混凝土的收縮和徐變效應(yīng)分析

混凝土的收縮和徐變效應(yīng)分析

0混凝土收縮徐變模型長(zhǎng)期以來，國內(nèi)外許多專家和科學(xué)家對(duì)混凝土收縮進(jìn)行了長(zhǎng)期研究，并取得了重要成果。但是預(yù)計(jì)和控制混凝土的收縮和徐變及其對(duì)結(jié)構(gòu)物性能的影響仍然是十分復(fù)雜而又難以獲得精確答案的問題,國內(nèi)外不乏因?yàn)榛炷恋氖湛s和徐變影響結(jié)構(gòu)使用壽命、甚至造成工程事故的例子。CEB調(diào)查了大量混凝土懸臂梁橋的變形資料,部分橋梁在建造完成8~10年后撓度仍有明顯增長(zhǎng)趨勢(shì),這些橋梁的后期撓度增長(zhǎng)均由混凝土的收縮徐變效應(yīng)引起,所以研究混凝土收縮徐變對(duì)結(jié)構(gòu)的影響非常重要。在一般情況下,缺乏試驗(yàn)資料時(shí),混凝土收縮應(yīng)變效應(yīng)的分析更多的依賴于己有的收縮徐變預(yù)測(cè)模型。隨著研究的不斷深入,混凝土收縮和徐變的各種預(yù)測(cè)模型不斷被提出和更新,其中影響較大、應(yīng)用較廣泛的有CEB-FIP系列模型、ACI209系列模型、GL—2000模型、JTJ—85模型和JTGD62—2004模型等。這些模型基本上都是建立在實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上的經(jīng)驗(yàn)公式,由于實(shí)驗(yàn)室特定條件(恒溫、恒濕)的局限或研究者側(cè)重點(diǎn)的不同,不同的研究者提出的模型所考慮的影響因素也不盡相同,以這些結(jié)果作為依據(jù)確定的混凝土收縮徐變模型能否直接應(yīng)用于實(shí)際工程結(jié)構(gòu)的分析,須進(jìn)一步審視。為此,本文對(duì)比分析常用的各系列預(yù)測(cè)模型,并對(duì)混凝土收縮徐變效應(yīng)的主要影響因素進(jìn)行分析。1混凝土收縮徐變的基本理論1.1混凝土徐變和收縮的概念混凝土的收縮徐變是混凝土材料本身固有的特性,是混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)計(jì)算的一個(gè)重要內(nèi)容。對(duì)于橋梁結(jié)構(gòu)混凝土的收縮徐變計(jì)算更加重要,它對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)影響的時(shí)間跨度長(zhǎng),且與橋梁結(jié)構(gòu)形式、構(gòu)造截面組成方式以及施工方法等有關(guān)。混凝土徐變是指在混凝土中應(yīng)力保持不變的情況下混凝土的應(yīng)變隨時(shí)間增長(zhǎng)的現(xiàn)象。國內(nèi)外對(duì)混凝土徐變的分析存在各種不同的理論,考慮的具體因素也大不相同,采用了各自的計(jì)算模式。對(duì)于混凝土的徐變大小,通常采用徐變系數(shù)來描述?；炷潦湛s是其在非荷載作用因素下體積變化而產(chǎn)生的變形?；炷潦湛s的影響因素很多,變化幅度大,一般難以準(zhǔn)確定量。對(duì)于重大的大型混凝土結(jié)構(gòu),需要對(duì)混凝土收縮變形值進(jìn)行定量分析,有條件可以進(jìn)行混凝土試塊的短期收縮試驗(yàn),可以推斷其收縮變形極值,否則按照有關(guān)設(shè)計(jì)規(guī)范提供的計(jì)算公式和參數(shù)進(jìn)行計(jì)算?；炷恋氖湛s大小由收縮應(yīng)變來反映,通常采用收縮應(yīng)變終止時(shí)間函數(shù)的乘積。1.2混凝土收縮影響因素影響混凝土收縮徐變性能的因素很多,在混凝土制品設(shè)計(jì)制造及使用整個(gè)過程中所涉及的各因素都會(huì)對(duì)其產(chǎn)生影響。影響混凝土收縮的主要因素為結(jié)構(gòu)所處環(huán)境的相對(duì)濕度、混凝土成分和構(gòu)件的理論厚度等因素。而影響徐變的因素可分為內(nèi)部因素和外部因素2類。內(nèi)部因素主要指:水泥品種、水灰比、水泥用量、灰漿率、骨料、外加劑等;外部因素主要指:加荷齡期、加荷應(yīng)力、持荷時(shí)間、環(huán)境溫度、濕度、試件尺寸、碳化等。2混凝土收縮徐變長(zhǎng)期特性的預(yù)測(cè)當(dāng)前,預(yù)應(yīng)力混凝土橋梁收縮徐變效應(yīng)的分析取決于混凝土收縮應(yīng)變和徐變系數(shù)的確定,在工程實(shí)踐中往往直接選用已有的收縮徐變模型,或者根據(jù)已有混凝土試件的徐變?cè)囼?yàn)資料,對(duì)已有的模型進(jìn)行修正,以此來預(yù)測(cè)混凝土收縮徐變的長(zhǎng)期特性。國內(nèi)外學(xué)者已經(jīng)提出了較多的混凝土收縮徐變模型,其中應(yīng)用較多的有CEB-FIP系列模型、ACI209系列模型、GL—2000模型、JTJ—85模型和JTGD62—2004模型等。2.1混凝土的抗壓強(qiáng)度CEB-FIP(1990)模型建議的混凝土徐變系數(shù)的計(jì)算公式適用范圍為:應(yīng)力水平σc/fc(t0)<0.4,暴露在平均溫度5℃~30℃和平均相對(duì)濕度RH為40%~100%的環(huán)境中。該模型徐變函數(shù)φ(t,t0)表達(dá)式為式中:φ(∞,t0)為徐變系數(shù);t為計(jì)算考慮時(shí)刻的混凝土的齡期(d);t0為混凝土加載齡期(d);β(fc)為混凝土抗壓強(qiáng)度fc的參數(shù);β(t0)為加載齡期t0的參數(shù);φRH為取決于環(huán)境相對(duì)濕度的參數(shù);fc為混凝土的圓柱體抗壓強(qiáng)度(N/mm2);Ac為構(gòu)件的橫截面面積(mm2);u為與大氣接觸的截面周界長(zhǎng)度(mm);IRH為環(huán)境平均相對(duì)濕度值。徐變隨時(shí)間發(fā)展的系數(shù)βc(t-t0)為式中:βRH為年平均濕度相關(guān)系數(shù)。CEB-FIP(1990)模型建議的混凝土收縮計(jì)算公式適用范圍為:普通混凝土在正常溫度下,濕養(yǎng)護(hù)不超過14d,暴露在平均溫度5℃~30℃和平均相對(duì)濕度為40%~50%的環(huán)境中。該模型收縮應(yīng)變?chǔ)與s(t,ts)的表達(dá)式為式中:βsc取決于水泥品種:慢硬水泥取4,普通水泥和快硬水泥取5,快硬高強(qiáng)水泥取8;ts為開始收縮時(shí)的混凝土的齡期(d);βRH為參數(shù)。收縮應(yīng)變隨時(shí)間變化的系數(shù)βs(t-ts)取為2.2混凝土性能kACI模型徐變函數(shù)φ(t,t0)表達(dá)式為式中:t0≥7d;K1為混凝土的加載齡期影響系數(shù),K1=1.25t0-0.118;K2為環(huán)境相對(duì)濕度的影響系數(shù),K2=1.27-0.0067IRH(IRH>40%);K3為混凝土構(gòu)件平均厚度的影響系數(shù);K4為混凝土稠度的影響系數(shù),K4=0.82+0.0264S,S為新鮮混凝土的坍塌度(mm);K5為細(xì)骨料含量影響系數(shù),K5=0.88+0.0024f,f為細(xì)骨料(f<4.8mm)占總骨料分率;K6為空氣含量影響系數(shù),K6=0.46+0.09Ad≥1,Ad為新鮮混凝土中所含空氣的體積(%)。ACI模型收縮應(yīng)變表達(dá)式為式中:(εsh)max為應(yīng)變終值。2.3混凝土彈性模量GL—2000模型徐變函數(shù)φ(t,t0)表達(dá)式為式中:Ecmto為混凝土加載時(shí)的彈性模量(MPa);Ecm28為混凝土28d的彈性模量(MPa);φ28為徐變系數(shù);tc為混凝土開始干燥時(shí)的齡期,或者混凝土潮濕養(yǎng)護(hù)結(jié)束時(shí)的齡期(d);v/s為混凝土構(gòu)件體表比(mm)。該模型收縮應(yīng)變?chǔ)舠p表達(dá)式為式中:εshu為收縮應(yīng)變系數(shù);K為與水泥類型有關(guān)的系數(shù),對(duì)I類水泥取1.0,對(duì)Ⅱ類水泥取0.70,對(duì)Ⅲ類水泥取1.15;fcm28為混凝土齡期為28d時(shí)的圓柱體抗壓強(qiáng)度平均值(MPa)。2.4混凝土齡期的影響JTJ—85模型徐變函數(shù)表達(dá)式為式中:βd(t-t0)為隨時(shí)間而增長(zhǎng)的滯后彈性應(yīng)變;Rt/R∞為混凝土齡期為t時(shí)的強(qiáng)度與最終強(qiáng)度之比;φf為流塑系數(shù);φf1為依周圍環(huán)境而定的系數(shù);φf2為依理論厚度而定的系數(shù);βf(t)、βf(t0)為隨混凝土齡期而增長(zhǎng)的滯后塑性應(yīng)變,與理論厚度h有關(guān)。收縮應(yīng)變終值ε(t∞,t0)可采用規(guī)范(JTJ023—85)附表4.2的數(shù)值。2.5混凝土抗壓強(qiáng)度式中:φ0為名義徐變系數(shù);β(fcm)為強(qiáng)度等級(jí)C20~C50混凝土在28d時(shí)平均立方體抗壓強(qiáng)度fcm的參數(shù);fcm為強(qiáng)度等級(jí)C20~C50混凝土在28d時(shí)平均立方體抗壓強(qiáng)度(MPa);fcu,k為28d混凝土立方體抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值(MPa);h為構(gòu)件的理論厚度(mm);h0為100mm;t1為1d;fcmo為10MPa。該模型收縮應(yīng)變?chǔ)舠(t,t0)表達(dá)式為式中:ε0,s為名義收縮系數(shù);εs(fcu)為收縮應(yīng)變系數(shù);βs(t-t0)為收縮隨時(shí)間發(fā)展系數(shù)。3混凝土徐變系數(shù)和收縮應(yīng)變的變化規(guī)律混凝土收縮徐變對(duì)結(jié)構(gòu)的使用壽命影響非常大,如何合理選擇計(jì)算模型是關(guān)鍵。為了比較同等條件下,各預(yù)測(cè)模型的徐變系數(shù)和收縮應(yīng)變差異,計(jì)算參數(shù)選擇如下:混凝土的28d抗壓強(qiáng)度為5.5×104kN/m2,環(huán)境相對(duì)濕度70%,構(gòu)件理論厚度h=1m,水泥為普通硅酸鹽水泥,收縮開始時(shí)混凝土齡期為3d,加載齡期為10d。繪制各預(yù)測(cè)模型徐變系數(shù)和收縮應(yīng)變的變化規(guī)律如圖1所示。由圖1可見,JTJ—85模型10000d徐變系數(shù)比JTGD62模型大40%左右;JTJ—85模型認(rèn)為收縮應(yīng)變?cè)?000d達(dá)到終值,比較而言,JTJ—85模型對(duì)收縮徐變效應(yīng)計(jì)算偏于保守。JTGD62模型和CEB-FIP模型徐變系數(shù)和收縮應(yīng)變基本一致;ACI209模型的精度較差,低估了混凝土的收縮徐變效應(yīng)。這正如ACI209委員會(huì)1982報(bào)告所指出的那樣,該模型是為設(shè)計(jì)目的提出的一種簡(jiǎn)化方法,它們?cè)谌魏我饬x上都是不確定的。研究資料表明,CEB-FIP(1990)預(yù)測(cè)徐變函數(shù)的平均變異系數(shù)估算為20%。這種模型形式被《中國公路橋涵規(guī)范》(JTGD62—2004)所選用,同時(shí)法國標(biāo)準(zhǔn)化協(xié)會(huì)(AFNOR)編制的規(guī)范(AFNOR-1999)也采用了該種模型。4混凝土收縮傳染效應(yīng)的影響因素分析4.1合龍前表面伸長(zhǎng)混凝土構(gòu)件與大氣接觸的濕周周長(zhǎng)是影響理論厚度的重要參數(shù)。在橋梁合龍后,箱梁閉合室內(nèi)的空氣相對(duì)濕度變化較小,導(dǎo)致箱梁閉合室內(nèi)表面混凝土與其所接觸空氣間的水分交換速率有所減緩,因此,其理論厚度計(jì)算中的表面周長(zhǎng)應(yīng)有所折減,與合龍前應(yīng)有所區(qū)別。此外,橋面鋪裝層施工完后,使得箱梁頂板外表面與空氣間幾乎不存在水分的交換,其理論厚度發(fā)生顯著的變化,因此,對(duì)于合龍前和合龍后,本文采用的理論厚度計(jì)算式見下頁表1。在3種不同的理論厚度計(jì)算模式下,本文采用JTGD62—2004模型計(jì)算的混凝土收縮應(yīng)變和徐變系數(shù),如圖2所示。由圖2可看出,構(gòu)件理論厚度對(duì)混凝土收縮應(yīng)變比較敏感,A模式比C模式的收縮應(yīng)變終值大30%左右;而徐變系數(shù)對(duì)構(gòu)件理論厚度敏感度較小。因而,徐變系數(shù)和收縮應(yīng)變隨構(gòu)件與大氣接觸周長(zhǎng)增加而增大。4.2混凝土縮應(yīng)變加荷齡期是影響混凝土收縮徐變效應(yīng)的一個(gè)重要因素,對(duì)同樣截面的混凝土梁(各參數(shù)如前所述)的徐變系數(shù)和收縮應(yīng)變采用JTGD62-2004模型進(jìn)行計(jì)算,加荷齡期分別取為3、7、10、14、28d?；炷恋氖湛s與水灰比、溫度、濕度、集料、水灰比、配筋等因素相關(guān),與外荷載施加無關(guān)。而混凝土的徐變效應(yīng)隨著加荷齡期的增加而減小,當(dāng)加荷齡期由3d增加到28d時(shí),混凝土的的徐變效應(yīng)終值減小80%左右,如圖3所示。4.3濕度的影響徐變系數(shù)和收縮應(yīng)變?cè)贘TGD62—2004模型中已考慮了環(huán)境平均相對(duì)濕度的影響,對(duì)同樣截面的混凝土梁(各參數(shù)如前所述)的徐變系數(shù)和收縮應(yīng)變進(jìn)行計(jì)算,相對(duì)濕度分別取為50%、60%、70%、80%,分析結(jié)果如下頁圖4所示。由圖4可以看出,模型對(duì)環(huán)境平均相對(duì)濕度的比較敏感,當(dāng)環(huán)境平均相對(duì)濕度RH從50%升至80%時(shí),徐變系數(shù)減小近30%,而收縮應(yīng)變減小達(dá)50%。相比較而言,環(huán)境相對(duì)濕度變化對(duì)混凝土收縮效應(yīng)較徐變效應(yīng)更大。5混凝土的收縮動(dòng)態(tài)(1)JTJ—85模型10000d徐變系數(shù)比JTGD62模型大40%左右,JTJ—85模型認(rèn)為收縮應(yīng)變?cè)?000d達(dá)到終值,比較而言,JTJ—85模型對(duì)收縮徐變效應(yīng)計(jì)算偏于保守;JTGD62模型和CEB-FIP模型徐變系數(shù)和收縮應(yīng)變基本一致,ACI209模型的精度較差,低估了混凝土的收縮徐變效應(yīng)。(2)構(gòu)件理論厚度對(duì)混凝土收縮應(yīng)變比較敏感,而徐變系數(shù)對(duì)構(gòu)件理論厚度敏感度較小,因而,徐變系數(shù)和收縮應(yīng)變隨