超低温环境下预应力混凝土材料及结构性能试验研究

The independent design of both ultra-low temperature cold storage and storage tanks for storing LNG (liquefied natural gas), liquid oxygen, liquid nitrogen and other cryogenic liquids, as well as the safe use of prestressed concrete structures in cold regions, requires mastering material properties and structure performance of prestressed concrete in a cryogenic environment. By a series of experiments at ultra-low temperatures, enhancement mechanisms for both mechanic performance and freeze-thaw damage mechanism of concrete will be analyzed to bring about optimum mix proportions of concrete.The main factors causing prestress loss and the change rule among these factors affected by ultra-low temperatures will be proposed. Thus, the formula of prestress loss can be deduced. The structural performance of prestressed concrete beams both at ultra-low temperatures and after undergoing the freeze-thaw cycle will be explored, hence a design calculation method of prestressed concrete structure at ultra-low temperatures will be presented and a damage model after suffering freeze-thaw cycle will be established. The results of the study will promote safe and wide application for prestressed concrete structures at cryogenic temperatures，and offer powerful technical support in design standards for LNG tank and other similar structures at low temperatures.

存储LNG（液化天然气）、液氧、液氮等超低温液体的储罐和超低温冷库的设计自主化，以及预应力混凝土结构在严寒地区的安全使用，要求掌握预应力混凝土在超低温环境下的材料性能和结构性能。本项目通过在超低温环境下的系列试验，研究超低温环境下混凝土力学性能增强机理和冻融损伤机理，提出混凝土最佳配合比建议；研究造成预应力损失的主要因素及超低温对其影响规律，建立预应力损失计算公式；研究预应力混凝土梁在超低温环境下的结构性能及冻融循环对其结构性能的影响，提出预应力混凝土结构在超低温环境下的设计计算方法和遭受超低温冻融循环后的受损模型。研究成果将促进预应力混凝土结构在超低温环境下的安全广泛应用，为制定LNG储罐及类似低温结构的设计标准提供有力的技术支持。

近年来，随着国家对能源需求的不断增长，引进和生产LNG（Liquefied Natural Gas，即液化天然气，是将在常压下为气态的天然气冷却至-165℃，使之凝结成液体）对优化我国的能源结构，有效解决能源供应安全、生态环境保护，实现经济和社会的可持续发展发挥重要作用。. 本次课题在成功研制超低温试验降温保温装置、试验测试仪表设备的基础上，系统的研究了超低温下混凝土力学性能变化机理、超低温下钢绞线力学性能、超低温下钢绞线与混凝土的粘结性能、超低温下混凝土的热应变与收缩徐变、超低温下钢绞线线膨胀系数与应力松弛、超低温下混凝土构件预应力损失,并且进一步开展了超低温下有粘结以及无粘结预应力混凝土梁的试验研究以及有限元分析,该课题还探究了低温及冻融循环作用下钢筋混凝土轴心受拉构件裂缝开展情况并进行了有限元分析。. 经过四年的研究，本课题为超低温环境下预应力混凝土材料及结构性能的研究积累了大量的数据，并取得了一定的成果：低温下随着含水率的提高，混凝土的抗压强度不断增加；抗冻剂掺量为2%时，可使混凝土的抗压强度得到提高；饱水状态下混凝土低温稳定阶段热应变率大于自然状态下混凝土，混凝土低温稳定阶段热应变率小于常温阶段；低温下温度对混凝土收缩的影响不明显，但混凝土的徐变随着温度降低而显著减小，且随温度降低徐变更快趋于稳定；钢绞线瞬间线膨胀和平均线膨胀系数随着初始应力的增大而增大，随着温度的降低而减小；钢绞线应力松弛随着温度的降低而减小，且其松弛速率也随着温度的降低而减小；在材性试验和构件试验的基础上，提出了低温下预应力损失的计算方法；且研究了超低温下钢绞线的力学性能，建立了低温下预测钢绞线力学性能的数值模型；随着温度的降低，钢绞线与混凝土间平均粘结强度增大；随着温度的降低，预应力混凝土梁的开裂荷载、屈服荷载以及极限荷载逐渐增大，且预应力混凝土梁的刚度有一定的提高；提出了一种能够模拟有粘结以及无粘结预应力混凝土梁低温下结构性能的有限元计算方法；低温条件下钢筋混凝土轴心受拉构件的平均裂缝间距较常温条件的平均裂缝间距有所增加。