混凝土徐变对挠度的影响

2022-09-10

徐变是混凝土材料本身所固有的特性, 它是指在持续荷载作用下, 混凝土的应变随时间增长的现象。在长期荷载作用下, 混凝土体内水泥胶体微空隙中的游离水经毛细管里挤出并蒸发, 使胶体缩小形成了徐变。徐变应变是随时间的增长而增加的, 但其增加的速度又是随时间递减的。混凝土徐变可以持续非常长的时间, 一般在5~20年后其增长逐渐达到一个极限值, 但大部分徐变却在1~2年内完成。若以持荷20年的徐变为准, 则持荷1年的徐变约为持荷20年的76%。一般徐变变形比瞬时弹性变形大1~3倍, 在某些不利条件下还可能更大。由于混凝土徐变的时变性质, 预应力混凝土桥梁的徐变效应贯穿于桥梁建造时起至整个服役期, 且其效应依时而变。混凝土徐变不仅显著增加了桥梁的长期变形, 而且造成了预应力钢束的预应力损失, 从而对结构体系产生很大的影响。连续刚构桥作为典型的预应力混凝土桥梁, 混凝土徐变的效应在很大程度上影响着其长期服役性能, 而且成为制约其跨越能力的一大瓶颈。目前的研究表明:混凝土徐变是造成大跨度预应力混凝土梁桥跨中持续下挠的主要原因之一。因此, 充分估计和预测混凝土徐变的长期效应, 对桥梁的设计施工显得至关重要。

1 徐变计算理论及计算方法

1.1 徐变计算理论

混凝土的收缩、徐变是其材料本身所固有的变形性质, 其效应是一个关于时间的长期过程。对于预应力混凝土梁桥, 如果要推算收缩、徐变的长期效应, 则需通过假定的时间函数将短期徐变试验结果外延, 得到混凝土长期时效特性。但混凝土收缩、徐变试验工作量大、历时久, 即便是大型重要工程, 往往也缺乏试验资料。所以在实际的结构分析计算中, 设计者多借助于具有一定计算精度的计算模型。混凝土的徐变大小, 通常通过徐变系数来描述。目前国际上对徐变系数有两种不同的定义。一种徐变系数采用混凝土28天龄期的瞬时弹性应变定义, 令时刻开始作用于混凝土的单轴向应力至时刻t所产生的徐变为, 即:

CEB-FIP标准规范 (1978及1990年版) 及英国标准BS5400 (1984年版) 采用了这种定义。

另一种徐变系数采用龄期为的混凝土弹性应变来定义, 即:

这一定义是美国ACI委员会报告 (1982年版) 所建议的。该建议中, 混凝土的标准加载龄期, 对于潮湿养护的混凝土为7天, 对于蒸汽养护的混凝土为1~3天。

由此可见, 徐变系数是指加载时刻为的t时刻的徐变系数。同时可见, 只要已知弹性应变 (应力) 和徐变系数即不难求出总应变。故确定徐变系数则是关键问题之一。此外, 实际结构中, 各构件不可能是同一加载龄期的, 而大多情况下具有不同的加载龄期。这就必须研究徐变系数与加载龄期的关系 (即徐变理论) 和徐变系数在时间变量下的变化规律 (即徐变系数的数学模式) 。一般, 徐变系数的研究方法主要分为两个方面的内容:一为偏重试验的方法, 这种方法以试验为依据, 通过大量的试验总结出相应的经验公式。规范公式常属于此类, 计算结构与实际差别较小;一为偏重理论的方法, 这种方法以试验为依据, 作出一些假定, 以便于计算和分析。关于后者, 一般从加载龄期与徐变系数关系及徐变基本曲线的函数两个方面来讨论。各种文献中主要提及以下几种理论。

1.1.1 有效模量法

有效模量法又称先天理论, 是番勃 (O.Faber) 于1927年建立的一种近似的计算方法。该理论将徐变问题简化为弹性问题来处理, 即用弹性模量的降低来考虑混凝土徐变的影响, 进行弹性分析。

1.1.2 老化理论

老化理论又称徐变率法, 是格莱维尔 (W.H.Gianville) 于1930年创立的。该方法假定混凝土徐变曲线具有 (沿变形轴) “竖向平移”的性质, 也就是徐变速率与加荷龄期无关。

老化理论采用由下列一阶微分方程表示的徐变规律, 可以求出简单的解:

式中:E (t) 为混凝土龄期时t的弹性模量。

1.1.3 弹性徐变理论

弹性徐变理论又称迭加法。该理论以变形与应力之间成线形关系的假设为基础, 应力变化时的徐变变形可按相应应力增量引起的徐变变形总和来计算, 即:

式中各符号的含意同前。

迭加法的计算值与试验结果基本相符, 故该法在工程计算中得到广泛的应用。

1.2 徐变计算方法

虽然混凝土的收缩徐变机理没有被完全掌握, 但是过去的二十年间, 基于大量的收缩徐变试验数据的采集、计算机数据库的建立、计算统计程序的开发以及对于收缩徐变的化学物理过程的逐渐认识, 使进一步准确地认识、分析和预测收缩徐变成为可能。过去的二十年, 学者们提出了一系列混凝土收缩徐变的解析表达式, 这些函数由影响收缩徐变的各种内因与外因来估计。1982年, 美国土木工程师学会混凝土与圬工结构分会的钢筋混凝土有限元分析委员会编写了《钢筋混凝土有限元分析》技术现状报告, 其中对收缩徐变函数提出三个准则: (1) 该函数首先必须精确地拟合所考虑的这一类型混凝土的现有试验材料, 并且计及加载时的龄期, 温度及其变化, 环境湿度及其变化, 截面的尺寸和形态以及养护条件及其历时。 (2) 函数的待定系数应该比较容易的从现有的试验资料或经验数据来确定。 (3) 函数应该比较简单, 以使程序中的数值计算直接而有效。

目前, 工程界在建立或选用混凝土的收缩徐变模型时, 基本上服从上面的三个准则, 均是从影响混凝土收缩徐变的因素出发, 在大量试验数据的基础上, 利用概率统计等数学手段来筛选、识别、建立主要的影响参数。当前广泛采用的各个收缩徐变模型着重考虑的因素不尽相同, 总体归纳起来, 这些徐变的数学表达模型大致分为三种:一种是将徐变系数表达为一系列系数的乘积, 每一个系数表示一个影响徐变值的重要因素, 即乘积模式;另一种是将徐变系数表达为若干个性质互异的分项系数之和, 即和式模式;还有一种则是采用上述两种的混合形式, 称为混合模式。

乘积模式:英国规范BS5400 (1984版) , ACI209 (1982, 1992版) , CEB-FIP (1990版) , 我国的公路桥涵设计规范 (JTG D62—2004) 中的模型也采用了类似乘积的形式。

和式模式:CEB—FIP1978模型和我国的桥涵规范JTJ023—85中的模型。

混合模式:RILEM B3 (1995) 模型和BP模型。

1.3 模型建立

运用大型有限元程序桥梁博士对主桥结构进行了分析计算。计算程序采用桥梁博士3.03专用程序对结构进行离散, 结构由主梁、桥墩、桩基组成。结构计算简图如图1所示。全桥共198个单元200个节点。

边界条件为:墩底部固结, 交界墩按活动铰支座模拟。

内部主从约束:墩与梁采用主从约束模拟为刚臂连接。

2 我国桥涵规范徐变计算模型比较

在我国公路桥涵设计方面, 有两本规范对收缩徐变模型给出了明确规定, 即交通部在1985年颁布的《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范 (JTJ 023-85) 》 (以下简称85规范) 和2004年颁布《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范 (JTG D62-2004) 》 (以下简称04规范) 。

85规范中的徐变模型采用的是CEB-FIP1978模型, 徐变系数的计算采用滞后弹性变形 (可恢复的徐变) 和塑性变形 (不可恢复的徐变) 相加的表达式, 表示的是徐变系数随计算龄期增长而增长的规律, 同时计算表达式还是一个与环境湿度, 理论厚度, 加载龄期, 混凝土加载强度与最终强度之比四者有关的函数。04规范中的徐变模型采用的是C E B-F I P 1 9 9 0模型, 该模型与C E B-FIP1978模型相比, 存在较大的差异, 不再把徐变明确地分为滞后弹性变形和塑性变形, 其徐变系数的预测采用了由名义徐变系数与徐变随时间发展的函数系数的乘积来表示。该模型摒弃了CEB-FIP1978Z中对徐变的细分, 摒弃了将构件尺寸效应与环境湿度影响作为一个统一变量 (即理论厚度) 考虑, 增加考虑了徐变系数随混凝土强度提高而降低的规律, 通过修正加载龄期来考虑水泥品种及温度的影响。期计算表达式是一个与环境年平均相对湿度 (简称环境湿度, 下同) , 理论厚度, 加载龄期和混凝土抗压强度四者有关的函数, 表示出了徐变系数计算与85规范有所不同的量化规律。

3 模型计算分析

为了说明徐变系数的变化与混凝土梁桥挠度的关系, 即规范的改变对徐变产生的挠度的影响, 下面用同一模型按不同规范计算徐变对结构挠度的影响。如图2所示。

(相同条件下, 环境湿度为野外一般条件) 。

(相同条件下, 环境湿度为潮湿环境大气) 。

从图2~5可以得出如下结论: (1) 从图2、图3可以看出, 相同条件下, 环境湿度为野外一般条件时, 用85规范算出的徐变挠度都比用04规范算出的徐变挠度大。 (2) 从图4、图5可以看出, 相同条件下, 环境湿度为潮湿环境大气时, 用85规范算出的徐变挠度和用04规范算出的徐变挠度差别不大。

4 结语

(1) 对环境湿度为野外一般条件, 高标号混凝土构件而言, 按04规范计算得到的徐变系数要比85规范计算得到的徐变系数小;而且混凝土的标号越高, 两部规范计算得到的徐变系数相差越大。

(2) 对潮湿大气环境下的高标号的混凝土构件和潮湿大气环境下高强混凝土构件而言, 按04规范与85规范计算得到的徐变系数较为接近。对加载时间长 (大于3~5) 年的老龄混凝土构件, 85规范计算得到的徐变系数要稍大于04规范计算得到的徐变系数。对加载时间短 (小于3年) 的混凝土构件而言, 按两部规范计算得到的徐变系数相差很小。

(3) 通过模型计算可以看出不管采用那一种计算模式, 徐变对结构挠度的影响是勿庸置疑的。随着时间的推移, 徐变产生的挠度对结构影响也愈大。

摘要：通过对混凝土徐变的研究, 结合宜宾江安长江公路大桥, 运用大型有限元程序建立全桥模型, 模拟了混凝土徐变对其挠度的影响。

关键词：徐变,挠度,方法