空间徐变

空间徐变（精选7篇）

空间徐变 篇1

混凝土的徐变是指混凝土在长期应力作用下,其应变随时间持续增长的现象。混凝土的这一特性可导致其结构长期变形,引起预应力混凝土结构的预应力损失。一般情况下,混凝土结构的徐变变形比瞬时弹性变形大1～3倍,是结构设计中不可忽略的重要因素[1]。因此,近100年来,国内外学者对混凝土的徐变进行了大量研究[2,3,4,5,6,7]。但是,过去由于实验技术条件的限制,大多研究集中于混凝土在单轴受压状态下的徐变。后来,随着实验设备的改进和量测精度的提高,一些学者开展了混凝土的拉伸徐变试验研究[8,9]。近年来,在大跨度预应力混凝土结构中大量采用双向、三向预应力技术,另外,钢管混凝土结构也广泛应用于土木工程。因此,学者们逐渐开始关注混凝土在多轴应力状态下的徐变,并陆续开展了混凝土在双轴、三轴应力状态下的徐变研究[10,11,12,13,14]。混凝土在单轴应力作用下,不仅在轴向产生徐变,在横向也产生徐变,只是横向徐变小于轴向徐变。通常把横向徐变与轴向徐变之比称为徐变泊松比,其数值可通过试验得到,因此单轴应力状态下的各向徐变较容易计算。但是,混凝土在双轴、三轴应力作用下,3个方向的徐变将互相影响,很难准确计算其空间徐变。一般假定混凝土在多轴应力状态下的徐变符合叠加原理,即某方向的徐变等于各方向轴力单独作用时在该方向产生的徐变相加。但是,试验结果表明,多轴应力状态下的徐变泊松比与单轴应力状态下的徐变泊松比并不相等。在多轴应力状态下,徐变泊松比与3个方向的应力组合相关,说明在多轴应力状态下混凝土的徐变并不符合叠加原理[11,12,13]。本实验在分析单轴、双轴、三轴徐变试验结果的基础上,提出混凝土在不同应力状态下的空间徐变计算的统一表达式,极大地方便了对复杂应力状态下混凝土空间徐变的分析。

1 不同应力状态下的徐变试验

1.1 单轴应力状态下的徐变

有试验研究表明,混凝土在单轴拉、压应力状态下,单位应力作用下的轴向徐变(徐变度)基本相同,如图1所示[9]。

在单轴应力状态下的轴向徐变可按式(1)计算:

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式中:t表示龄期,τ表示加载龄期,τ0为第一次加载时的龄期,Δσ(τ)表示τ龄期施加的应力,E(τ)为τ龄期的弹性模量,εc1(t)表示t龄期的轴向总徐变,φ(t,τ)为徐变系数。

前文已定义徐变泊松比为横向徐变与轴向徐变之比,因此,在单轴应力状态下的横向徐变可由式(2)计算。

εc2=εc3=μcuεc1 (2)

式中:εc1表示轴向徐变,εc2、εc3表示与轴向垂直的2个横向徐变,μcu为单轴应力作用下的徐变泊松比。徐变泊松比的大小可根据试验得到,一般为0.17～0.20[1]。

1.2 双轴应力状态下的徐变

图2是混凝土在双轴压应力状态下的典型徐变试验结果。

由图2可以看出,在应力大小相同(σ1=σu)的情况下,双轴应力状态下的徐变比单轴应力状态下的徐变小,且在σ3方向(σ3=0)产生拉伸徐变[1]。假定徐变符合叠加原理,则混凝土在双轴应力状态下的空间徐变可按式(3)计算。

εc1=εcu1-μcuεcu2

εc2=εcu2-μcuεcu1

εc3=-μcu(εcu1+εcu2) (3)

式中:εc1、εc2、εc3表示3个方向的徐变,εcu1、εcu2分别表示在σ1、σ2单独作用下产生的轴向徐变。

1.3 三轴应力状态下的徐变

图3是混凝土在三轴压应力状态下的典型徐变试验结果。从图3可以看出,三轴应力状态下的徐变也比单轴应力状态下的徐变小[1]。

同样,假定徐变符合叠加原理,则混凝土在三轴应力状态下的空间徐变可按式(4)计算。

εc1=εcu1-μcu(εcu2+εcu3)

εc2=εcu2-μcu(εcu1+εcu3)

εc3=εcu3-μcu(εcu1+εcu2) (4)

式(4)中,εc1、εc2、εc3表示3个方向的徐变,εcu1、εcu2、εcu3分别表示在σ1、σ2、σ3单独作用下产生的轴向徐变。

2 空间徐变的统一表达式

2.1 基于有效徐变泊松比的计算方法

多轴徐变试验表明,混凝土在双轴、三轴应力状态下某方向的徐变泊松比(有效徐变泊松比)与单轴应力状态下的徐变泊松比并不相等,双轴、三轴应力状态下的有效徐变泊松比小于单轴应力状态下的徐变泊松比。因此,混凝土在多轴应力状态下的徐变并不完全符合叠加原理,由式(3)、式(4)计算的双轴、三轴应力状态下的空间徐变往往与实际情况存在较大偏差,可以做如下改进:

εc1=εcu1-μc1(εcu2+εcu3)

εc2=εcu2-μc2(εcu1+εcu3)

εc3=εcu3-μc3(εcu1+εcu2) (5)

式中:μc1、μc2、μc3分别表示示在σ1、σ2、σ3方向的有效徐变泊松比。在多轴应力状态下,有效徐变泊松比的大小与3个方向的应力组合相关,可用式(6)表示[9]:

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按式(5)、式(6)计算混凝土在多轴应力作用下的空间徐变实际上也是采用叠加原理,只是在不同应力状态下采用了不同的徐变泊松比。

2.2 基于双徐变系数的统一表达式

在直角坐标系中,任一点的空间应力可由9个应力分量表示,如式(7)所示。

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σij称为应力张量,可分解为应力球张量和应力偏张量两部分,如式(9)所示。其中,σm为3个正应力的平均应力,即σm=(σx+σy+σz)/3。

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引入克罗内克记号δij,则应力球张量表示为σmδij,若用δij表示应力偏张量,则式(8)可以简记为:

σij=σmδij+sij (9)

式(8)、式(9)中,第一部分为应力球张量,在弹性力学意义上只产生体积改变;第二部分为应力偏张量,在弹性力学意义上只产生形状改变。由此可以设想混凝土在球应力状态和偏应力状态下的徐变特征也会明显不同。假设在球应力作用下的徐变也只产生体积变形,在偏应力作用下的徐变也只产生形状改变,则混凝土的空间徐变可用式(10)表示。

εc,ij=φmσmδij+φdsij (10)

式中:εc,ij表示徐变张量,由9个徐变分量组成,φm为球应力徐变系数,φd为偏应力徐变系数。

根据弹性力学,任意应力张量都可以通过坐标变换到主应力坐标轴,则可只用3个主应力σ1、σ2、σ3表示该应力张量,且在主应力坐标系下的应力张量同样可以分解为应力球张量和应力偏张量:

σi=σm+si(i=1,2,3) (11)

因此,式(10)在主应力坐标系下可表示为:

εci=φmσm+φdsi(i=1,2,3) (12)

同样,仍假设多轴应力状态下的徐变符合叠加原理,即式(3)、式(4)成立,可由式(1)-(4)和式(12)推导得到:

φm=(1-2μcu)φ (13)

φd=(1-μcu)φ (14)

多轴应力状态下的徐变并不完全符合叠加原理,因此,式(13)、式(14)仅适用单轴应力状态。多轴应力状态下的球应力徐变系数φm和偏应力徐变系数φd与应力组合有关,应通过试验获得。

3 结语

(1) 混凝土在单轴应力状态下的空间徐变可根据徐变泊松比准确计算,在双轴、三轴应力状态下各方向徐变将相互影响,采用叠加原理按式(3)、式(4)计算的空间徐变与实际情况存在较大差异。(2) 混凝土在双轴、三轴应力状态下的有效徐变泊松比与单轴应力状态下的徐变泊松比不相等,有效徐变泊松比与3个主应力的组合有关。如果有效徐变泊松比已知,可以按式(5)计算混凝土在双轴、三轴应力状态下的空间徐变。(3) 本实验提出了基于双徐变系数的混凝土空间徐变计算统一表达式,可计算单轴、双轴及三轴等各种应力状态下的空间徐变。表达式中引入了球应力徐变系数φm和偏应力徐变系数φd,并赋予了二者不同的意义,即在球应力作用下的徐变只产生体积变形,在偏应力作用下的徐变只产生形状改变,二者的取值通过试验获得,其影响因素及变化规律还需进一步研究。

摘要：单轴、双轴和三轴徐变试验结果表明,混凝土的徐变与弹性变形一样具有空间特性,但根据单轴徐变试验得到的徐变系数、徐变泊松比以及采用叠加原理计算的双轴、三轴应力状态下的空间徐变与实际情况存在较大偏差。为了准确计算不同应力状态下混凝土的空间徐变,介绍了应力组合对有效徐变泊松比的影响和基于有效徐变泊松比的空间徐变计算方法。另外,根据应力张量的弹性力学意义,引入了球应力徐变系数φm和偏应力徐变系数φd,提出了基于这两个徐变系数的空间徐变计算统一表达式,可计算混凝土在单轴、双轴和三轴等不同应力状态下的空间徐变。

关键词：混凝土,单轴,双轴,三轴,应力状态,空间徐变

徐变计算理论综述 篇2

混凝土收缩、徐变的机理复杂, 而且其考虑的因素具有很大的不定性, 目前仍是需要解决的难题。首先是收缩、徐变的数学模型有多种, 而即使在同一模型中, 其参数的取值也可以有较大范围的波动, 这些参数一般是通过查规范图表或通过试验得出。但无论采用何种方式, 其计算的准确性与精度都不是很高。收缩、徐变的数学模型以及模型参数确定以后, 通过正确的计算方法, 可以得出其相应的影响量。但是, 由于其数学模型以及模型参数的偏差, 计算出来的收缩、徐变的影响量仍然不是准确的, 所以徐变理论研究亚待加强。徐变分析的实质是求既有初内力持续作用下变形发展及内力重分布的效应。可以肯定的是任何由叠加原理引起的偏差都不同程度的来自非线性的影响。分别阐述了各种徐变理论及其适用性与可行性。

2 徐变计算理论

2.1 老化理论 (RCM)

老化理论又称徐变率法, 在德国称为“迪辛格 (Dischinger) 法”, 它是由格兰维尔 (Glanville) 提出, 但由迪辛格第一个将它应用于比较复杂的问题。老化理论的基本假定是:不同加载龄期的混凝土徐变曲线在任意时刻徐变增长率都相同, 也就是徐变速率与加荷龄期无关。故用该理论来计算徐变只需一条徐变曲线, 因为其各加载龄期的徐变系数曲线可由加载龄期为零的徐变系数曲线沿变形轴平移而得到。换言之, 老化理论假定各龄期加荷徐变曲线相互平行, 这意味着徐变随龄期的增长很快减小, 老混凝土的徐变为零。该方法, 当混凝土应力单调减少且变化不大时, 例如对于构件预应力衰减计算, 可以获得较好的结果。同时该理论也表明, 徐变系数仅仅与计算龄期和计算时间有关, 而与加载龄期无关, 这是不符合实际情况的, 特别是对于晚龄期的情况往往低估了混凝土的徐变变形。其中老化理论有一个很重要的特点就是, 已知结构初始内力就可以求出徐变终了时的内力:反之, 已知终了时的结构内力就可以求出结构的初始内力。这种特性是徐变弹性体理论和继效流动理论所不具备的。老化理论与有效模量法相反, 当应力递增时, 低估了徐变变形。当应力递减时, 则高估了徐变变形。该理论把可复徐变缩小为零, 忽略了卸荷后的徐变恢复。一般说来, 徐变变形分为可恢复变形和不可恢复变形, 若在时间t对构件卸载, 除弹性变形立即恢复以外, 还有部分变形可缓慢地恢复, 称为徐变变形中的延迟弹性变形;而不可恢复部分变形称为流变。延迟弹性变形和流变变形都随时间而变化, 但是变化规律不同。相应于延迟弹性变形的徐变系数φd只与加载后所经历的时间有关, 而相应于流变的徐变系数符合老化理论, 与构件的理论厚度、加载龄期、混凝土成分、环境温度及湿度等有关。考虑延迟弹性影响, 则自加载龄期τ至时间t的徐变系数可表示为:

2.2 有效弹性模量法 (EMM)

EMM法是一种近似的计算方法, 即将徐变问题化为弹性问题来处理用弹性模量折减来考虑混凝土徐变的影响, 折减后的弹性模量称为有效弹性模量。即:

该方法只有在两种情况下与试验结果较为吻合:

一是应力无明显变化时;二是混凝土龄期可以忽略不计时 (对于老混凝土) 。一般说来, 该方法在应力递增时高估了变形, 在应力递减时则低估了变形, 同时低估了在常变形下的应力松弛, 也就是计算应力高于实际应力。在卸荷情况下, 变形将全部恢复, 这也是不符合实际的。因此, 该方法对于松弛、荷载剧烈变动以及徐变恢复等问题同样不太适用。

2.3 弹性老化理论 (RFM)

又称流动率法, 此方法是RCM和EMM的混合, 因而它给出的解通常位于RCM和EMM的解之间, 这一点与精确解类似。该方法将徐变函数分为三部分:弹性变形、滞后弹性变形和塑性变形 (流动变形) 。其中滞后弹性变形为可复变形, 流动变形为不可复变形。滞后弹性变形与加荷龄期无关, 且达到最终值比流动变形快, 并假定不同加荷龄期的流动变形曲线是平行的, 即流动速率与加载龄期无关。改进后的方法即为弹性老化理论, 又称扩展迪辛格法。该方法比徐变率法有了明显的改进, 能较好地描述早期混凝土在卸载状态下徐变部分可恢复的性质, 但它把不可恢复变形仅仅归结为材料的老化, 对老混凝土徐变规律的描述与实际不太吻合。扩展迪辛格法改进了对长期徐变分析的准确度, 但是低估了早期收缩地发展, 高估了加载后徐变的瞬时增量。

2.4 弹性徐变理论

又称叠加法, 该方法以叠加原理和线性徐变理论为基础。它以变形与应力之间成线性关系的假设为基础, 应力变化时的徐变总变形可按相应应力增量引起的徐变变形总和来计算, 这就是所谓的迭加原理。但在很多情况下, 由于采用迭加法得出的计算值与试验结果最接近, 故该理论在工程计算中得到了广泛的应用。

2.5 继效流动理论

假定不同加载龄期的混凝土的徐变增长规律是一样的, 这就是说当确定加载龄期τ0的混凝土徐变曲线后, 可以通过在坐标轴上水平平移获得不同加载龄期τ的混凝土徐变曲线。任意加载龄期τ的混凝土在t时的徐变系数计算公式为:。式中为徐变基本曲线上, 加载龄期为 () 时的徐变系数。该方法把徐变分为可复徐变和不可复流动变形两部分, 但不再假定流动速率与加载龄期无关, 因此比弹性老化理论又进了一步。该方法适用于应力部分减少和交替加卸荷的情况。同适用与混凝土初期加载情况的老化理论而言, 继效流动理论则比较符合后期加载情况的徐变计算。

2.6 整的有效模量法 (AEMM)

该方法先由Trost提出, 后由Bazant发展, 因此又称为TB法。这一方法引进了松弛系数的概念, 将过去的徐变积分方程变为代数方程, 不仅简化了计算, 而且摒弃了一些不合理的假定, 提高了计算精度。有效模量法忽略了材料的老化, 因此往往高估了第一次加荷后的应力增量所引起的徐变, 故该方法不适用于变应力情况。龄期调整有效模量法就是用老化系数来考虑混凝土老化对最终徐变值的影响。该法可直接查图表进行计算, 使用方便。

3 结论

对于上述六种理论, 可以根据实际工程的需要进行选择。通过与大量的实际试验数据进行比较, 有效模量法、徐变率法和迭加法在徐变计算中有以下特征:当应力递减时, 有效模量法低估了徐变, 徐变率法高估了徐变, 而迭加法的计算值略低于实际值但基本接近;而在应力递增时, 有效模量法高估了徐变, 徐变率法低估了徐变, 而迭加法的计算值略高于实际值。因此, 迭加法有很好的计算精度。因此, 在实际中应用哪种理论应根据实际情况选用。

参考文献

[1]段明德“.公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范”徐变系数的计算和应用[J].中国公路学报, 1998, 10 (11) :4.

[2]A.M.Neville, W.H.Dilger, J.J.Brooks.Creep of plain and structure concrete[J].Construction Press, Londer and NewYork, 1983.

[3]诸林译.混凝土徐变的几种线性近似计算方法的比较[J].国外桥梁, 1984, 4:1-15

混凝土收缩徐变机理综述 篇3

1 混凝土收缩徐变机理分析

收缩徐变是混凝土粘弹性的基本特征之一。收缩徐变对桥梁结构不仅影响大、持续时间长, 而且变化复杂不易把握。收缩是指由于混凝土中所含水分的变化、化学反应及温度降低等因素引起的体积缩小, 与混凝土的荷载历史无关, 通过改变混凝土中的应力条件是无法消除收缩的。

徐变是指在固定应力或荷载作用下, 应变随时间的增长而不断发展的一种现象。它的发展规律与加载历史紧密相关, 混凝土的收缩常常要持续很长时间, 甚至二十多年以后还在继续收缩。一种被普遍接受的意见是混凝土的收缩、徐变特性是由一些共同的基本因素所决定的。事实上, 徐变是在应力作用之下产生的。而收缩的产生与应力无关。收缩、徐变虽各有自身的特点, 但它们都可以与混凝土内的水化水泥浆的特性联系起来。由化学成分截然不同的水泥所制造的混凝土的收缩、徐变性能并没有本质上的差异。这说明收缩徐变的机理主要应该在混凝土水化水泥浆的物理结构中, 而不是在化学成分中找。

2 混凝土的收缩机理综述

关于混凝土收缩的机理, 较多文献都只是讨论干燥收缩的机理, 在周履、陈永春的《收缩徐变》中把混凝土的收缩归结为:自发收缩、干燥收缩和碳化收缩。而更多的文献只提及干燥收缩, 如日本的《混凝土结构设计规范》仅计入了干燥收缩。混凝土的收缩大致可分为以下几种原因或机理:

1) 自发收缩。自发收缩是在没有水分转移下的收缩, 因此这是一种由水泥的水化反应所产生的固有收缩, 其值约从一个月后的40×10-6到五年后的100×10-6, 与干燥收缩比较是微不足道的。从实用的目的来说, 没有必要把它从干燥收缩中区分开来, 一般都并到干燥收缩中计算。2) 塑性收缩。混凝土拌制后一段时间内, 水泥的水化反应激烈, 分子链逐渐形成, 出现泌水和体积缩小的现象, 这种体积缩小称为凝缩变形。由于此时混凝土仍处于塑性状态, 故也称塑性收缩。3) 干燥收缩。干燥收缩的原因是混凝土内部水分的消失。但是, 开始干燥时所损失的自由水并不引起混凝土的收缩, 干燥产生的混凝土收缩不是单一机理可以解释清楚的, 普遍认为干燥收缩的原因是混凝土内部吸附水的消失而产生的收缩。4) 碳化收缩。一般认为碳化收缩是指混凝土中的水泥水化物与空气中的二氧化碳发生化学反应而产生的。因此, 大多数干燥收缩的试验数据中包括了碳化收缩, 而没有将这两种性质十分不同的收缩区分开来。水泥水化物中的Ca (OH) 2碳化成为CaCO3, 而水化物的其他成分也都发生分解而生成水化硅、铝和氧化铁等, 而收缩的原因在于Ca (OH) 2结晶体的溶解和CaCO3的沉积。胶凝体的分解并不导致收缩, 碳化速度取决于混凝土的含水量、环境相对湿度和构件尺寸, 当空气中相对湿度为100%或者减小至25%时, 碳化收缩即将停止。

混凝土的收缩发展速度是先快后慢的过程, 其最终收缩应变值的确定根据具体条件的差别有较大的差异, 一般为300×10-6～1 000×10-6。根据泵送商品混凝土的收缩试验, 其收缩值约在600×10-6～800×10-6, 有的试验还远远超过了这个值。文献[2]中指出:ACI209 (1982年) 将标准状态的收缩终值取为780×10-6。

3 混凝土的徐变机理综述

美国混凝土学会第209委员会 (ACI209) 1972年的报告将徐变的主要机理分为:1) 在应力作用下、在吸附水层的润滑作用下, 水泥胶凝体的滑动或剪切所产生的水泥石的粘稠变形。2) 在应力作用下, 由于吸附水的渗流或层间水转移而导致的紧缩。3) 由于水泥胶凝体对骨架 (由骨料和胶体结晶组成) 弹性变形的约束作用所引起的滞后弹性变形。4) 由于局部破裂 (在应力作用下发生微裂及结晶破坏) 以及重新结晶与新的连接而产生的永久变形。

但是Neville教授在他1983年出版的著作中指出, 已有的理论对徐变机理都不能得出明确肯定的结论。一种普遍的观点认为:收缩、徐变的基本原因是相同的。某些可蒸发的水分的存在对徐变才是主要的。但是即使在这方面也存在着分歧, 即可蒸发水分的运动是否是徐变的实际原因, 也仅仅是在促使胶凝体的运动方面起一种次要的作用, 目前尚缺少具有基本原理水平的试验证明来协调各种理论。

1) 粘弹性理论。粘弹性理论是把水泥浆体看成弹性的水泥凝胶骨架, 其空隙中充满着粘弹性液体构成的复合体。水泥浆在加载的起初, 一部分被固体空隙中的水所承受, 这样推迟了固体的瞬时弹性变形。当水从压力高处向低处流动时, 固体承受的荷载就逐渐加大, 增大了弹性变形。荷载卸除后, 水就流向相反方向, 引起徐变恢复。与这过程有关的水仅是毛细管空隙和凝胶空隙中的水, 而不是凝胶微粒表面的吸附水。粘弹性理论解释了混凝土的徐变恢复现象。

2) 粘性流动理论。粘性流动理论由托马斯 (F.G.Thomas) 于1937年首先提出。他认为, 混凝土可分为两部分, 一部分是在荷载作用下产生粘性流动的水泥浆体 (水泥石) ;另一部分是在荷载作用下不产生粘性流动的惰性骨料。当混凝土受荷时, 水泥浆体的流动受到骨料的阻碍, 结果使骨料承受较高的应力, 而水泥浆体承受的应力随时间而减小。由于水泥浆体的徐变与加荷应力成正比, 因此, 随着加荷应力逐渐从水泥浆体转移到骨科来承受, 从而徐变速率将逐渐减小。

前苏联学者谢依金认为:由结晶的连生接触点连接起来的结晶水化物, 组成了结晶连生体, 它是完全弹性的, 并具有很高的塑性抗剪强度。

3) 塑性流动理论。塑性流动理论认为, 混凝土徐变类似于金属材料晶格滑动的塑性变形。当加荷应力超过金属材料的屈服点后, 塑性变形就会发生。福格脱 (F.Vogt) 观测到混凝土变形在某些方面类似于铸铁和其他易碎金属。金属材料塑性变形是晶格沿最大剪切面移动的结果, 是没有体积变形的;而混凝土的抗剪切能力比拉伸能力强。因此, 混凝土因剪切发生前的拉伸而破坏。混凝土徐变导致体积的减小, 这与金属的塑性变形是不同的。实用的晶格滑动理论是山格朗维尔 (W.H.Glanville) 等人于1939年建立的。他们认为, 在低应力作用下混凝土徐变是粘性流动, 而在高应力作用下, 混凝土徐变则是塑性流动 (晶格滑动) 。但是混凝土材料在高应力下的塑性并不是真的塑性。由混凝土应力—应变关系的非线性所表现的塑性实际上是由其组成材料界面上粘结微裂缝扩展而引起的。

4) 内力平衡理论。内力平衡理论认为, 水泥浆体的徐变是由于荷载破坏了开始存在于水泥浆体中的内力平衡状态, 并达到新的平衡状态的过程。这时, 内力包括凝胶微粒产生收缩的表面张力, 凝胶微粒之间的力, 还有吸附水在胶粒切点分离作用的压力, 以及静水压力等, 其中吸附水的分离压力的作用最重要。根据这个理论, 内力平衡将由于荷载、温度、湿度变化的任一原因而破坏, 从而产生干燥收缩和徐变, 两者原因不同现象却相同。

4 结语

本文总结了国内外学者和科研机构对混凝土收缩和徐变机理的研究和阐述, 并进行了分析和讨论, 由上述讨论可以得到以下结论:1) 混凝土的收缩包括塑性收缩、干燥收缩、碳化收缩和自发收缩, 结构的收缩计算主要是针对干燥收缩。2) 混凝土的徐变分为基本徐变和干燥徐变。基本徐变与混凝土的水分转移无关, 干燥徐变则与水分转移及试件的干燥有关。3) 混凝土收缩徐变预测模型的建立, 必须依赖于对其物理化学机理的理解和对其影响因素的把握。影响混凝土收缩的因素涉及到材料和环境两个方面;对徐变, 则还要考虑荷载方面的影响。混凝土的收缩徐变数学计算模型必须考虑和反映这些因素的影响规律。

摘要：总结了国内外学者和科研机构对混凝土收缩和徐变机理的研究和阐释, 并进行了归纳、分析和讨论, 结果表明混凝土收缩中的大部分是由于干燥收缩引起的, 而关于混凝土的徐变, 没有一种理论能完美的解释徐变的所有现象, 若将几种理论综合来考虑, 则能得到比较满意的结果。

浅析桥梁施工控制及收缩徐变关系 篇4

19世纪以前, 桥梁支架技术被广泛的应用于桥梁建设之中, 然随着科技的不断进步与发展, 这种无应力施工技术很难再适应社会发展的需要。在规划设计中, 桥梁跨度的大幅度增加, 江河桥梁与深沟桥梁施工技术也在不断的提高, 为避免在施工建设中, 因受温度变化等外在因素的影响, 1950年德国工程师在施工建设中, 在桥梁施工技术中采用了新的技术, 这样做的主要目的就是防止桥梁因外界因素的变化而导致的沉陷, 断裂等, 并率先采用了挂篮悬臂浇筑混凝土等技术。在施工过程中利用己建成的桥墩沿桥跨径方向逐段地悬出接长对称施工。这就是后来的钢构桥梁上的挂篮施工方法。这种施工技术方法以其独特的理念被广泛的使用。随着我国交通运输业的大力发展, 对于桥梁施工设计也有了一定的了解与认识, 大跨径混凝土桥梁充分利用自身优势使此桥型更广泛的得以利用。这种施工技术方法不仅仅不会影响道路交通的正常运行而且大大节约了成本。

连续钢构桥梁虽然有其自身的优势, 跨度大, 造价低等特点。但也存在一些弊端, 因材料本身材质不稳定, 进而很容易受到外界因素的影响而影响桥梁质量发生徐变, 沉降等现象。在施工方法上也存在一定的局限性, 因采用的是自架的方法进行的施工, 因此施工是阶梯式的施工, 一层一层的施工。最后再将它们整合到一起, 这样就很容易因每段施工混凝土的相互影响而导致差异现象的出现。这就很容易造成因各个阶段内力位置发生的变化而使拼接过程中数值产生偏离。

为了保证施工过程中出现质量问题必须严格控制其桥梁建设施工的质量控制, 严把质量关。在施工过程的每一个阶段都必须要对其进行系统的估算。针对结构特性、施工检测手段的不同了解各个施工阶段的施工进度与施工实际情况。在施工检查控制过程中如果发现任何的质量问题或者是检测出来的数值与实际不相符的情况下, 必须对其及时的处理。不能将其拖延, 这样不仅仅会造成严重的经济损失, 更会造成严重的人身财产安全。故此, 在施工建设桥梁过程中, 我们必须对桥梁质量进行有效合理的控制, 确保其施工的建设安全。

收缩徐变在整个施工过程中都起到了关键性的作用, 它也是混凝土基本性质之一。相对比而言, 我国对收缩徐变的技术研究比较晚, 实际应用也比较晚。随着社会的不断进步与发展, 桥梁施工技术人员对收缩徐变有了进一步的理解与认识。将新的技术理论与实际经验不断的应用于桥梁收缩徐变过程中, 从而对我国桥梁施工建设有着深刻性的影响意义。为推动我国桥梁建设事业做出了巨大的贡献。从安全性考虑, 很多施工建设人员都采用了这种施工技术, 材料也很容易产生徐变, 因其自身条件限制, 它很容易受到外界因素的影响, 有的甚至由于施工时间延长, 材料在使用初期与施工阶段所受压力也是有所不同的。为了严格按照国家规范标准要求进行施工, 在使用的过程中, 我们必须充分考虑混凝土的特性, 材料发生徐变的外部条件以及施工现场的周边环境状况, 这些都将是影响施工质量的重要因素。要想从根本上杜绝桥梁施工质量问题就必须从根本上进行监督检测。

2 桥梁施工控制

桥梁施工控制顾名思义就是对桥梁施工的质量控制, 这里主要是指桥梁主体结构内力与结构变形的控制, 这两方面作为桥梁建筑施工的主体在桥梁建筑中起到了关键性的作用, 故此在建筑施工中我们要严格的控制的这两方面的建筑施工质量, 在条件允许的范围内进行适当的改变, 下面就重点进行一下论述:

2.1 几何 (变形) 控制

几何变形是指桥梁结构在施工过程中产生的桥梁几何形状的变化, 桥梁结构在施工过程中的实际由于受到不同的外力和自身状态的影响, 桥梁中心会偏置原来位置具有一定的挠度, 这将使桥梁整个结构在受力状态转换会遇到不同程度的困难, 也就是施工实施合拢具有偏差, 这就会导致曲线的连续性与桥梁结构设计状态不一致, 所以必须对桥梁结构实施必要的实时控制, 使其结构在施工中的实际位置状态与预期状态之间的误差在容许范围之内和成桥线形状态符合设计要求。

2.2 应力控制

在桥梁施工建设中, 要想做到对桥梁施工的全面控制以及掌握桥梁施工的受力情况等就要清楚的了解到桥梁在设计的过程中是否与实际情况完全相符。在桥梁施工过程中必须采取相应的措施来进行监督检查, 这样做的主要目的就是为了更好的了解桥梁应力的情况。及时发现施工过程中应力状态与实际不相符时要查明其原因, 以满足桥梁建设符合设计规范要求。应力控制分为两种, 其中相比较而言, 结构应力控制要比变形应力控制难的多, 也不容易被发现。为了避免桥梁应力控制不力对桥梁自身产生的危害, 从而导致对整个桥梁结构的破坏, 为此在施工过程中必须加强对其检查监督, 做好施工过程中的监控工作。

2.3 稳定控制

在桥梁施工建设中不仅仅要严格控制应力和徐变问题, 同时还要注意各个阶段的施工稳定性, 因稳定性的好坏直接关系到桥梁结构建设的安全。稳定性强调的不仅仅是局部的稳定, 更是整体桥梁施工建设的稳定过程。桥梁设计人员在进行施工建设的过程中, 待施工完成以后必须对其进行稳定性的测试估算, 稍有偏差就要及时上报进行总结分析, 快速的进行解决, 避免造成更大的损失。

3 收缩与徐变

3.1 影响收缩、徐变的因素

混凝土材料的收缩与外界受力无关, 徐变是在外力和自重的影响下逐渐产生的一种现象。徐变、收缩虽各有自身的特点, 但它们都可以与混凝土内水化水泥浆的特性联系起来。化学成分的不同, 其它条件相同下, 材料所反应的徐变、收缩性能在本质上没有实质性的差异, 这也说明了材料的徐变、收缩的机理在于混凝土水化水泥浆的物理结构, 而不在于水泥的化学性质。

3.2 影响混凝土收缩与徐变的因素

桥梁结构是否施加荷载对桥梁的收缩没有关系, 但是对于桥梁结构的徐变会产生很大的影响。在混凝土材料徐变试验中如果对混凝土构件压应力, 其值一般取低于混凝土强度5%左右的单轴向压应力。国内研究人员通过大量的试验与详尽的研究, 得出结论若施加小于混凝土强度50%的压应力时, 构件材料的施加压应力和构件材料的应变具有线性关系。若施加超过混凝土强度50%的压应力时则构件材料施加应力与徐变应变存在非线性关系。当应力小于混凝土强度的50%时, 拉力徐变与所施应力呈线性关系, 拉力徐变初始速度较大但降速快, 最终徐变可能小于压力徐变。

预应力混凝土桥梁结构收缩徐变影响最大的地方是桥梁结构的跨中位置, 主要原因其一是悬臂根部的位移本身很小;其二是在中跨悬臂端混凝土加载龄期短, 收缩徐变对中跨预应力损失影响比较大。

4 结束语

本文叙述了施工控制的类别及其施工控制的重要性, 在施工控制中, 收缩徐变影响是一个不确定因素, 阐述了收缩徐变形成的原因及机理, 论述了影响混凝土收缩徐变因素, 对今后施工设计提供参考。

参考文献

[1]向天宇.预应力高强混凝土箱型连续梁结构行为的非线性分析[D].成都:西南交通大学, 2002.

徐变系数对挠度的影响分析研究 篇5

徐变是指荷载在维持不变的情况下,混凝土的变形随时间增加而徐徐增加的现象。它具有下列特性:1)徐变在初期发展特别快,而后发展逐渐减慢,延续时间可达数年。一般在加载的第一个月内完成全部徐变量的40%,3个月完成60%,1年～1.5年约完成80%,在3年～5年内基本完成。2)在卸载时,一部分变形立即恢复,另一部分变形在相当长时间内逐渐恢复,而更大部分的残余变形永不恢复。3)徐变量与加载的应力大小有关,应力越大,徐变量越大。当应力小于棱柱体强度的50%～60%时,应力与徐变量成近似线性的关系。4)徐变量与加载时混凝土的龄期有关,龄期越短,徐变量越大。5)徐变量与水灰比、水泥用量有关,水灰比大,徐变量大;水泥用量大,徐变量大。6)徐变量与混凝土所用的骨料有关,骨料弹性模量高,徐变量小。7)徐变量与施工条件有关,振捣密实的混凝土和养护好的混凝土徐变量小。8)徐变发生在结构施加预应力之后,故对预应力混凝土结构产生很大的影响,会引起预应力损失[1,2,3,4,5,6,7,8]。

JTG D62-2004公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范(以下简称新《桥规》)中,混凝土徐变系数采用1990年CEB-FIP模式规范提供的公式计算(见新《桥规》)。从混凝土徐变系数的计算公式可以看出,影响徐变系数的因素主要有加荷应力、加荷龄期、持荷时间、环境湿度、环境温度和构件尺寸等因素。

2 计算模型的建立与结果分析

利用Midas建立梁单元模型,如图1所示。改变模型徐变系数的不同取值来分析施工阶段梁的挠度对徐变系数的敏感程度。由于改变徐变的途径很多,现只通过改变年平均相对湿度来改变徐变系数从而反应徐变系数对最后一个施工阶段挠度的影响规律。加载龄期为10 d,不同年平均相对湿度条件下徐变系数如图2所示。

根据图2得出最后一个施工阶段挠度与年平均相对湿度的线性关系如图3所示,回归计算得:

Y=-0.036 6x+8.857 3。

其中,Y为挠度值;x为年相对湿度。

回归相关系数R2=0.989 6。

因此,我们可以看到,混凝土在较干燥空气中的徐变一般比在较潮湿空气中的大。对于其他因素的影响程度就不一一详细介绍了。

总的规律如下:

1)混凝土构件厚度对徐变量大小及过程有很大影响,厚构件比薄构件有较小的极限徐变量。

2)混凝土加载龄期越大,徐变变形越小。

3)水泥与水含量增加会导致徐变量增大,周围空气温度对混凝土徐变也有一定影响,温度较低(+5 ℃～-15 ℃)时,混凝土徐变已基本停止。但新《桥规》的计算公式未反映水泥和水含量及空气温度对混凝土徐变的影响。

摘要：根据《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》,利用Midas建立梁单元模型,分别取不同的混凝土徐变系数,计算了在施工过程中连续梁由混凝土徐变产生的挠度,并分析了连续梁在施工过程中徐变系数对挠度的影响。

关键词：桥梁,梁单元,徐变系数,挠度

参考文献

[1]惠荣炎,黄国兴,易冰若.混凝土的徐变[M].北京:中国铁道出版社,1988:1-208.

[2]周履,陈永春.收缩徐变[M].北京:中国铁道出版社,1994:7-60.

[3]傅作新.工程徐变力学[M].北京:水利电力出版社,1985:1-14.

[4]杜国华,毛昌时,司徒妙龄.桥梁结构分析[M].上海:同济大学出版社,1994:137-175.

[5]唐崇钊.混凝土的徐变力学与试验技术[M].北京:水利电力出版社,1982:1-55.

[6]Neville A.M.Creep of plain and structural concrete[M].Lon-don and New York:Construction Press,1983:1-39.

[7]Lain F.,William R.H..Creep of engineering materials[M].New York:McGraw-Hill Book Company,1959:10-23.

高原地区混凝土徐变性能控制研究 篇6

随着西部大开发战略的实施以及开发进程的加快,青藏铁路的建设带动了新一轮高原地区连续刚构桥的建造热潮,许多重大工程已在我国西部如火如荼地开展。

大跨径连续刚构桥以其跨越能力强、 施工便捷、 桥面连续且行车舒适等优点而得到愈加重视。 然而,大跨径连续刚构桥容易出现的最大问题则是随着运营时间的增加,其跨中挠度明显,我国虎门大桥辅桥建成6年后跨中挠度达22.2cm,黄石长江大桥建成七年后最大跨中挠度达到30.5cm,严重影响结构的安全性及耐久性, 大大降低其使用寿命。 从目前的研究来看,混凝土的收缩徐变是造成大跨径连续刚构桥跨中挠度不断增加的主要原因之一, 国内外学者也对此作了大量的研究[1,2]。 影响混凝土收缩徐变的因素众多且繁杂,主要有水灰比、骨料类型、环境温湿度、构件厚度、张拉龄期、持续加载时间等[3,4]。

高原地区气候环境恶劣, 具有昼夜温差大、日照时间长、太阳辐射强烈、干旱少雨等特点,这些因素都会加剧混凝土的收缩徐变,从而影响结构的整体性能。 因此,本文将基于高原地区的环境特征,研究环境对于混凝土徐变的影响,同时提出混凝土徐变的控制措施。

1原材料及试验方法

1.1原材料

采用青海某公司生产的P·Ⅱ52.5级水泥,密度为3100kg/m3;粗骨料为5~20mm连续级配 ,表观密度2.69g/cm3,含泥量0.4%,吸水率0.42%;细骨料为中砂,细度模数2.86,表观密度2.650g/cm3, 含泥量1.2%;减水剂为西宁某公司生产的HA-HPC聚羧酸高性能减水剂,掺量1.5%时,减水率为31.5%。

C50混凝土配合比见表1。

1.2试验方法

本试验采用的弹簧式徐变装置中选择了弹性限度为300k N、弹性系数为3k N/mm的弹簧组,混凝土试件尺寸为100mm×100mm×300mm,每台装置加载两个 试件 , 加载值为 棱柱体28d抗压强度 的40%。 主要通过徐变度评价混凝土徐变性能。

2环境温湿度对混凝土徐变的影响

高原地区由于其海拔原因,昼夜温差大、阴阳面温差大、气候干燥,这些因素会对桥梁混凝土的徐变带来影响。 高原高海拔地区阴阳面的温差往往能达到5~10℃左右,温度的不同会带来混凝土徐变的差异,从而影响到结构的整体性能;而气候干燥时混凝土的收缩徐变也会明显提高。 因此,有必要研究环境温湿度对于混凝土徐变的影响规律,从而提出相应的改善措施。

2.1温度对混凝土徐变的影响

图1是不同温度下龄期对混凝土徐变的影响。 从图中可以看到,随着养护温度的升高,混凝土徐变度明显增大。 可见温度对于混凝土的徐变有着明显影响。 这是由于温度升高时,混凝土失水的速率加快,干燥收缩加快,而徐变中往往包括了干燥所引起的干燥徐变,因此,徐变也随着温度的升高而增大;而徐变与水泥浆中水的运动有关,温度的升高降低了水泥浆的黏滞性, 也加剧了混凝土的徐变。 由此可见,由于阴阳面较大的温差会导致桥梁混凝土阴阳面混凝土的徐变存在较大的差别,从而影响到桥梁结构整体性能。

2.2湿度对混凝土徐变的影响

图2是不同湿度下龄期对混凝土徐变度的影响。 由于高原地区湿度较小,通常都在40%左右,而GB∕T 50082—2009 《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》中规定的徐变试验标准环境养护湿度为(60±5)%,因此,所取湿度为40%、60%。 从图中可以看到, 当养护湿度由60%减小到40%时, 混凝土的徐变度提高了20%左右。 湿度越大混凝土的徐变越小,有研究表明,处于干燥中的混凝土发生的徐变比处于恒定干燥或者湿润状态下的混凝土的徐变量要大,相对湿度50%时的徐变能达到相对湿度100%时的2~3倍。 这是由于湿度愈大,吸附水的蒸发量愈小,水泥的水化程度愈高,水泥凝胶体的密度愈高,混凝土结构也更加密实,因而其收缩和徐变也愈小。

2.3小结

高原环境下阴阳面温差较大,导致混凝土阴阳面的收缩徐变会有明显差异,带来结构应力的复杂性,而高原环境的低湿度更会导致混凝土后期徐变的明显提升,带来桥梁(尤其是大跨径连续刚构桥) 的长期下挠。 因此,有必要采取一定的措施,抑制混凝土的徐变,保证混凝土结构的质量。

3高原环境下混凝土徐变的控制

高原地区的低湿度带来混凝土收缩徐变的提高,而混凝土结构所处的环境是无法改变的,因此, 必须从两方面着手进行控制,第一,从混凝土本身质量提升着手,如配合比优化,原材料质量控制等; 第二,从施工角度进行控制。 本文将从混凝土的早期养护、加载龄期以及配合比设计的角度进行研究分析,从而提出合适的控制措施。

结合桥梁上部结构施工的实际情况,将混凝土试件置于高原环境中,采用表2所示的养护措施进行试验。

3.1加载龄期对混凝土徐变的影响

不同养护条件(高原环境自然养护、标准养护) 下,混凝土试件3d、7d龄期时进行加载的徐变性能规律见图3。

从图3可以看到,3d、7d加载对混凝土的徐变度有明显影响, 以标准养护组来看,7d后即对混凝土试件加载,320d徐变度则为46.85×10-6MPa-1, 而3d后即对混 凝土试件 加载320d的徐变度 达到53.26×10-6MPa-1,提高了13.7%。 而比较早期无养护以及早期标准养护组混凝土的徐变度发展规律来看,相同加载龄期时,无养护条件相比标准养护条件下,徐变度提高了20%左右。 分析原因,3d龄期时进行加载,混凝土的强度较低,抵抗变形的能力较低,因此,徐变较大;而高原地区气候恶劣,气温低、 温差大,环境湿度低,因此,相比标准养护环境下的混凝土早期强度大大降低, 微观结构变得疏松,弹性模量较低,因此,徐变大大提高。

3.2早期养护方式对混凝土徐变的影响

采用表2中的方案4~8进行混凝土的徐变试验,变化规律见图4。

从图4可以看到,相比不采取养护措施,采取一定的早期养护后,混凝土的徐变度明显减小。 从养护效果来看,仅采取暖棚加热法进行养护时效果相对较差, 而配合以洒水措施后养护效果明显改善,混凝土徐变显著降低;而早期采取适当的包裹措施,同时保持洒水、保证湿度时,混凝土的徐变也能得到有效的控制。 混凝土表面涂刷专用养护剂, 对于混凝土内部水分的保持具有良好的效果,混凝土的徐变度大大降低,相比不采取养护措施时减小了24.5%。 由此可见,对于高原地区的混凝土,保证早期养护湿度,例如定期洒水、涂刷专用养护剂等, 能够有效减小混凝土的徐变, 提升混凝土的质量。 同时,早期养护湿度保持时间越久,对于混凝土内部结构的形成越有利,对于控制混凝土的徐变效果越好。

4配合比参数对混凝土徐变的影响

水胶比、粉煤灰、砂率对混凝土徐变度的影响见图5~图7。

由图5可见,混凝土水胶比越大,徐变度越大, 水灰比为0.31时320d徐变度相比0.35时减小了约20%。

图6为水胶比0.35, 粉煤灰掺 量分别为0、 15%、30%时混凝土徐变度的变化规律 。 由图6可知,当粉煤灰掺量为15%、30%时,相比不掺时徐变度明显减少,粉煤灰对于徐变的抑制效果较好。 不过有研究表明[5],粉煤灰掺量达到60%时 ,混凝土的徐变反而大大提高,这和粉煤灰与基体界面结合的情况有着直接的关系,因而粉煤灰掺量不宜过大。

图7为水胶比0.35, 砂率36%、39%、42%时混凝土徐变度的发展规律。 由图7可见,砂率对混凝土的徐变度有着一定的影响,但是相对水胶比以及粉煤灰来说影响程度较小。 一般而言,砂率越小,混凝土中粗骨料的比例相对越大,而粗骨料作为混凝土的骨架,其含量越大,对混凝土收缩徐变的抑制作用也越大,混凝土徐变越小。

从各配合比参数对混凝土徐变的影响来看,水胶比的变化对混凝土的徐变影响最大,而粉煤灰在一定的掺量下也能明显抑制混凝土的徐变。 因此, 在高原地区桥梁混凝土配制时,需从水胶比、粉煤灰掺量以及砂率的角度综合考虑, 降低水胶比、掺入适量粉煤灰、适当减小砂率,控制混凝土徐变,保证桥梁混凝土质量。

5结语

(1)对混凝土过早加载容易导致混凝土的徐变明显增加,因而对于预应力混凝土宜适当延长其张拉时间。

(2 ) 早期养护对混凝土的徐变有很大影响 , 尤其是在高原地区环境湿度较低的情况下, 因而保证早期养护的湿度对混凝土徐变的控制有着良好的效果。

(3 ) 从配合比设计的角度来看 , 降低混凝土水胶比效果最好,同时,可以掺入适量粉煤灰、适当减小砂率, 都能够有效地控制徐变, 保证混凝土的质量。

摘要：混凝土的徐变容易导致大跨径连续刚构桥的长期变形,而高原地区较低的湿度会加剧混凝土的徐变,影响混凝土结构的性能。本文结合高原地区的环境特点,考察大气温湿度对于混凝土徐变的影响规律,从混凝土配合比参数、加载龄期以及早期养护方式的选择等角度进行了研究分析。结果表明,减小水胶比、掺入粉煤灰、减小砂率、延长加载龄期、保证早期养护湿度能够有效控制混凝土的徐变,提升混凝土结构的质量。

空间徐变 篇7

流态混凝土通过保湿养护后成形混凝土,在空气中逐渐硬化,由于所含水分变化、化学反应及温度降低等因素引起体积缩小,即混凝土的收缩。混凝土收缩容易引起开裂,当水分通过裂缝浸入混凝土中,易引起钢筋锈蚀和可溶性侵蚀以及加速冻融破坏,甚至危及建筑物的安全,引起一系列危害。混凝土在应力作用下会产生变形,除了即时的起始应变外,还在应力持续作用下不断增加应变,后者称为徐变。徐变随时间而增大,但增长率减小,2～3年后变化已不大,最终收敛值称为极限徐变。一般徐变变形可达瞬时弹性变形的1～6倍,因此在结构设计中徐变是一个不可忽略的重要因素。徐变对结构的影响有有利方面,也有不利方面。

混凝土的徐变和收缩对结构的变形、结构的内力分布和结构内截面的应力分布都会产生很大的影响。结构在受压区的徐变和收缩会增大挠度;徐变会增大偏压柱的弯曲从而增大初始偏心,降低柱的承载力;预应力混凝土构件中,徐变和收缩将导致预应力损失;对组合截面徐变会使截面应力重分布;对于超静定结构,徐变将导致内力重分布,即引起结构的次内力,收缩则使较厚构件或截面突变处混凝土开裂,对结构内力的影响相当于降温作用。

本文即以成都东客站站台层结构设计为例,将设计过程中对这种大型混凝土结构的收缩徐变问题的认识和控制措施进行论述。

1成都东客站站台层结构简述

根据各部分使用功能和结构形式,成都东客站分为主站房、东西端站房、高架平台、无柱雨棚,各区域利用防震缝完全脱开。主站房的站台层利用双柱的设置将其分为四部分,并与东、西端站房断开(如图1所示)。

这种站台层结构为国内首次采用的“框架+桥梁”结构体系,即采用钢筋混凝土框架结构支承上部承轨梁体系和站台板体系,横向框架梁为其主受力体系。上部的承轨梁体系通过盆式橡胶支座作用在横向框架梁上,而站台板体系通过纵向框架梁作用在横向框架梁上。整个结构垂直股道方向长368 m,跨度10.75 m(部分21.5 m),沿股道方向长108 m(66 m),跨度21、21、24、21、21 m。采用MIDAS GEN有限元软件进行建模计算,建立了站台层结构及以下部分的空间模型,将上部结构(屋盖、站厅层、承轨梁体系和站台板体系)作用力和地下室侧壁所受的水土压力及地面超载,加至站台层结构模型中进行计算分析。其中P-K轴空间模型如图2所示。

2站台层结构收缩徐变问题及其控制措施

2.1 问题产生的原因

2.1.1 收 缩

在对成都东客站站台层结构进行计算时发现,收缩引起的问题比较严重。当混凝土处于自由状态,其收缩不会导致什么不良后果,但实际上混凝土结构由于受基础、钢筋或相邻部分的牵制而处于不同程度的约束状态,混凝土收缩因受到约束将引起拉应力,而混凝土的抗拉强度较低,故容易引起开裂。而成都东客站站台层结构为超静定混凝土结构,其受到的强约束导致收缩引起的内力更大。另外,虽然成都东客站站台层结构以横向框架梁为主受力体系,但结合承轨梁传力方式和传力点的变化考虑,加强了横向框架梁的纵向连接,首先增大了纵向框架梁断面;其次在承轨梁下部增设了200 mm厚的楼板,这样一来,由于纵向约束的加强,使得纵向边界处(即挡墙部分)的混凝土收缩而产生了很大的拉应力;另一方面,由于站台层结构位于地下一层,地下室挡墙本身还要承受水压力、土压力及地面超载的作用。因此,地下室挡墙内的柱底弯矩显著增加,使原柱断面难以承受这些负荷;且地下室挡墙内有柱时,由于截面突变,刚度有差异,挡墙的变形受到柱的约束,易产生应力集中。

2.1.2 徐 变

站台层框架结构承受了上部的多种结构体系,在上部的持续荷载下,混凝土只发生基本徐变而不发生干燥徐变。基本徐变为水泥胶凝体连同胶体水的滞后弹变或粘稠变形。因而水分的转移是与初期徐变有关,而胶凝体或固体的变形则与长期徐变有关。混凝土结构在应力施加后的起始变形,主要是骨料和水泥砂浆的弹性变形及微裂缝少量发展。徐变则主要是水泥凝胶体的塑性流(滑)动,以及骨料界面和砂浆内部微裂缝发展的结果。另外,内部水分的蒸发也会产生附加的干燥徐变。

徐变变形在结构设计中是不可忽略的重要因素。徐变对结构的影响有有利方面,也有不利方面。徐变能引起预应力混凝土结构的预应力损失;在大跨度梁中,徐变可增加梁的挠度,故在这些结构中应尽量减小混凝土徐变。然而在成都东客站站台层结构这样的大体积结构中,徐变能降低温度应力,减少收缩裂缝,在结构应力集中区和因基础不均匀沉降引起局部应力时,徐变还能削减应力峰值。因此,在保持强度不变的条件下,应设法提高混凝土的徐变。但是徐变值越大的混凝土,其收缩值也越大。因此设计计算时,找到一个最佳的方案,即在两者之间建立平衡,使它们的共同影响降到最低。

2.2 设计计算及控制措施

针对上述不利因素,首先采取设置后浇带、混凝土掺入微膨胀剂等施工措施来控制混凝土的收缩影响;其次在设计计算时,通过对各部分构件收缩徐变特征的研究以及对收缩徐变等参数的考虑和优化,进行结构方案的局部调整或采用有针对性的构造措施,也是一个重要的方面。

以站台层结构边缘处挡墙的设计为例,在原结构方案中边柱比中柱的间距要大一倍,为21.5 m,即挡墙的跨度也为21.5 m,且挡墙的高度为12 m。仅为抵抗巨大的水土压力,经计算挡墙厚度至少为0.8 m,因而挡墙加边柱这部分结构的刚度很大,在整体计算时由于收缩徐变引起的内力,使得挡墙和边柱无论如何调整截面,柱的底部弯矩都难以满足计算要求。因此对挡墙部分的混凝土柱方案进行了优化和调整。

首先,采用了直接方式来减小混凝土柱的柱底弯矩。在挡墙处通道出口两侧增加2根混凝土柱,这样一来,挡墙跨度减小至原来的三分之一左右,经计算挡墙厚度也减小至0.4 m,而新增混凝土柱分担了大部分原柱因承受水土压力荷载产生的柱底弯矩,各柱的柱底弯矩都有不同程度的减小,但总的工程量并没有增加。

其次,采用了间接方式来减小混凝土柱的柱底弯矩。钢骨含量越大,弹性模量值越高,对水泥浆体收缩的约束也越大,收缩量就越小。并且混凝土柱中的钢骨也可以与钢筋混凝土一起形成组合结构共同抵抗轴力和柱底弯矩。因此,为从根本上减小混凝土柱的收缩拉应力,在翻阅了大量资料和全面考虑结构的自身特性的前提下,认为在钢骨混凝土柱中的钢骨能比较有效的阻碍混凝土收缩的发展。设计计算时,在部分底部弯矩较大的混凝土柱中插入型钢,经过多次试算和比较,发现各个组合设计内力增加不明显,而柱的承载力大大提高,最终确定了需要插入钢骨的混凝土柱以及钢骨的截面等。

3结语

成都东客站站台层的设计计算工作还存在诸多技术难点,本文仅选取了其中较有代表性的一个难点展开分析和论述。在大型钢筋混凝土结构中,考虑建造过程的收缩徐变效应的结构分析方法已经成为工程界密切关注的复杂问题。本文仅通过对一个工程的设计计算及分析研究进行了对此问题的浅显论述。在以后的设计研究工作中,必须探索更精确的分析理论,以满足工程界的需要。

参考文献

[1]过镇海,时旭东.钢筋混凝土原理和分析[M].北京:清华大学出版社,2003.

[2]聂建国,沈聚敏.钢筋混凝土梁在长期荷载作用下的变形[J].建筑结构学报,1994,15(1):21-22.

[3]林南薰,陈叶军.高层钢筋混凝土结构考虑建造过程的收缩徐变效应[J].华南理工大学学报:自然科学版,2003,31(4):18-19.

[4]高明桦,张志宽.混凝土的收缩徐变及长期荷载下的变形[J].山西建筑,2007,33(23).

[5]傅学怡,高洪.钢筋混凝土柱收缩徐变分析[J].建筑结构学报,2009,30(S1).

[6]徐亚东,王连广,孙晓东,刘之洋.钢骨混凝土梁在收缩徐变影响下的非线性变形[J].四川建筑科学研究,2003,29(2).