非均质截面，现有技术中关于混凝土结构的截面设计方法，无法设计出这 种混凝土结构，从而制约了主动封存CO2混凝土梁的生产和制造。
[0005]
技术实现思路

[0006]针对现有技术存在的缺陷和不足，本专利技术的目的在于，提供一种主动封存 CO2的混凝土梁的截面设计方法，解决现有技术中由于缺乏主动封存CO2的混 合配筋混凝土梁截面设计方法，从而制约了主动封存CO2混凝土梁的生产和制 造的技术问题。
[0007]为了解决上述技术问题，本专利技术采用如下技术方案予以实现：
[0008]一种主动封存CO2的混凝土梁的截面设计方法，该方法先计算并获得混凝 土梁试件截面的中和轴到截面受压区边缘的竖向距离x
c
；再根据所述的混凝土 梁试件截面的中和轴到截面受压区边缘的竖向距离x
c
，判断进行单筋矩形截面 设计或双筋矩形截面设计；根据判断结果，进行单筋矩形截面设计或双筋矩形 截面设计，并对设计好的单筋矩形截面或双筋矩形截面进行验算。
[0009]本专利技术还具有如下技术特征：
[0010]该方法具体包括如下步骤：
[0011]所述的混凝土梁试件由内而外依次为未封存CO2混凝土区和主动封存CO2混凝土
区；所述的未封存CO2混凝土区中设置有受拉钢筋预留位，所述的主动 封存CO2混凝土区中设置有受拉FRP筋预留位；
[0012]或所述的未封存CO2混凝土区中设置有受拉钢筋预留位和受压钢筋预留位， 所述的主动封存CO2混凝土区中设置有受拉FRP筋预留位；
[0013]步骤二，计算并获得步骤一所述的混凝土梁试件的截面有效高度h0；
[0014]步骤三，将步骤二中获得的混凝土梁试件的截面有效高度h0代入式I中， 计算并获得混凝土梁试件截面的中和轴到截面受压区边缘的竖向距离x
c
；
[0015]所述的混凝土梁试件截面的中和轴到截面受压区边缘的竖向距离x
c
按照式I 计算并获得：
[0016]Mu＝
‑
0.32bf
ct
x
c2
+0.79bh0f
ct
x
c
+(f
c
‑
f
ct
)(b
‑
2h
t
)(
‑
0.24x
c2
+0.4h0x
c
) +(f
c
‑
f
ct
)(b
‑
2h
t
)(
‑
0.07x
c2
+0.39h0x
c
+0.5h
t2
‑
h0h
t
)
ꢀꢀꢀꢀ
式I；
[0017]式I中：
[0018]M
u
表示混凝土梁试件的截面弯矩的设计值；
[0019]b表示混凝土梁试件的截面设计宽度；
[0020]h表示混凝土梁试件的截面设计高度；
[0021]f
ct
表示主动封存CO2混凝土区的轴心抗压强度；
[0022]f
c
表示未封存CO2混凝土区的轴心抗压强度；
[0023]h
t
为表示混凝土梁试件的碳化深度；
[0024]h0表示混凝土梁试件的截面有效高度；
[0025]将所述的h
t
、f
c
、f
ct
、h、b、M
u
和h0的数值代入式I中，计算并获得混凝土 梁试件截面的中和轴到截面受压区边缘的竖向距离x
c
；
[0026]步骤四，根据步骤三中获得的混凝土梁试件截面的中和轴到截面受压区边 缘的竖向距离x
c
值，判断进行单筋矩形截面设计或双筋矩形截面设计：当x
c
β1/h0≤ξ
b
时，进行单筋矩形截面设计；当x
c
β1/h0≤ξ
b
时，进行双筋矩形截面设计；
[0027]其中：
[0028]x
c
表示混凝土梁试件截面的中和轴到截面受压区边缘的竖向距离；
[0029]β1表示等效矩形应力图系数；
[0030]h0表示混凝土梁试件的截面有效高度；
[0031]ξ
b
表示界限相对受压区高度；
[0032]步骤五，根据步骤四的判断结果，进行单筋矩形截面设计；
[0033]步骤六，对步骤五中设计好的单筋矩形截面，进行验算；
[0034]步骤七，根据步骤四的判断结果，进行双筋矩形截面设计；
[0035]步骤八，对步骤七中设计好的双筋矩形截面，进行验算。
[0036]所述的步骤五具体包括如下步骤：
[0037]步骤5.1，根据式II，计算并获取混凝土梁试件中受拉混合筋的理论配置面 积A
S
：
[0038]0.8x
c
bf
ct
+(f
c
‑
f
ct
)(b
‑
2h
t
)
×
0.4x
c
+(f...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种主动封存CO2的混凝土梁的截面设计方法，其特征在于，该方法根据弯矩设计值先计算并获得混凝土梁试件截面的中和轴到截面受压区边缘的竖向距离x
c
；再根据所述的混凝土梁试件截面的中和轴到截面受压区边缘的竖向距离x
c
，判断进行单筋矩形截面设计或双筋矩形截面设计；根据判断结果，进行单筋矩形截面设计或双筋矩形截面设计，并对设计好的单筋矩形截面或双筋矩形截面进行验算。2.如权利要求1所述的主动封存CO2的混凝土梁的截面设计方法，其特征在于，该方法具体包括如下步骤：步骤一，设计混凝土梁试件；所述的混凝土梁试件由内而外依次为未封存CO2混凝土区(1)和主动封存CO2混凝土区(2)；所述的未封存CO2混凝土区(1)中设置有受拉钢筋预留位(3)，所述的主动封存CO2混凝土区(2)中设置有受拉FRP筋预留位(4)；或所述的未封存CO2混凝土区(1)中设置有受拉钢筋预留位(3)和受压钢筋预留位(5)，所述的主动封存CO2混凝土区(2)中设置有受拉FRP筋预留位(4)；步骤二，计算并获得步骤一所述的混凝土梁试件的截面有效高度h0；步骤三，将步骤二中获得的混凝土梁试件的截面有效高度h0代入式I中，计算并获得混凝土梁试件截面的中和轴到截面受压区边缘的竖向距离x
c
；所述的混凝土梁试件截面的中和轴到截面受压区边缘的竖向距离x
c
按照式I计算并获得：Mu＝
‑
0.32bf
ct
x
c2
+0.79bh0f
ct
x
c
+(f
c
‑
f
ct
)(b
‑
2h
t
)(
‑
0.24x
c2
+0.4h0x
c
)+(f
c
‑
f
ct
)(b
‑
2h
t
)(
‑
0.07x
c2
+0.39h0x
c
+0.5h
t2
‑
h0h
t
)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
式I；式I中：M
u
表示混凝土梁试件的截面弯矩的设计值；b表示混凝土梁试件的截面设计宽度；h表示混凝土梁试件的截面设计高度；f
ct
表示主动封存CO2混凝土区的轴心抗压强度；f
c
表示未封存CO2混凝土区的轴心抗压强度；h
t
为表示混凝土梁试件的碳化深度；h0表示混凝土梁试件的截面有效高度；将所述的h
t
、f
c
、f
ct
、h、b、M
u
和h0的数值代入式I中，计算并获得混凝土梁试件截面的中和轴到截面受压区边缘的竖向距离x
c
；步骤四，根据步骤三中获得的混凝土梁试件截面的中和轴到截面受压区边缘的竖向距离x
c
值，判断进行单筋矩形截面设计或双筋矩形截面设计：当x
c
β1/h0≤ξ
b
时，进行单筋矩形截面设计；当x
c
β1/h0≤ξ
b
时，进行双筋矩形截面设计；其中：x
c
表示混凝土梁试件截面的中和轴到截面受压区边缘的竖向距离；β1表示等效矩形应力图系数；h0表示混凝土梁试件的截面有效高度；ξ
b
表示界限相对受压区高度；步骤五，根据步骤四的判断结果，进行单筋矩形截面设计；
步骤六，对步骤五中设计好的单筋矩形截面，进行验算；步骤七，根据步骤四的判断结果，进行双筋矩形截面设计；步骤八，对步骤七中设计好的双筋矩形截面，进行验算。3.如权利要求2所述的主动封存CO2的混凝土梁的截面设计方法，其特征在于，所述的步骤五具体包括如下步骤：步骤5.1，根据式II，计算并获取混凝土梁试件中受拉混合筋的理论配置面积A
S
：0.8x
c
bf
ct
+(f
c
‑
f
ct
)(b
‑
2h
t
)
×
0.4x
c
+(f
c
‑
f
ct
)(b
‑
2h
t
)(0.39x
c
‑
h
t
)＝f
fd
A
s1
+f
y
A
s2 式II；式II中：x
c
表示混凝土梁试件截面的中和轴到截面受压区边缘的竖向距离；b表示混凝土梁试件的截面设计宽度；f
ct
表示主动封存CO2混凝土区的轴心抗压强度；f
c
表示未封存CO2混凝土区的轴心抗压强度；h
t
为表示混凝土梁试件的碳化深度；A
S1
表示混凝土梁试件中的受拉FRP筋的总截面面积；A
S2
表示混凝土梁试件中的受拉钢筋的总截面面积；f
fd
表示FRP筋的抗拉强度设计值；f
y
表示钢筋的抗拉强度设计值；将所述的x
c
、b、f
ct
、f
c
和h
t
的数值代入式II中，获得混凝土梁试件中受拉混合筋的理论配置面积A
S
的表达式III：式III中：A
S1
表示混凝土梁试件中的受拉FRP筋的总截面面积；A
S2
表示混凝土梁试件中的受拉钢筋的总截面面积；f
fd
表示FRP筋的抗拉强度设计值；f
y
表示钢筋的抗拉强度设计值；将所述的A
S1
、A
S2
、f
fd
和f
y
的数值代入式III中，计算并获得的混凝土梁试件中受拉混合筋的理论配置面积A
S
；步骤5.2，根据步骤5.1获得的混凝土梁试件中受拉混合筋的理论配置面积A
S
，配置受拉钢筋(6)和受拉FRP筋(7)的直径和数量，完成单筋矩形截面设计。4.如权利要求2所述的主动封存CO2的混凝土梁的截面设计方法，其特征在于，所述的步骤六具体包括如下步骤：步骤6.1，根据式IV计算混合配筋率ρ
sf，s
：式IV中：ρ
sf，s
表示混合配筋率；ρ
s
表示受拉钢筋配筋率；
ρ
f
表示受拉FRP筋配筋率；f
y
表示钢筋的抗拉强度设计值；f
fd
表示FRP筋的抗拉强度设计值；A
S1
表示混凝土梁试件中的受拉FRP筋的总截面面积；A
S2
表示混凝土梁试件中的受拉钢筋的总截面面积；b表示混凝土梁试件的截面设计宽度；h0混凝土梁试件的截面有效高度；将所述的f
y
、f
fd
、A
S1
、A
S2
、b和h0的数值代入式IV中，计算并获得混合配筋率ρ
sf，s
；步骤6.2，根据步骤6.1中获得的混合配筋率ρ
sf，s
，以及步骤三中获得的混凝土梁试件截面的中和轴到截面受压区边缘的竖向距离x
c
，判断设计好的单筋矩形截面是否符合适筋破坏模式；当混合配筋率ρ
sf，s
满足式V，且混凝土梁试件截面的中和轴到截面受压区边缘的竖向距离x
c
满足式VI时，则所述的设计好的单筋矩形截面符合适筋破坏模式；式V中：ρ
sf，s
表示混合配筋率；ρ
s<...

【专利技术属性】
技术研发人员：郭冰冰，路鹏超，于瑞昌，于琦，牛荻涛，
申请(专利权)人：青岛青建新型材料集团有限公司，
类型：发明
国别省市：