混凝土徐变（共8篇）
混凝土徐变 篇1
1 混凝土徐变的定义
徐变简单的说就是混凝土结构物体在恒荷载持续作用下增加的变形, 徐变不包括其他非应力的随时间而变的变形, 如收缩、膨胀和温度变形等。徐变的作用也可以从另一个方面来看待, 假设一个荷载作用下的构件受到约束, 它的应变是固定的, 由于徐变的缘故, 应力随着时间推移而递减, 这就是所谓“松弛”现象[1]。
徐变是混凝土材料本身固有的时变特性, 对于混凝上结构的受力和变形性能有着显著的影响。众所周知, 在预应力混凝土结构中, 徐变导致结构的预应力损失, 进而对结构的适用性和耐久性产生显著影响;在分段施工的桥梁中, 由于结构体系的转换, 前期结构产生的徐变变形增量受到后期结构的约束, 将在结构中产生徐变次内力和支座次反力;在高层建筑中, 由于混凝土的徐变, 施工过程也会导致结构内力重分布, 与不虑混凝土徐变效应的分析结果将有较大不同;在大跨度混凝土预应力桥梁结构中, 徐变会逐步降低其预拱度, 使其使用性能受到影响;而在大体积混凝土结构中, 徐变能够降低温度应力, 减少收缩裂缝;在结构应力集中区和因基础不均匀沉陷引起局部应力的结构中, 徐变能够削减这类结构的应力峰值;在道路面板结构施工早期阶段, 混凝土拉伸徐变引起的应力松弛可以降低约束收缩应力, 从而延缓了高性能混凝土自收缩引起的早期开裂, 只要结构中存在混凝土, 徐变这一特性就对该结构产生影响, 在过镇海的《钢筋混凝土原理》中提到:混凝土多年的徐变可以使混凝土的长期抗压强度降低20%, 梁、板的饶度增大一倍, 预应力结构的预应力损失50%, 降低构件的抗裂性, 构件的表面应力&结构的内力发生重分布等等。结构受力、变形的分析计算如不考虑混凝土徐变效应的影响, 其结果必将偏离实际水平, 甚至引起徐变诱发结构开裂、挠度急剧增大乃至倒塌等工程事故。
2 混凝土的徐变机理
曾有不少学者提出各种理论和假设来说明收缩徐变的机理, 但迄今为止还没有一种理论能完全解释混凝土的徐变现象。美国混凝土学会209委员会1972年的报告将徐变的主要机理分为:
⑴在应力作用下、在吸附水层的润滑作用下, 水泥凝胶体的滑动或剪切所产生的水泥石的粘稠变形。
⑵在应力作用下, 由于吸附水的渗流或层间水的转移而导致的紧缩。
⑶由水泥凝胶对骨架弹性变形的约束作用引起的滞后弹性变形。
⑷由于局部破裂以及重新结晶与新的联结而产生的永久变形。
粘弹性理论将水泥浆体看作为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。加给水泥浆的荷载起初一部分被固体空隙中的水所承受, 这样便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增大, 从而加大了弹性变形。荷载卸除后, 水便流向相反方向, 引起徐变的恢复。与这一过程有关的水, 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。混凝土徐变的渗出理论由利奈姆于1934年首先提出。他认为混凝土徐变是由于凝胶粒子表面的吸附水和这些粒子之间的层间水在荷载作用下的流动引起。水泥浆体承受压缩荷载后, 凝胶粒子之间的吸附水和层间水就缓慢排除而产生变形。当水被挤出后, 凝胶微粒承受的应力增加, 而作用于水的压力相应减小, 结果导致水的渗出速度的减小。徐变是在凝胶与周围介质达到新的湿度平衡时的现象。此处需强调的是该理论渗出的水是凝胶水, 而不是毛细水和化合水。由于凝胶水被挤出, 使微粒间的距离缩短而处于微粒间力的作用范围内。在外荷载作用下, 水分子进一步接近, 使微粒间的表面能降低, 而且引起一部分的化学结合, 这就增加了凝胶的稳定性。因此, 卸载后, 凝胶不会恢复到加载前的状态, 有这种过程引起的徐变就是非恢复性徐变。吸附水的渗出速度取决于压应力和毛细管的阻力, 作用应力越大, 水分的渗出速度和变形速度也越快, 相应徐变也越大。混凝土的强度取决于水泥石的密实度, 而密实度大的水泥石, 毛细管通道的阻力也越大, 水分的渗出速度和变形速度则小, 相应徐变也小。因此, 强度高的混凝土, 徐变小, 反之, 则徐变大。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, 一部分为荷载作用下不产生流动的惰性骨料。当混凝土受荷时, 水泥浆体的流动受到骨料的阻碍, 结果使得骨料承受到较高的应力, 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料来承受, 从而徐变速率将减小。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, 塑性变形就发生。福格脱 (F.Vogt) 观测到混凝土变形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。混凝土的徐变导致体积的减小, 这与金属的塑性变形不同。
实用的晶格滑动理论是由格拉维尔 (W H.Gllanville) 等人于1939年建立的, 他们认为, 在低应力作用下, 混凝土的徐变是粘性流动变形, 而在高应力作用下, 混凝土徐变则是塑性流动 (晶体滑动) 。这是因为, 加荷应力小于分子结构内部热能时, 材料表现为粘性;当加荷应力大于分子结构内部热能时, 材料表现为塑性。微裂缝理论认为在多相混凝土组成材料的界面上, 受荷前就有粘结微裂缝的存在, 这是由混凝土硬化过程中骨料沉降、拌合水析出及干缩应力引起。在正常工作范围内, 裂缝界面通过摩擦连续传递荷载, 微裂缝仅稍微增加一些徐变。当荷载超过正常工作应力时, 界面上的粘结微裂缝就会扩展并产生新的微裂缝;当荷载再增加, 还会产生少量穿越砂浆的裂缝、甚至产生穿越骨料的裂缝, 最后, 各种裂缝迅速发展并逐渐贯通。因此, 当加荷应力小于抗裂强度时, 混凝土结构继续密实, 而当加荷应力大于抗裂强度时, 由于微裂缝的产生和发展, 在长期荷载作用下便产生了附加变形, 这使得混凝土的徐变变形与应力之间表现出明显的非线性特征。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并达到新的平衡的过程。根据这一理论, 内力平衡将由荷载、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。从以上介绍的几种徐变机理的理论来看, 没有一种理论能得到满意的解释, 但把几种理论结合起来解释可能会得到比较满意的解释。加荷初期混凝土的徐变速率较大, 而后徐变速率随时间不断减小, 且产生可复徐变, 这可用粘弹性理论和粘性流动理论来解释。这期间还产生不可恢复的徐变变形, 这可用渗出理论来解释。继续加载, 主要产生不可复徐变, 这可由粘性流动理论来解释。当加荷应力超过正常工作应力时, 徐变速率又迅速增大, 应力一应变关系显现出明显的非线性特征。这可用塑性理论和微裂缝理论来解释。不过, 该阶段在实际结构中很少发生, 通常混凝土结构的徐变将最终趋于稳定[2]。
3 混凝土徐变的特性
混凝土的徐变呈现以下几点特性:
⑴混凝土徐变在加载初期发展很快, 而后逐渐减慢, 其延续时间可以在几年以上。一般在加载一个月内完成全部徐变量的40%;三个月完成60%;一年到一年半内完成80%;三年到五年内基本完成。
⑵在卸载时, 一部分徐变能够立即恢复, 另一部分在相当长的时间内才能逐渐恢复。恢复变形总数超过加载时的急变部分, 说明徐变中存在一部分可以恢复的变形。
⑶混凝土的徐变同应力大小有密切的关系。当应力小于0.5fc时, 徐变变形与应力成正比, 应力与徐变量接近线性关系;当混凝土应力大于0.5fc时, 徐变变形与应力不成正比, 徐变比应力增长更快, 即应力与徐变量为非线性关系。在非线性徐变范围内, 当加载应力过高时, 徐变变形急剧增加, 不再收敛, 呈现非稳定徐变, 因此在高应力作用下可能造成混凝土的破坏。
4 混凝土徐变的规律
⑴徐变是一种滞后的弹性变形, 不涉及结晶的破坏或滑动, 因此不是一种粘滞固体的塑性流变;
⑵在工作应力区域内, 徐变与应力成正比。但是当应力接近混凝土极限强度时, 徐变增长比应力增长速度快很多;
⑶如考虑龄期对混凝土特性的变化的影响, 则所有的徐变都是可恢复的;
⑷徐变无正负号, 不论是正应力或负应力其比值都相等;
⑸迭加原理适用于徐变;
⑹徐变应变的泊松比与弹性应变的泊松比相同。
5 影响混凝土收缩徐变的主要因素
有许多解释说明徐变产生的原因, 但最重要的原因是在荷载的作用下凝胶水或物理吸附水的排出引起混凝土的徐变。
众所周知, 影响混凝土结构徐变的因素分为内部因素和外部因素。内部因素主要包括:水泥的品种、骨料的品种、水灰比的大小。外部因素包括:加荷龄期、加荷应力、持荷时间、湿度、温度等。
5.1 内部因素
⑴水泥品种。水泥品种对混凝土徐变的影响在于其影响混凝土加载时的强度。在加载龄期, 当应力及其他条件相同时, 使混凝土强度发展较快的水泥会产生较低的徐变。
火山灰水泥由于早期强度较低, 所以徐变值较高。对于同样的作用应力, 用火山灰水泥代替普通硅酸盐水泥会增加徐变。在火山灰中, 硅藻土是产生较高徐变的根源。在现代的建筑工程中, 用以代替普通硅酸盐水泥的最常用的火山灰质材料是飞灰, 或磨细的粉煤灰。有研究报告显示:当30%的水泥用37.5%的飞灰替换时, 徐变有所降低。
粉煤灰混凝土由于其水化热低、抗渗性好和节约水泥的诸多优点, 在工程实践中广泛应用, 尤其是大体积的混凝土结构中, 但是目前对于混凝土中掺加粉煤灰对其徐变性能的影响问题, 还没有统一的认识。然而笔者认为如果在控制粉煤灰的掺量和混凝土的加载龄期上多加考虑, 尽量避免混凝土徐变的影响, 将会在工程实践中收到良好的经济和技术效益。
随着粉煤灰掺量的增加, 混凝土徐变的变化趋势有规律地从早龄期的增大到晚龄期的减小。因此, 必然存在一个临界龄期, 当混凝土的加荷龄期小于混凝土的临界龄期时, 混凝土的徐变随着掺量的增加而增大;大于时, 情况相反。
⑵骨料。混凝土的骨料一般不参与徐变过程, 然而其对水泥石的变形有约束作用, 约束的程度取决于骨料的刚度及其所占混凝土体积的百分数。骨料占混凝土体积从60%增加到75%, 徐变可降低50%左右。随着集料的弹性模量增加, 混凝土的徐变减小, 试验表明当骨料的弹性模量值大于7.0×104MPa时, 徐变值即相对地趋于稳定。集料愈坚硬混凝土徐变愈小, 如以圆石英集料在混凝土的徐变为1, 河卵石为集料的混凝土的徐变差不多是石英集料混凝土徐变的2倍, 砂岩为集料的混凝土的徐变则达到石英集料混凝土徐变的4倍。国内有学者把以石灰岩为骨料拌制的混凝土和以砂岩或卵石为骨料的混凝土进行比较, 发现前者的徐变小于后者。在同样的条件下, 级配好的集料空隙减小或者集料的最大粒径增加都会减小混凝土的徐变。
⑶水灰比在水灰比大的混凝土中, 水泥颗粒的间距大、孔隙多, 毛细管孔径大, 混凝土的内部结构较为松散, 强度低, 徐变值偏大[3]。
⑷外加剂。掺用外加剂时, 混凝土的徐变应经试验确定, 一般认为掺减水剂或高效减水剂基本上不会对混凝土的徐变产生影响, 掺加高效减水剂增加混凝土的流动性其徐变略有增大, 掺加高效减水剂保持强度相近减少水泥用量时其徐变保持相近或略有减少, 掺高效减水剂提高强度其徐变减少。
5.2 外部因素
5.2.1 加荷龄期
3d龄期加荷的徐变为7d的1.14倍, 是28d的1.7倍, 90d的2.4倍, 365d的4.3倍。由此可以看出, 混凝土的徐变随着加荷龄期的增长而减小。在水泥水化的过程中, 早期水化不充分, 强度较低, 徐变较大。然而随着水化的进行, 强度的提高, 徐变也相应的减小了[4]。
5.2.2 持荷时间
持荷时间和混凝土的徐变成正比例关系, 但与徐变速率成反比。
5.2.3 加荷应力
国内外学者对混凝土的徐变和应力比的关系问题展开了很长时间的研究和讨论。话题的中心集中在混凝土的内部应力和强度之间处于一个什么比例范围时, 才会使得徐变与应力成正比例关系。虽然, 在一般情况下, 当应力不超过强度的0.4倍时, 都认为徐变和应力成正比。但是, 在通过国内一些学者的试验分析指出:当应力比大于0.38时, 徐变的增长已经和应力比不成正比例关系, 而且随着应力比的继续提高而急剧变大[5]。
5.2.4 试件的尺寸
一般认为, 在小尺寸的试件中, 由于单位体积内较大粒径的骨料含量较少, 水泥石含量较多, 再加之构件的尺寸越小, 使得混凝土中水分的散失越快, 干燥条件下, 徐变的增长迅速。
5.2.5 工作环境的湿度和温度
⑴湿度。工作环境的相对湿度是影响混凝土徐变的最重要因素之一。一般来说, 相对湿度较低时混凝土徐变较大, 与相对湿度100%相比较, 周围环境相对湿度50%时的混凝土徐变要增加1~2倍。
⑵温度。在湿度稳定的条件下, 混凝土的徐变将因温度升高而有显著的增加。在某一特定温度下的徐变值的大小视处于稳定状态的相对湿度而定。
5.2.6 振捣
在正常情况下混凝土总是充分捣实而没有离析的, 否则残存的空隙将使徐变加大。任何捣固不足都将反映出强度的下降。空隙率高还将增加干燥速度, 从而导致徐变增加。
5.2.7 养护条件
这里的养护条件主要是指养护环境的温度湿度及养护时间。温度与湿度都影响水泥的水化速度和水化程度。水化程度越高, 水泥胶凝体的密度也越高, 混凝土的强度和弹性模量也越高, 徐变则越低。
6 小结
⑴徐变的产生原因主要是因为在荷载的作用下凝胶水或物理吸附水的排出, 尤其对于没有干燥的大体积混凝土结构, 其徐变是由于外界应力作用下凝胶水的排出所产生的。
⑵影响徐变的因素包括内部因素和外部因素。内部因素又从水泥的品种、骨料的类型、水灰的大小、外加剂四个方面分别讨论对于徐变的影响。
水泥的品种对混凝土强度的影响导致了徐变的变化;骨料对于水泥石的约束作用取决于它的刚度和在混凝土中所占的比例大小;水灰比和徐变值成正比例关系;外加剂中的高效减水剂在混凝土中发挥不同作用时其对徐变的影响不一。
⑶外部因素包括加荷龄期、加荷应力、持荷时间、试件尺寸等方面。早龄期的水泥混凝土强度较低, 徐变较大。晚龄期的混凝土随着强度的提高, 徐变也相应减小了;在应力比低于常规的0.4时, 也会使得徐变和应力之间成非线性关系;持荷时间和混凝土的徐变成正比例关系, 但与徐变速率成反比;在同等环境中, 小尺寸的试件比起相同配合比的大尺寸试件徐变值较大;相对湿度较低时混凝土徐变较大;混凝土干燥的情况下, 当温度上升时, 徐变将有显著增加;振捣不足, 使得强度下降, 徐变增大;养护的好坏直接影响着混凝土中水泥的水化程度。●
参考文献
[1]过镇海.钢筋混凝土原理.北京:清华大学出版社, 2001
[2]王传志、腾智明.钢筋混凝土结构理论.北京:中国建筑工业出版社, 1985
[3]腾智明主编.钢筋混凝土基本构件.北京:清华大学出版社, 1987
[4]过镇海.混凝土的强度和变形.北京:清华大学出版社, 1997
[5]黄兴国、陈改新.混凝土徐变原理.北京:中国水利水电科学研究院, 1996
混凝土徐变 篇2
利用有限元分析方法,对三跨预应力混凝土连续刚构桥的.悬臂施工过程进行了数值模拟,分别计算了在不同徐变计算模式下的施工预拱度,研究混凝土收缩徐变对施工预拱度的贡献和不同徐变计算模式对施工预拱度的影响;另外,分别计算考虑混凝土收缩徐变和不考虑混凝土收缩徐变两种情况下的桥梁结构内力,分析了混凝土收缩徐变在桥梁悬臂施工期间对结构内力的影响.研究结果表明:混凝土收缩徐变对连续刚构桥施工预拱度有较大影响,且不同徐变计算模式对施工预拱度影响不同;在桥梁合龙前,桥梁结构为静定结构,若忽略钢筋和预应力筋的约束影响,混凝土收缩徐变对结构内力没有影响.
作 者：洪帆 周征征 Hong Fan Zhou Zhengzheng 作者单位：洪帆,Hong Fan(中交武汉港湾工程设计研究院有限公司,武汉,430071)
周征征,Zhou Zhengzheng(黄石市基本建设管理委员会,黄石,435000)
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。
钢筋对混凝土徐变影响的计算 篇4
关键词：混凝土徐变,平截面假定,位移协调,附加内力
0 前言
混凝土徐变是在持续荷载作用下,混凝土的变形随时间不断增加的现象。徐变是依赖荷载且与时间相关的非弹性性质的变形,其累计总和比瞬时弹性变形大1~3倍。因此,在结构分析计算中,徐变是一个不可忽视的重要因素。混凝土的徐变与金属的蠕变很相似,但也有很大的区别。其中最主要的是混凝土的徐变不单与荷载、时间以及外部环境等因素相关,还与历史应力、加载龄期密切相关[1~2];而金属的蠕变只与当前应力相关,与历史应力无关。所以,钢筋变形的时效性与混凝土不同,而这又必然引起两者之间的附加内力,影响着彼此的变形情况。为了尽可能精确地计算混凝土的徐变,就必须考虑钢筋对混凝土的影响。
国内外学者曾对钢筋与混凝土的相互影响进行研究。例如欧洲混凝土委员会和国际预应力混凝土协会提出的混凝土徐变预测模型(CEB-FIP,1970)建议引入以配筋率影响修正系数来考虑钢筋对混凝土徐变的影响,但也只是基于试验而提出的[3]。对于这一问题,目前还没有统一的计算公式或规范规定。从力学的角度出发,钢筋混凝土构件与相同尺寸的素混凝土构件,在相同的荷载作用下两者的变形差异是由钢筋对混凝土的附加内力导致的。根据混凝土徐变计算公式以及相应的力平衡条件与位移协调条件,可以推导出考虑钢筋影响的混凝土徐变计算公式,从而为进一步深入研究钢筋混凝土的徐变提供参考。
1 混凝土徐变计算理论与方法
计算混凝土徐变的方法与理论包括有效模量法、龄期调整有效模量法、老化理论、弹性理论、流动率法、积分退化核法等[4]。本文计算混凝土徐变采用龄期调整有效模量法。
龄期调整有效模量法是由H.trost在有效模量法的基础上提出的,后由Z.P.Bazant进行改进。龄期调整有效模量法[4]采用老化系数来考虑混凝土老化对最终徐变值的影响,是一种计算混凝土长期效应的有效方法,广泛应用于工程实际中。
对龄期为τ0的混凝土施加初始应力σ0,其后应力连续变化,总应变为[5]:
利用积分中值定理,式(1)可写成:
式中,E(τ)—混凝土的弹性模量;
φ(t,τ)—混凝土徐变系数;
χ(t,τ0)—混凝土老化系数。
2 考虑钢筋影响的混凝土徐变计算
2.1 基本假定
本文基于以下基本假定分析钢筋对混凝土徐变的影响:
(1)结构截面变形符合平面假定;
(2)钢筋与混凝土充分粘结。
2.2 素混凝土总应变
素混凝土结构截面在t0时刻承受轴向力N与弯矩M。在t0~t时间段内外荷载不变,且没有附加内力(截面内没有钢筋的约束),因此Δσ=0。根据公式(2)素混凝土结构t时刻应变:
式中,εc0(t)—素混凝土t时刻钢筋重心处应变;
Ec—混凝土的弹性模量;
Ac—混凝土截面面积;
I—混凝土截面惯性矩;
φ(t,t0)—徐变系数。
2.3 钢筋混凝土总应变
钢筋混凝土结构截面在t0时刻承受轴向力N与弯矩M。考虑钢筋的约束作用,截面应力的分布情况如图1所示,其中σn表示轴向力N引起的混凝土截面应力,σm表示弯矩M引起的混凝土截面应力,σs表示附加力引起的钢筋的应力。
根据力的平衡条件,可写出t0时刻钢筋与混凝土的受力公式:
由于钢筋与混凝土充分粘结,根据位移协调条件可以写出t0时刻钢筋与混凝土应变公式:
式中,εcn(t0)—t0时刻轴向力N引起钢筋混凝土构件中混凝土的瞬时弹性应变;
εcm(t0)—t0时刻弯矩M引起钢筋混凝土构件中混凝土的瞬时弹性应变;
εs(t0)—t0时刻轴向力N与弯矩M引起的钢筋瞬时弹性应变;
εc(t0)—t0时刻轴向力N与弯矩M引起钢筋混凝土构件中混凝土的瞬时弹性应变;
y、h—钢筋重心到截面中性轴的距离和截面高度。
在t-t0时间段内外荷载不变,但由于钢筋与混凝土变形的时效性不同,两者接触面上将产生方向相反的一对附加内力增量[6]。根据截面内力平衡条件写出下
钢筋与混凝土充分粘结,根据位移协调条件可写出下式:
式中,εs(t)—t时刻钢筋的总应变;
εc(t)—t时刻钢筋混凝土构件中混凝土在钢筋重心处的总应变。
根据公式(2)得:
设钢筋混凝土构件与相同尺寸的素混凝土构件承受相同的荷载,且以构件的混凝土部分为研究对象,则在t0时刻以及t-t0时间段内由钢筋对混凝土产生的总附加内力为εs(t0)EsAs+ΔNc;t时刻两构件混凝土的变形差异为εc(t)-εc0(t)。
因为两构件的混凝土变形差异是由钢筋对混凝土的总附加内力F所导致,由此可得:
式中,Eφ=Ec/[1+χ(t,t0)·φ(t,t0)]=Ecγ为有效弹性模量。
由(3)~(11)式可推出考虑钢筋影响的钢筋混凝土构件在t时刻的应变为:
式中,γ=1+χ(t,t0)·φ(t,t0),ns=Es/Ec,μs=As/Ac,ρ=1+y2/e2。
3 算例分析
设有一混凝土构件,矩形截面,截面尺寸为0.15m×0.15m,在与截面中性轴距离y=0.0425m处配置2覫10钢筋。在龄期为14d时施加轴向力N=5k N。混凝土弹性模量Ec=3.5×109Pa,钢筋弹性模量Es=2×1011Pa,徐变系数φ(t,t0)根据JTGD62-2004《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》计算[7],老化系数χ(t,τ0)取0.8[8]。现分别按CEB-FIP法(1970)、文献[9]与本文方法并考虑钢筋对混凝土影响进行徐变计算,结果见表1。
表1结果显示,对混凝土结构进行徐变计算时,考虑钢筋影响与不考虑钢筋影响的计算结果相差在10%以上。为了尽可能精确的计算混凝土徐变,建议应考虑钢筋的影响。CEB-FIP(1970)计算公式是由大量试验数据拟合而来的,本文方法的计算结果与CEB-FIP(1970)方法比较接近,两者相差仅5%左右。
μm
4 结论
(1)由于钢筋变形的时效性与混凝土不同,将会引起两者之间的附加内力,从而在一定程度上改变了混凝土的徐变。考虑钢筋影响与不考虑钢筋影响的混凝土徐变计算结果相差较大,建议应考虑钢筋的影响。
(2)根据平截面假定以及位移协调和力平衡条件,建立了考虑钢筋影响的混凝土徐变计算公式。当钢筋的含量为零时,公式(12)与公式(2)相当,均为素混凝土的徐变计算公式。
(3)本文的讨论未包含预应力筋。以本文的计算思路计入预应力筋的影响并考虑预应力的损失,则可建立预应力混凝土的徐变计算方法。
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混凝土徐变 篇5
钢管混凝土在我国得到了广泛的应用, 然而对其徐变特性的研究还比较少。由于管内混凝土相对密闭, 水分的流失比较慢, 其徐变特性与普通混凝土的徐变特性相差甚远, 若仍采用规范规定的普通混凝土的收缩徐变模式进行徐变效应计算将带来较大的误差[1]。CEB-FIP 1990、GL2000、ACI-209、RELEM B3模式等是目前最为常用的几种徐变模式, 各种研究表明, 这几种徐变模式均能较好的应用于普通混凝土的徐变计算, 然而对于钢管混凝土而言, 由于核心混凝土处于密闭环境中, 其收缩徐变与素混凝土有较大区别, 在进行徐变效应计算时, 若仍采用素混凝土的收缩徐变模型进行分析, 需对徐变模式的参数进行相应处理, 通常的做法是取用较大的相对湿度和体表比或者忽略混凝土的干燥徐变[2]。例如采用CEB-FIP 1990模式时, 将相对湿度取一个最大值99%;采用ACI模式时, 将徐变终值取最小值;采用GL2000模式时, 将相对湿度取最大值;采用B3模式时, 考虑到钢管混凝土的密闭性, 忽略干燥徐变, 只取瞬时弹性变形和基本徐变。尽管可以如此处理, 但是研究表明不同模式计算结果仍然相差较大[3]。本文采用国内外的经典试验, 对比分析上述徐变模式在计算钢管混凝土构件徐变效应时的精度, 从而找出一种精度最高的徐变计算模式, 以便应用于钢管混凝土构件的徐变计算。
1 几种常用徐变模式简介
1.1 CEB-FIP 1990徐变模式
CEB-FIP 1990徐变模式 (以下简称CEB-FIP模式) 采用乘积的形式, 不区分基本徐变和干燥徐变, 其徐变系数计算公式是一个与环境相对湿度RH、理论厚度h、混凝土抗压强度fcm、加载龄期t0和计算龄期t等参数有关的函数, 即:
式中, φRH为环境相对湿度修正系数;β (fcm) 为混凝土强度修正系数;β (t0) 为加载龄期修正系数;βc (t-t0) 为徐变进程时间函数, 各系数具体表达式详见文献[4]。
1.2 ACI-209 (1992) 徐变模式
ACI-209徐变系数计算公式采用双曲-幂函数:
式中, φu为徐变终值, 取值范围一般为1.3~4.5。也可按下式计算:
式中各系数具体表达式详见文献[5]。
1.3 GL2000徐变模式
GL2000的徐变模式考虑因素较少, 其徐变系数仅与加载龄期t0和计算龄期t、混凝土开始收缩龄期tsh、相对湿度h及体表比V/S有关, 其徐变系数计算公式为[6]:
如果t0≤tsh, 则φ (tsh) =1, 如果t0>tsh, 则:
1.4 B3徐变模式
B3模式是目前考虑影响因素最多的徐变预测模式。B3模式中, 徐变分为基本徐变和干燥徐变[7]。习惯上用徐变函数表示, 如下式:
式中, q1为瞬时弹性变形, C0 (t, t0) 为基本徐变, Cd (t, t0, tsh) 为干燥徐变, 各参数的意义及取值详见文献[7]。
2 考虑钢管影响的混凝土徐变模式
钢管对于核心混凝土徐变的影响和钢筋混凝土中钢筋对混凝土徐变的影响是一样的, 钢管对于核心混凝土的徐变具有抑制作用, 可以通过在素混凝土徐变的基础上乘以一个系数来修正。
假定钢管与混凝土之间粘结良好, 满足平截面假定, 则当钢管混凝土产生徐变时, 截面将产生应力重分布。由于无新的外力作用, 这种重分布只是体系内应力的重新调配, 并不对外荷载产生影响, 所以有:
式中, Ncc为核心混凝土轴向内力的增量;Nsc为钢管轴向内力的增量。
在钢管混凝土上产生内力重分布后, 如图1所示。图中εcc为核心混凝土的自由徐变量, εcc1为产生徐变后钢管的应变增量, εcs1为在钢管的约束作用下核心混凝土应变的恢复量。由于变形协调, 钢管的应变增量即为钢管混凝土的实际徐变量。
根据徐变收缩理论, 核心混凝土的自由徐变量为:
式中, ε0c为核心混凝土初始应变。
由图1可知:
将式 (8) 和式 (9) 代入 (10) 得:
联立 (7) 、 (11) 可解得:
从而得到考虑钢管约束影响的核心混凝土徐变系数为:
式中, n=Es/Ec为钢管与混凝土的弹性模量之比;ρ=As/Ac为含钢率;φ (t, t0) 为不考虑钢管约束影响的核心混凝土徐变系数。
3 文献试验研究
目前, 钢管混凝土构件的徐变试验比较少, 本文在广泛阅读文献的基础上选取了几个有代表性的试验, 对比分析各徐变模式在钢管混凝土徐变计算中的精度。
3.1 Terrey试验[8]
钢管混凝土试件参数如表1, t0=18d。图2为不同模式钢管混凝土徐变系数计算结果对比, 由图可知, 几种模式中以B3模式和ACI-209模式计算值与试验值最为接近, CEB-FIP模式计算结果最小, GL2000模式计算结果最大。
3.2 Kwon试验[9]
钢管混凝土试件参数和混凝土配合比分别见表2和表3, 加载时间t0=28d。不同模式计算结果与实测值对比如图3所示。
由图3可知, 几种模式的计算结果规律与Terrey试验类似, 几种模型中以B3模式和ACI-209模式计算值与试验值最为接近, CEB-FIP模式计算结果最小, GL2000计算结果最大。
3.3 巫山长江大桥徐变试验[10]
依托于巫山长江大桥工程, 文献[10]进行了C60号混凝土收缩徐变试验及钢管混凝土收缩徐变节段模型试验。钢管混凝土试件参数如表4所示, 内灌C60混凝土, 配合比参数如表5所示, 加载时间t0=14d。不同模式计算结果与实测值对比如图4所示。
kg/m3
由图可知, 几种模式计算结果中, B3模式计算结果与实测结果最为接近, 其它模式计算结果均小于实测结果, CEB-FIP模式计算结果最小。
3.4 文献[11]试验
文献进行了一组钢管混凝土的收缩徐变试验, 试件各参数如表6所示。试件加载龄期为t0=7d, 不同模式计算结果与实测值对比如图5所示。
由图5可知, 几种模式计算结果中, B3模式计算结果与实测结果最为接近, GL2000模式计算结果最大, CEB-FIP模式计算结果最小。
4 结论与分析
综合以上几个试验结果对比可知, B3模式的计算结果与实测结果最为接近, 说明B3模式的基本徐变能较好的预测钢管混凝土的徐变。另外三种常用模式中, 4个算例都是GL2000模式徐变预测值最大, ACI模式次之, CEB-FIP模式最小;且CEB-FIP模式预测徐变值均小于试验值, 而GL2000模式和ACI模式的预测值与试验值相比则时大时小。产生这种现象的原因分析如下:
(1) CEB-FIP 1990模式的徐变系数采用乘积的形式, 不区分基本徐变和干燥徐变, 湿度对徐变的影响通过对总徐变 (包括基本徐变和干燥徐变) 乘以相对湿度影响系数来考虑, 这样, 当取相对湿度RH=99%时, 不仅未考虑干燥徐变, 而且也对基本徐变进行了折减, 这就导致采用该模式计算的徐变系数偏小。这也说明, 工程中采用《新桥规》的徐变模式, 按相对RH=99%来计算钢管混凝土徐变效应的作法偏于不安全, 过小的估计了钢管混凝土的徐变。
(2) ACI-209模式采用徐变终值φu最小值1.3来计算密闭混凝土徐变时, 由于只考虑了持载时间的影响, 而未考虑其它因素的影响, 也无法准确计算钢管混凝土的徐变, 由于φumin=1.3为经验值的下限, 一般将过低的估计钢管混凝土的徐变。由于忽略了加载龄期的影响, 不同加载龄期钢管混凝土其徐变系数曲线是一致的, 这也不符合混凝土的徐变规律。
(3) GL2000模式采用和式徐变的形式, 第一项与持载龄期有关, 第二项与持载龄期和加载龄期有关, 第三项与持载龄期, 相对湿度及体表比有关。若相对湿度或者体表比取最大值, 则表达式只有前两项, 其只与加载龄期和持载龄期有关, 这也意味徐变与混凝土的配合比参数无关, 这样考虑将不如B3模式全面。另外, 由于文献均没有给出具体的混凝土开始收缩的龄期tsh, 因此, 本文未考虑加载前混凝土干燥对徐变的折减, 因此GL2000模式计算结果普遍偏大。
混凝土徐变 篇6
目前,具有强大分析功能的通用大型有限元软件被广泛用于桥梁的结构计算和施工模拟中,但是这些软件大都不包含与我国规范相匹配的混凝土徐变计算功能,大大限制了该类分析软件在混凝土徐变分析中的应用。为此,本文研究如何在通用有限元软件ANSYS中引入可以考虑徐变的材料本构关系,实现混凝土徐变效应的计算功能。在此基础上,重点分析混凝土徐变对主梁线形的影响以及跨中长期挠度随时间的发展规律。
1 ANSYS中混凝土徐变的分析方法
ANSYS现有的功能,不含混凝土徐变的计算,可以利用ANSYS的金属蠕变功能,来拟合混凝土的徐变曲线,从而计算混凝土徐变。ANSYS通过求解蠕变的本构微分方程,得出单位时间间隔内蠕变应变增量来实现蠕变计算。因此,利用ANSYS进行混凝土徐变分析的关键是蠕变物理方程的选取以及求解单位时间间隔内蠕变的应变增量。
1.1 混凝土徐变的基本假设
因客观因素的复杂性,对于混凝土徐变,实际工程常采用如下假定[1]:1)不考虑结构配筋的影响,把结构当作素混凝土。2)混凝土的弹性模量假定为常值。3)徐变线性理论。即徐变应变与应力成正比例关系的假定。由此,“力的独立作用原理”和“应力与应变的叠加原理”均在计算中适用。
1.2 ANSYS中的金属蠕变理论
对于金属蠕变,与混凝土徐变类似,也有多种理论,包括陈化理论,时间硬化理论,应变硬化理论,塑性滞后理论等。ANSYS中通过蠕变方程来模拟金属蠕变行为,该方程描述了试验中观察到的主要特征并以蠕变应变率的方式表达,可以看出,蠕变应变、应力和时间存在一定的关系,在应力为常数时可表示为:
εc=f1(σ)f2(t) (1)
根据混凝土徐变的基本假定以及混凝土徐变理论,有下面的关系式:
比较式(1)与式(2),可以发现金属的蠕变与混凝土的徐变有很多相似之处,它们的应力应变关系方程在一定程度上是相同的。因此在ANSYS中按照金属蠕变的计算方法来计算混凝土徐变是完全可行的。
2 材料常数和徐变系数的确定
ANSYS中提供了很多蠕变准则,本文采用目前研究比较多而且应用比较方便、广泛的C6=0的初始徐变方程[2]:
Δεcr=C1σC2εC3e-C4/TΔt。
其中,ε为等效应变(以修正的总应变为基础);σ为等效应力;T为绝对温度(所有给定温度加上TOFFST);t为在子步结束的时间。
由于采用的是线性徐变理论,即徐变的变化率与应力无关,而与应变呈正比例关系,所以C2=0,C3=1。又因为不考虑温度对徐变的影响,所以C4=0。在应力不变条件下,有:
ε(t)=εc(t)+εe=φ(t,t0)εe+εe。
在ANSYS中,Δεc=C1εeΔt=C1εe(1+φ)Δt,即可得:
有了上面的关系式,则可计算相应时间的徐变系数和蠕变准则中C1的值。
3 工程实例分析
某连续刚构桥,其跨径布置为140 m+268 m+140 m,箱梁根部高度15 m,跨中高度4.5 m,其间梁高按1.6次抛物线变化。箱梁顶板厚0.32 m,底板厚由跨中0.32 m按1.6次抛物线变化至根部1.7 m。箱梁顶板宽16.4 m,底板宽7.5 m,腹板厚按0.6 m～0.5 m～0.45 m变化。采用Beam188单元建立模型,全桥共分180个单元,1～144为桥面单元,145～180为桥墩单元。有限元模型见图1。
对于施工中使用的一些辅助设施,可转换为等效集中荷载或均布荷载,拆除这些辅助设施时则施加反向的荷载;临时支座的安装与拆除可通过在ANSYS中添加或删除相应的位移约束来实现;预应力筋的张拉也可以转换为等效荷载;施工过程可利用ANSYS中的单元生死功能来实现。全桥采用悬臂法施工,从开始建造桥墩至全桥合龙共分为143个施工步。
应用本文的分析方法进行模拟计算,并与桥博计算结果进行比较,以验证其分析方法的可行性。表1列出了跨中71节点分别在第140(成桥)、141(成桥1年)、142(张拉剩余束)、143(成桥3年)、144(成桥5年)、145(成桥10年)、146(成桥30年)施工步的挠度,两种计算结果的比较。
可以看出两种计算结果吻合良好,最大偏差为5%,表明了本文方法的正确性。跨中挠度在成桥后3年的增量为13.6 cm,10年的增量为19 cm,30年的增量为22.3 cm,表明混凝土徐变对主梁线形影响很大,因此,徐变的预测结果会直接影响到桥梁的合龙以及成桥后的线形。
从图2可以看出,成桥后混凝土徐变对主跨的挠度影响较大,而对边跨的挠度影响较小。尤其对主跨跨中附近区域影响最为显著,其中跨中节点30年徐变挠度增量达到22.3 cm。随着时间的增长,混凝土的收缩徐变使主梁挠度不断增大;主梁的最大挠度出现在跨中位置,次边跨跨中挠度要小于主跨跨中挠度;桥墩处主梁挠度很小,可以忽略;成桥后前3年收缩徐变对主梁挠度的影响很大,主梁挠度随着收缩徐变的进程变缓而变化减慢。
4 结语
根据线形叠加原理,利用ANSYS中金属蠕变的本构关系曲线拟合混凝土徐变系数曲线,模拟桥梁实际的施工过程,来分析混凝土的徐变效应,其方法是完全可行的。尤其是对于预应力混凝土箱梁桥这类复杂的结构,可以克服桥梁专用软件单元种类单一的不足,还可以建立结构的空间模型,实现混凝土的三维计算,更加符合结构的实际状态。本文的计算结果表明,混凝土徐变对大跨桥梁的跨中挠度影响显著,在施工控制中对混凝土徐变的影响程度及长期性应予以足够的重视。
摘要：指出大跨度混凝土箱梁桥混凝土徐变对桥梁的合龙精度及成桥后的线形有着重要影响,对如何应用ANSYS有限元软件分析混凝土的徐变效应进行了研究,在此基础上,以某连续刚构桥为例,分析了徐变对跨中挠度的影响,得出混凝土徐变对大跨桥梁的跨中挠度影响显著的结论。
关键词：ANSYS,箱梁桥,混凝土徐变,长期挠度
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混凝土徐变 篇7
1 钢-混凝土组合连续梁桥收缩徐变的效应分析
1.1 工程概况
某工程铁路跨线主桥设立在与铁路跨越的交汇直线上, 桥梁的总长度为220m。桥面大都采用的是上幅结构的, 每一个桥幅上的宽度为15.7m, 主桥上部分为 (55+90+54) m的三跨钢-混凝土组合连续梁。在主桥梁的断面上有+0。2m厚度的钢筋混凝土桥面板, 并有高度为4.7m的槽型钢筋梁, 整个桥梁的高度为4.8m, 槽形间距为3.2m~4.53m之间, 并在其中布设了一个空腹样式的横梁结构, 在支点位置处还布设了实腹式的横梁结构[1]。
混凝土桥面上使用的混凝土是C40的高纤维混凝土, 桥面的梁板厚度为0.2m, 大部分都是应用的分块预制结构, 将其按照顺序浇筑完成, 并存放5个月左右, 目的是将混凝土的徐变造成的弯曲度降低;横向也布设了4块预制板, 使用C50的高纤维膨胀无收缩混凝土, 其他位置全部使用普通的钢筋混凝土进行设计。
(1) 基本假设
在满足了精度计算前提下, 对工程结构进行简化, 进而在假设适当下, 能够对其进行有限元分析[2]。本次研究做出的假设为: (1) 在正常使用状态下, 材料具有弹性收缩状态; (2) 受拉与受压材料具有的弹性模量基本一致; (3) 将钢筋箱梁与混凝土板间将存在滑移效果, 应用节点构建出与板面的协调作用, 利用钢箱梁对应节点将其连接起来, 进而实现协同作用; (4) 对双结合段与混凝土桥面板中普通钢筋的影响忽略不考虑。
(2) 模型概述
在不对钢筋混凝土桥面滑板考虑的情况下, 可以采用节点梁单元对槽形钢梁进行模拟, 将双结合段底混凝土与钢接、钢箱梁节点连接, 这样能够共同完成变形。在有限模型中, 可以利用C40、C50等钢筋混凝土取代C50纤维型混凝土;预应力钢绞线可以使用强度较高的预应力钢绞线, 其强度标准值可设定为fpk=1760MPa, 其直径为13.4mm, 面积为125.6mm2, 弹性模量为Ep=1.87×105MPa。材料参数见下表1所示。在上部结构当中, 非纵向受力结构能够均匀分布, 其中包含了横梁、沥青混凝土桥面、剪力键等, 总计为67k N/m。
(3) 收缩徐变分析结果
在混凝土的收缩徐变作用下, 建桥5年以后, 桥梁的边跨挠度大大增加, 但中跨挠度却有所减少;桥成以后, 中跨挠度将比边跨挠度小, 因为施工方法与预应力受力情况存在差异, 成桥后的挠度收缩徐变变化趋势也将存在差异。并且从成桥时墩板面拉力上看, 张拉控制应力也将变小, 中跨跨中挠度能够随着成桥增加而增加[3];在对限元软件施工节进行划分时, 精确模拟工程细节将非常难, 为此, 在对收缩徐变预拱度设置时, 可以将中跨收缩徐变预拱度设为零, 取收缩徐变预拱度中点、边墩的墩顶位置, 应用曲线对其进行拟合;工程收缩徐变中挠度增加的次数较少, 可以不设置收缩徐变预拱度。具体见下图1所示:
1.2 不同收缩徐变预测模型分析结果对比
因为混凝土收缩徐变的影响较为复杂, 当前能够解释预测混凝土收缩徐变特性没有一个具体理论。不同国家收缩徐变预测模型没有标准规范, 预测模型建立与假设上也存在较大差异, 参数选取有各自的特点[4]。在收缩徐变作用下, 全桥挠度在成桥以后分布上存在差异, 应用不同预测模型计算, 得出的边跨度与中跨度会随时间改变而改变。
2 钢、混凝土连续梁桥收缩徐变效应参数
(1) 存梁时间在达到5个月以后, 收缩徐变将对挠度产生影响, 存梁时间越长, 影响越小, 成桥的年限越长, 挠度差异会逐渐减小, 对边跨挠度的影响也会变小。例如, 存梁的时间为2个月时, 边跨中挠度值为19.4mm与25.4mm;存梁在8个月时, 成桥边跨中挠度值为18.3mm与20.5mm, 中跨挠度为65.3mm。存梁在2个月以后, 收缩徐变效果并不明显。
(2) 预应力钢束张拉控制应力对结构影响。在实际工程预应力当中, 钢绞线的张拉控制应力能够使用抗拉强度标准值表示, 为1750MPa的0.67倍, 即1253MPa, 在实际工程中, 受各种因素的影响, 预应力钢束张拉也存在不稳定性, 本次研究将预应力钢绞线张拉应力设置为m=0.53、m=0.67、m=0.58, 在这种抗拉强度标准下, 能够对结构做出分析, 对结构收缩徐变效应影响进行考察[5]。每个柱墩墩顶桥面板预应力钢束使用了226股钢绞线, 全部直径为13.4mm, 张拉控制应力分析能够将结构收缩徐变影响反应出来。m值、张拉控制应力、预应力钢绞线用量关系表见下表2所示: (下转第190页)
3 结束语
本文主要对钢-混凝土组合连续梁桥收缩徐变进行了分析, 并探讨了混凝土收缩徐变对钢-混凝土组合连续梁桥应力与挠度规律, 在桥梁工程中, 应用钢-混凝土组合方式将提升桥梁稳定性与抗压性, 值得推广使用。
摘要：随着我国经济发展水平的不断提高, 各领域工程建设取得了显著成就, 钢-混凝土组合式结构鉴于其经济效益与社会效益较高, 在工程领域得到了大力推广与应用, 而混凝土材料的重要特征就是收缩徐变, 这种徐变特征将影响到钢-混凝土组合结构的稳定性与抗压性。为此, 加强对钢-混凝土组合连续梁桥收缩徐变的研究分析显得非常重要。
关键词：钢,混凝土组合连续梁桥收缩徐变效应
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混凝土徐变 篇8
1 混凝土收缩徐变计算理论
1.1 基本概念
收缩和徐变是混凝土在长期荷载作用下的固有特性。收缩是混凝土内水泥凝胶体中游离水蒸发而使其本身体积缩小的一种物理化学现象, 是不依赖于荷载而与时间有关的一种变形;徐变是指在持续荷载作用下, 混凝土的应变随时间不断增长的现象。尽管收缩和徐变是两个不同的概念, 虽各有自身的特点, 但影响收缩和徐变的因素是大致相同的, 并且混凝土结构的收缩问题与徐变问题相比要简单的多, 所以, 常将收缩的计算统一到徐变的计算中来[2]。
1.2 预应力混凝土连续梁桥的收缩徐变分析
预应力混凝土连续梁桥采用节段法施工时, 各节段混凝土的加载龄期差异较大, 因此混凝土的收缩徐变对结构内力和变形的影响较为明显。为了考虑各节段混凝土龄期的不同所导致的收缩、徐变差异, 采用有限单元步进法对连续梁桥进行分析。
(1) 划分时段。将计算时间从施工开始到竣工后收缩徐变完成划分为若干个时段, 以施工阶段的起止时间、结构体系的转换时间、加载或卸载时间, 作为各时段时间间隔的分界点, 由初瞬时t=t1起, 以后各计算时刻依次为t2, t3, t4, …, ti, …, tn+1相应时段则为:Δt1=t2-t1, Δt2=t3-t2, …, Δti=ti+1-ti, Δtn=tn+1-tn。
(2) 确定各单元的初始节点力和初始节点位移。
(3) 计算由收缩徐变引起的各单元的初应变ε″。
依Bazant-Trost 的理论, 当应力大小与徐变系数φ (t, τ) 成线性关系时, 在时刻τ加载, 经历t-τ的时间间隔后, t时刻结构的总应变为:
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式中, σ (t) 、σ (τ) 分别为计算时刻t和加载时刻τ结构的应力;E (τ) 为τ时刻的弹性模量;η (t, τ) 为龄期系数。
根据式 (1) 和叠加原理可分别得到第i时段末混凝土的应变和第i时段初混凝土的应变, 将两者相减, 即可得到第i时段内混凝土的应变增量为:
undefined
式中, Δσ (ti) 为第时段内混凝土的应力增量;E″ (ti+1, ti) 为按龄期调整的有效弹性模量;undefined, 称为初应变;Δεsh (i) =εsh (i+1) -εsh (i) 为第i时段内由于混凝土收缩产生的应变增量。
由以上可以看出, 在每一时段内, 收缩徐变的计算转化为具有初应变ε″的相当的弹性计算问题。
(4) 在第i时段的开始, 锁定结构的全部节点, 求出为克服混凝土的收缩、徐变所需要施加于各单元的约束力{ΔF}undefined。
(5) 在第i时段终了时, 即时刻ti+1, 解除所有节点的锁定, 对各单元施以反锁定节点力, 形成节点荷载的列向量{ΔF}undefined=-{ΔF}undefined。
(6) 用各单元的按龄期调整的有效弹性模量E″ (ti+1, ti) (对有混凝土收缩、徐变产生的时段) 或瞬时弹性模量E (ti) (对长度为零的瞬时加载时段) , 形成按各单元局部坐标系计算的刚度矩阵[K]undefined, 建立第i时段已形成结构各单元的平衡方程:
[K]undefined{Δδ}undefined={ΔF}undefined (3)
(7) 通过坐标转换, 将各单元的节点荷载向量组集成按结构总体坐标系计算的结构荷载列向量{ΔF}i , 将各单元刚度矩阵组集成结构总刚度矩阵[K]i, 列出结构的总体平衡方程
[K]i{Δδ}i={ΔF}i (4)
从上式求得的{Δδ}i即为在第i个时段内所产生的、按结构总体坐标系计算的节点位移增量的列向量。
(8) 通过坐标变换, 将{Δδ}i转换成按各单元局部坐标系计算的节点位移增量{Δδ}undefined, 将{Δδ}undefined代入式 (3) 求出由节点位移增量{Δδ}undefined所引起的单元杆端力增量{ΔF}undefined, 于是在第i个时段内产生的实际的杆端力增量为:
{ΔF}undefined={ΔF}undefined+{ΔF}undefined (5)
(9) 照上述步骤, 可求出已成结构全部单元在第i个时段内由收缩徐变产生的节点力增量和节点位移增量。以上述增量分别加到该时段开始时的节点位移及单元杆端力上, 即可得出本时段结束时, 亦即下一时段开始时各单元的节点位移和节点力的状态。据此, 即可进入下一时间间隔的计算。
这样, 从施工开始到任一时刻, 结构全部的节点位移和节点力状态均可逐一求得[3]。
2 算例分析
2.1 模型建立
石武客专北下行联络线特大桥 (48+80+48) m采用预应力混凝土变截面直腹板单箱单室箱梁, 全长176m。中支点处梁高为6.6m, 边支点处及跨中梁高3.8m, 全桥箱梁底板箱宽4.3m, 桥面板宽7.0m, 腹板厚度0.4～0.6m, 顶板厚度0.28～0.38m, 支点附近腹板、顶、底板局部加厚;箱梁在中支点处设置0.24m的横隔板, 梁端支座处设置1.2m的端横隔板, 跨中设置0.8m的横隔板。有限元模型离散化后全桥共划分为70个单元, 71个节点, 如图1所示。支座类型数2个, 将上部结构直接支座约束上, 所有支座竖向位移全约束, 没有转动约束, 约束一个主墩支座处的水平位移。
2.2 收缩徐变对结构线形的影响
2.2.1 相对湿度的影响分析
不同相对湿度对桥梁长期挠度的影响, 如图2 所示 (其中横坐标为桥梁各单元节点的位置) 。
按以下3种模式进行计算分析:Ⅰ相对湿度为80%;Ⅱ相对湿度为60%;Ⅲ相对湿度为40%。由图2可见, 桥梁的长期挠度随着相对湿度的减小而变大, 适当采取措施增加相对湿度可以减小桥梁的长期挠度值[4]。
2.2.2 加载龄期的影响分析
从图3可以看出, 桥梁中跨跨中挠度会随加载龄期的增大而减小, 挠度在加载龄期7天内变化急剧, 7天后变化缓慢, 因此, 建议最好不要随便缩短加载龄期, 从而影响桥梁的长期挠度。
2.2.3 徐变天数的影响分析
徐变对桥梁线形的影响可以通过4个控制截面的挠度来反映, 各控制截面挠度随时间变化计算结果如下 (挠度位移向上为正, 向下为负) 。
从表1可以看出, 徐变对桥梁结构挠度的影响如下:
①各控制截面早期挠度随时间变化大, 以后逐渐趋于稳定。这与混凝土构件加载早期徐变变形大, 以后逐渐减小, 最后趋于稳定的规律是相符的。
②各控制截面挠度在徐变作用下的变化趋势与恒载作用下是相同的。边跨跨中在恒载作用下有向上的挠度, 徐变使得边跨向上的挠度增大;中跨跨中在恒载作用下有向下的挠度, 徐变使得向下的挠度增加。因此, 徐变使得桥梁变形增大, 这对结构是不利的。
③从变化的数量上来看, 中跨跨中较为明显, 二期恒载上桥后, 跨中挠度仅为13.752mm, 在桥梁投入运营约20年后, 跨中挠度达到15.1mm, 挠度增加1.348mm。
2.3 收缩徐变对结构内力的影响
收缩徐变对内力的影响可以分为两个方面:一是收缩徐变会导致预应力混凝土桥梁的预应力损失, 改变单元的预加力, 这也是导致桥梁挠度发生重大变化的主要原因;二是对于超静定结构徐变会产生徐变次内力, 引起结构内力的重分布。由于受计算软件的限制, 不能给出独立的徐变次内力计算结果, 但可以通过研究包括收缩、徐变和预应力次内力的恒载内力来反映徐变影响。
从表2可以看出, 徐变对控制截面恒载弯矩的影响如下:
(1) 在恒载作用下, 随着时间的推移, 控制截面的弯矩不断增大, 徐变影响约5年后趋于稳定。
(2) 由以上数据分析可知, 徐变对四个控制截面的弯矩都有影响, 其中中跨跨中的影响最大, 因此徐变对该处的影响应特别重视。
3 结束语
(1) 在混凝土的养护阶段增大相对湿度, 可以减小长期挠度, 有利于保证桥梁的成桥线形。
(2) 在施工过程中缩短加载龄期, 将会造成桥梁结构的挠度明显增大, 这对结构是很不利的, 因此, 不能一味地由于工期紧而缩短混凝土加载龄期, 给工程带来不必要的影响。
(3) 各控制截面的挠度和内力早期随时间变化大, 以后逐渐趋于稳定。这与混凝土构件加载早期收缩、徐变变形大, 以后逐渐减小, 最后趋于稳定的规律是相符的。
(4) 算例分析表明, 收缩徐变对预应力混凝土连续梁桥内力及变形的影响均不容忽视。
摘要：混凝土的收缩徐变是影响超静定结构的主要因素之一, 在大跨度桥梁的悬臂施工过程中必须加以控制。采用有限单元步进法, 通过对某大跨度预应力混凝土连续梁桥的收缩徐变分析, 可以很方便地计算出连续梁桥从施工到成桥以及成桥后任意时刻任意截面的内力与变形, 为箱梁桥的收缩徐变计算提供参考。
关键词：连续梁桥,收缩徐变,分析
参考文献
[1]顾安邦, 张永水.桥梁施工监测与控制[M].北京:机械工业出版社, 2005.
[2]范立础.桥梁工程[M].北京:人民交通出版社, 2001.
[3]李建斌, 石现峰.预应力混凝土连续梁桥的收缩徐变分析[J].石家庄铁道学院学报, 2003, 16 (2) :15-17.
[4]陈倩, 胡成.混凝土收缩和徐变对预应力连续梁桥的影响分析[J].工程与建设, 2009, 23 (2) :165-167.