基本信息
- 项目名称：
- 一种高强度再生塑料棒取代钢筋作为加筋体的绿色基坑支挡结构
- 来源：
- 第十二届“挑战杯”省赛作品
- 小类：
- 机械与控制
- 大类：
- 自然科学类学术论文
- 简介：
- 临时性基坑开挖支护结构耗用大量钢材。本项目通过对27组不同配筋率的PVC水泥土、PVC混凝土、尼龙水泥土、聚甲醛水泥土梁以及标准梁的抗弯承载力进行测定，分析得出：高强工程塑料与水泥土共同工作效果良好，合理配筋率0.8%-1.6%，基本可以替代钢筋发挥抗拉性能，因此在实际工程中可合理应用。高强回收工程塑料有环保、低耗能、可循环、低成本及易生产、研发等优点，替代钢筋可降低成本1/2-2/3甚至更多。
- 详细介绍：
- 一、项目背景 由于城市高层建筑的大量建设和地下空间的开发利用，基坑开挖支护结构每年需要耗用大量钢材。然而，基坑挡土结构往往是一种临时性结构，因此大量钢材的耗用不符合绿色、环保和可持续发展的要求。本项目试图提出一种新型的绿色基坑支护技术，采用具有相对较高强度的再生塑料替代钢筋，形成塑料棒加筋混凝土桩或塑料棒加筋水泥土挡土墙，取代传统的钢筋混凝土桩或水泥搅拌桩重力式挡土墙。该技术可在保证基坑支护功能的前提下，最大程度的降低钢筋和水泥用量，降低工程成本，且可望形成一种产业，造福人类。 传统的水泥搅拌桩重力式挡土墙中的水泥土和钢筋强度存在非常大的差异，水泥土强度很低，这就造成结构破坏由水泥土的破坏引起，钢筋不能充分发挥其强度，造成了极大的浪费。高强再生塑料棒的抗拉强度约为钢筋的1/6，若用高强度再生塑料棒来替代钢筋，则更能充分发挥出其强度，避免了浪费。 对于钢筋混凝土桩结构，尽管高强度再生塑料强度约为钢筋的1/6，但是完全可以通过增加配筋来提高结构强度，即高强再生塑料棒混凝土桩结构完全适用于基坑深度不大的基坑支护结构中。由于高强再生塑料绿色、环保、低成本，这种材料的桩必将是基坑支护的发展方向，可望在基坑支护工程中形成产业化发展。 本实验旨在为高能再生塑料棒在基坑边坡支护结构中替代钢筋提供理论依据，使该技术的应用在实际工程中科学化和规范化。 二、项目创新 滨海新区土质属于淤泥质软土，基坑极易发生边坡失稳破坏，所以必须进行基坑边坡支护。目前国内常用的支护方式有钢桩支护、钻孔灌注桩支护和挡土支护等，这些支护方式需要大量的钢筋和水泥，具有高能耗的特点。同时，钢筋与水泥土强度的巨大差异也使得钢筋的强度不能充分发挥，极大的浪费了材料。这种高成本，高能耗的施工方式已经不适应现代建筑发展的理念。节能环保的国际化建筑施工趋势要求在保证工程质量即基坑边坡支护强度的前提下，尽可能降低能耗。用高强再生塑料棒代替钢筋可以在保证功能的前提下极大地发挥材料的强度，节约能耗，是建筑发展的必然趋势。而目前这方面的试验研究仅在少数发达国家刚刚起步，在国内还近乎空白。 整个试验历时近一年，从试验准备、具体操作、数据采集到最后的结果分析，我们做了大量工作。 试验中，我们分别以直径8mm钢筋和不同性能的高强再生工程塑料作为特殊配受拉筋制作27组混凝土简支梁试件与水泥土试件模拟实际工程中受力条件，利用静力加载实验得到试件受弯基本工程力学性能数值。通过4种变量、6个类型（钢筋混凝土标准件、钢筋水泥土标准件、变“配筋率”PVC混凝土、变“配筋率”PVC水泥土、变“配筋率”尼龙水泥土、变“配筋率”聚甲醛水泥土）的简支梁的受弯承载力以及各级荷载下的变形和裂缝开展情况，初步掌握了高强再生塑料的实际工程性能，为高强再生塑料替代钢筋形成塑料棒加筋混凝土桩或塑料棒加筋水泥土挡土墙，取代传统的钢筋混凝土桩或水泥搅拌桩重力式挡土墙在实际工程中的应用提供了一定的理论依据： 试验得出以下结论： （1）PVC混凝土抗弯承载力没有明显峰值，走向呈上升趋势，而PVC水泥土、尼龙水泥土、聚甲醛水泥土抗弯承载力均有明显峰值，说明PVC所代表的高强绿色工程塑料与混凝土共同作用的契合度并不理想，而PVC、尼龙、聚甲醛等高强绿色工程塑料与水泥土共同工作效果良好，同时显现适筋梁特性，合理配筋率范围0.8%-1.6%，在实际工程中可以合理应用。 （2）钢筋砼梁与钢筋水泥土梁抗弯承载力分别为16527N•m与 4927 N•m， PVC混凝土梁与PVC、尼龙、聚甲醛水泥土梁最大抗弯承载力分别为2061 N•m、3358 N•m、2435 N•m、4544 N•m。说明PVC混凝土梁中的PVC并不能替代钢筋砼梁中钢筋的性能， 而水泥土梁中工程塑料则基本可以替代钢筋发挥其抗拉性能，承受相应的弯矩。 （3）梁构件破坏时，在钢筋混凝土中配筋拉应力的发挥效率钢筋占优势，而水泥土梁中工程塑料的发挥效率明显大于钢筋，说明水泥土中钢筋不能够发挥其应有的性能而造成了钢材的极大浪费。 （4）梁破坏时，钢筋混凝土梁与钢筋水泥土梁中点挠度变形值明显小于工程塑料混凝土梁与水泥土梁，这与钢材与工程塑料弹性模量的巨大差异有关，在实际工程应用中应注意对变形的控制。 （5）市场上每吨钢材价格（5000元/吨）略低于工程塑料价格（8000-12000元/吨），但工程塑料比重仅有钢材的1/5，并且利用回收塑料成本低廉，综合比较，按等强度估算使用量，使用工程塑料替代钢筋可以降低配筋花费1/2-2/3甚至更多，可以极大地降低成本。 （6）高强回收工程塑料有环保、低耗能、可循环、低成本以及易生产、研发等优点，实际工程应用完全可以通过掺加剂改变其工程性能，使其产生一种全新的适用于岩土甚至土建工程的高强工程塑料，能更好地发挥工程塑料在水泥土中的性能，甚至有可能实现钢筋混凝土中工程塑料替代钢筋的前沿思想。 四、工程应用 （1）实际工程应用中注意对工程塑料棒的端锚固与摩擦力的增强，可以做成带肋螺纹工程塑料棒。 （2）在基坑支护结构设计中，可以使用高强回收工程塑料替代部分钢筋，达到降低成本与能耗的目的。 （3）对于刚性过大的钢筋混凝土结构，可以使用部分高强回收工程塑料，增大其变形性能。 （4）基坑支护结构中水泥土配筋可用高强回收工程塑料网完全或部分替代。
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作品专业信息
撰写目的和基本思路
- 由于城市高层建筑的大量建设和地下空间的开发利用，基坑开挖支护结构每年需要耗用大量钢材。这种临时性结构耗用大量钢材不符合绿色、环保和可持续发展的要求。本项目提出了一种新型基坑支护技术，采用具有较高强度的再生塑料替代钢筋，形成塑料棒加筋混凝土桩或塑料棒加筋水泥土挡土墙，取代传统的钢筋混凝土桩或水泥搅拌桩重力式挡土墙。该技术可最大程度的降低钢筋和水泥用量，降低工程成本，且可望形成一种产业，造福人类。
科学性、先进性及独特之处
- 目前国内常用的支护方式有钢桩支护、钻孔灌注桩支护和挡土支护等，这些支护方式需要大量的钢筋和水泥，具有高能耗的特点。同时，钢筋与水泥土强度的巨大差异也使得钢筋的强度不能充分发挥，极大的浪费了材料。用高强再生塑料棒代替钢筋可以在保证功能的前提下极大地发挥材料的强度，节约能耗，是节能环保的国际化建筑施工的必然趋势。而目前这方面的试验研究仅在少数发达国家刚刚起步，在国内还近乎空白。
应用价值和现实意义
- 以天津市的实际工程环境为例，滨海新区的建设在带动天津市乃至区域经济发展的同时，也消耗掉巨大能源。因为滨海新区甚至整个天津地区土层都为淤泥质软土，基坑的边坡支护需要投入大量能源。而本实验的研究成果就可以最大程度的节约开支、降低能耗。将基坑边坡支护工程引领到一个新的低能耗领域是基坑边坡支护工程发展的必然趋势，故就全国甚至全球的基坑边坡支护工程来讲，本课题的成果更具有跨时代的意义。
学术论文摘要
- 试验分别以直径8mm钢筋和不同性能的高强再生工程塑料作为特殊配受拉筋制作27组混凝土简支梁试件与水泥土试件模拟实际工程中受力条件，利用静力加载实验得到试件受弯基本工程力学性能数值。通过4种变量、6个类型（钢筋混凝土标准件、钢筋水泥土标准件、变配筋率的PVC混凝土、PVC水泥土、尼龙水泥土、聚甲醛水泥土）的简支梁的受弯承载力以及各级荷载下的变形和裂缝开展情况，初步掌握了高强再生塑料的实际工程性能。 PVC所代表的高强绿色工程塑料与混凝土共同作用的契合度并不理想，而PVC、尼龙、聚甲醛等与水泥土共同工作效果良好，同时显现适筋梁特性，合理配筋率范围0.8%-1.6%，在实际工程中可以合理应用。 工程塑料利用回收塑料成本低廉，按等强度估算使用量，使用工程塑料替代钢筋可以降低配筋花费1/2-2/3甚至更多，可极大地降低成本。高强回收工程塑料有环保、低耗能、可循环、低成本以及易生产、研发等优点，实际工程应用完全可以通过掺加剂改变其工程性能，使其产生一种全新的适用于岩土甚至土建工程的高强工程塑料，能更好地发挥工程塑料在水泥土中的性能，甚至有可能实现钢筋混凝土中工程塑料替代钢筋的前沿思想。
获奖情况
- 2009年，该项目成功通过审批，成为天津大学建工学院科技立项项目，并在众多项目中脱颖而出入选国家大学生创新性试验计划，获得国家经费支持。
鉴定结果
- 无
参考文献
- [1] 杨建中、熊光晶，高强玻璃纤维-碳纤维混杂复合材料加固混凝土梁的抗弯试验研究，土木工程学报2004年7月． [2] 蒋小青，高强玻璃纤维布碳纤维布混杂加固混凝土梁柱的试验研究，纤维复合材料2007年12月． [3] 金广谦、吴小军，碳/玻混杂纤维筋混凝土梁抗弯性能的试验研究，工业建筑2003年． [4] 高丹盈、朱海堂、李趁趁，纤维增强塑料筋混凝土梁受弯性能的计算方法，郑州大学学报． [5]谢莉萍、福阿德，碳纤维增强复合材料加固钢筋混凝土梁试验研究，结构工程师2002年第1期． [6]姜艳、霍尹才，碳纤维复合材料加固混凝土梁破坏类型的分析，黑龙江水专学报2008年4期． [7]王文炜，纤维复合材料加固钢筋混凝土梁抗弯性能研究，中国科学院上海冶金研究所． [8]贾宝书、邹海江，碳纤维复合材料加固钢筋混凝土梁的应用研究，山西建筑2009年．
同类课题研究水平概述
- 滨海新区土质属于淤泥质软土，基坑极易发生边坡失稳破坏，所以必须进行基坑边坡支护。目前国内常用的支护方式有钢桩支护、钻孔灌注桩支护和挡土支护等，这些支护方式需要大量的钢筋和水泥，具有高能耗的特点。同时，钢筋与水泥土强度的巨大差异也使得钢筋的强度不能充分发挥，极大的浪费了材料。这种高成本，高能耗的施工方式已经不适应现代建筑发展的理念。节能环保的国际化建筑施工趋势要求在保证工程质量即基坑边坡支护强度的前提下，尽可能降低能耗。用高强再生塑料棒代替钢筋可以在保证功能的前提下极大地发挥材料的强度，节约能耗，是建筑发展的必然趋势。而目前这方面的试验研究仅在少数发达国家刚刚起步，在国内还近乎空白。
