混凝土的收縮和徐變效應分析

0混凝土收縮徐變模型長期以來，國內外許多專家和科學家對混凝土收縮進行了長期研究，并取得了重要成果。但是預計和控制混凝土的收縮和徐變及其對結構物性能的影響仍然是十分復雜而又難以獲得精確答案的問題,國內外不乏因為混凝土的收縮和徐變影響結構使用壽命、甚至造成工程事故的例子。CEB調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趨勢,這些橋梁的后期撓度增長均由混凝土的收縮徐變效應引起,所以研究混凝土收縮徐變對結構的影響非常重要。在一般情況下,缺乏試驗資料時,混凝土收縮應變效應的分析更多的依賴于己有的收縮徐變預測模型。隨著研究的不斷深入,混凝土收縮和徐變的各種預測模型不斷被提出和更新,其中影響較大、應用較廣泛的有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驗室試驗數據基礎上的經驗公式,由于實驗室特定條件(恒溫、恒濕)的局限或研究者側重點的不同,不同的研究者提出的模型所考慮的影響因素也不盡相同,以這些結果作為依據確定的混凝土收縮徐變模型能否直接應用于實際工程結構的分析,須進一步審視。為此,本文對比分析常用的各系列預測模型,并對混凝土收縮徐變效應的主要影響因素進行分析。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,是混凝土結構設計計算的一個重要內容。對于橋梁結構混凝土的收縮徐變計算更加重要,它對橋梁結構影響的時間跨度長,且與橋梁結構形式、構造截面組成方式以及施工方法等有關。混凝土徐變是指在混凝土中應力保持不變的情況下混凝土的應變隨時間增長的現象。國內外對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,采用了各自的計算模式。對于混凝土的徐變大小,通常采用徐變系數來描述?；炷潦湛s是其在非荷載作用因素下體積變化而產生的變形。混凝土收縮的影響因素很多,變化幅度大,一般難以準確定量。對于重大的大型混凝土結構,需要對混凝土收縮變形值進行定量分析,有條件可以進行混凝土試塊的短期收縮試驗,可以推斷其收縮變形極值,否則按照有關設計規范提供的計算公式和參數進行計算?；炷恋氖湛s大小由收縮應變來反映,通常采用收縮應變終止時間函數的乘積。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,在混凝土制品設計制造及使用整個過程中所涉及的各因素都會對其產生影響。影響混凝土收縮的主要因素為結構所處環境的相對濕度、混凝土成分和構件的理論厚度等因素。而影響徐變的因素可分為內部因素和外部因素2類。內部因素主要指: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、加荷應力、持荷時間、環境溫度、濕度、試件尺寸、碳化等。2混凝土收縮徐變長期特性的預測當前,預應力混凝土橋梁收縮徐變效應的分析取決于混凝土收縮應變和徐變系數的確定,在工程實踐中往往直接選用已有的收縮徐變模型,或者根據已有混凝土試件的徐變試驗資料,對已有的模型進行修正,以此來預測混凝土收縮徐變的長期特性。國內外學者已經提出了較多的混凝土收縮徐變模型,其中應用較多的有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混凝土的抗壓強度CEB-FIP(1990)模型建議的混凝土徐變系數的計算公式適用范圍為:應力水平σc/fc(t0)<0.4,暴露在平均溫度5℃~30℃和平均相對濕度RH為40%~100%的環境中。該模型徐變函數φ(t,t0)表達式為式中:φ(∞,t0)為徐變系數;t為計算考慮時刻的混凝土的齡期(d);t0為混凝土加載齡期(d);β(fc)為混凝土抗壓強度fc的參數;β(t0)為加載齡期t0的參數;φRH為取決于環境相對濕度的參數;fc為混凝土的圓柱體抗壓強度(N/mm2);Ac為構件的橫截面面積(mm2);u為與大氣接觸的截面周界長度(mm);IRH為環境平均相對濕度值。徐變隨時間發展的系數βc(t-t0)為式中:βRH為年平均濕度相關系數。CEB-FIP(1990)模型建議的混凝土收縮計算公式適用范圍為:普通混凝土在正常溫度下,濕養護不超過14d,暴露在平均溫度5℃~30℃和平均相對濕度為40%~50%的環境中。該模型收縮應變εcs(t,ts)的表達式為式中: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,快硬高強水泥取8;ts為開始收縮時的混凝土的齡期(d);βRH為參數。收縮應變隨時間變化的系數βs(t-ts)取為2.2混凝土性能kACI模型徐變函數φ(t,t0)表達式為式中:t0≥7d;K1為混凝土的加載齡期影響系數,K1=1.25t0-0.118;K2為環境相對濕度的影響系數,K2=1.27-0.0067IRH(IRH>40%);K3為混凝土構件平均厚度的影響系數;K4為混凝土稠度的影響系數,K4=0.82+0.0264S,S為新鮮混凝土的坍塌度(mm);K5為細骨料含量影響系數,K5=0.88+0.0024f,f為細骨料(f<4.8mm)占總骨料分率;K6為空氣含量影響系數,K6=0.46+0.09Ad≥1,Ad為新鮮混凝土中所含空氣的體積(%)。ACI模型收縮應變表達式為式中:(εsh)max為應變終值。2.3混凝土彈性模量GL—2000模型徐變函數φ(t,t0)表達式為式中:Ecmto為混凝土加載時的彈性模量(MPa);Ecm28為混凝土28d的彈性模量(MPa);φ28為徐變系數;tc為混凝土開始干燥時的齡期,或者混凝土潮濕養護結束時的齡期(d);v/s為混凝土構件體表比(mm)。該模型收縮應變εsp表達式為式中:εshu為收縮應變系數;K為與水泥類型有關的系數,對I類水泥取1.0,對Ⅱ類水泥取0.70,對Ⅲ類水泥取1.15;fcm28為混凝土齡期為28d時的圓柱體抗壓強度平均值(MPa)。2.4混凝土齡期的影響JTJ—85模型徐變函數表達式為式中:βd(t-t0)為隨時間而增長的滯后彈性應變;Rt/R∞為混凝土齡期為t時的強度與最終強度之比;φf為流塑系數;φf1為依周圍環境而定的系數;φf2為依理論厚度而定的系數;βf(t)、βf(t0)為隨混凝土齡期而增長的滯后塑性應變,與理論厚度h有關。收縮應變終值ε(t∞,t0)可采用規范(JTJ023—85)附表4.2的數值。2.5混凝土抗壓強度式中:φ0為名義徐變系數;β(fcm)為強度等級C20~C50混凝土在28d時平均立方體抗壓強度fcm的參數;fcm為強度等級C20~C50混凝土在28d時平均立方體抗壓強度(MPa);fcu,k為28d混凝土立方體抗壓強度標準值(MPa);h為構件的理論厚度(mm);h0為100mm;t1為1d;fcmo為10MPa。該模型收縮應變εs(t,t0)表達式為式中:ε0,s為名義收縮系數;εs(fcu)為收縮應變系數;βs(t-t0)為收縮隨時間發展系數。3混凝土徐變系數和收縮應變的變化規律混凝土收縮徐變對結構的使用壽命影響非常大,如何合理選擇計算模型是關鍵。為了比較同等條件下,各預測模型的徐變系數和收縮應變差異,計算參數選擇如下:混凝土的28d抗壓強度為5.5×104kN/m2,環境相對濕度70%,構件理論厚度h=1m,水泥為普通硅酸鹽水泥,收縮開始時混凝土齡期為3d,加載齡期為10d。繪制各預測模型徐變系數和收縮應變的變化規律如圖1所示。由圖1可見,JTJ—85模型10000d徐變系數比JTGD62模型大40%左右;JTJ—85模型認為收縮應變在2000d達到終值,比較而言,JTJ—85模型對收縮徐變效應計算偏于保守。JTGD62模型和CEB-FIP模型徐變系數和收縮應變基本一致;ACI209模型的精度較差,低估了混凝土的收縮徐變效應。這正如ACI209委員會1982報告所指出的那樣,該模型是為設計目的提出的一種簡化方法,它們在任何意義上都是不確定的。研究資料表明,CEB-FIP(1990)預測徐變函數的平均變異系數估算為20%。這種模型形式被《中國公路橋涵規范》(JTGD62—2004)所選用,同時法國標準化協會(AFNOR)編制的規范(AFNOR-1999)也采用了該種模型。4混凝土收縮傳染效應的影響因素分析4.1合龍前表面伸長混凝土構件與大氣接觸的濕周周長是影響理論厚度的重要參數。在橋梁合龍后,箱梁閉合室內的空氣相對濕度變化較小,導致箱梁閉合室內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,其理論厚度計算中的表面周長應有所折減,與合龍前應有所區別。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,其理論厚度發生顯著的變化,因此,對于合龍前和合龍后,本文采用的理論厚度計算式見下頁表1。在3種不同的理論厚度計算模式下,本文采用JTGD62—2004模型計算的混凝土收縮應變和徐變系數,如圖2所示。由圖2可看出,構件理論厚度對混凝土收縮應變比較敏感,A模式比C模式的收縮應變終值大30%左右;而徐變系數對構件理論厚度敏感度較小。因而,徐變系數和收縮應變隨構件與大氣接觸周長增加而增大。4.2混凝土縮應變加荷齡期是影響混凝土收縮徐變效應的一個重要因素,對同樣截面的混凝土梁(各參數如前所述)的徐變系數和收縮應變采用JTGD62-2004模型進行計算,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,與外荷載施加無關。而混凝土的徐變效應隨著加荷齡期的增加而減小,當加荷齡期由3d增加到28d時,混凝土的的徐變效應終值減小80%左右,如圖3所示。4.3濕度的影響徐變系數和收縮應變在JTGD62—2004模型中已考慮了環境平均相對濕度的影響,對同樣截面的混凝土梁(各參數如前所述)的徐變系數和收縮應變進行計算,相對濕度分別取為50%、60%、70%、80%,分析結果如下頁圖4所示。由圖4可以看出,模型對環境平均相對濕度的比較敏感,當環境平均相對濕度RH從50%升至80%時,徐變系數減小近30%,而收縮應變減小達50%。相比較而言,環境相對濕度變化對混凝土收縮效應較徐變效應更大。5混凝土的收縮動態(1)JTJ—85模型10000d徐變系數比JTGD62模型大40%左右,JTJ—85模型認為收縮應變在2000d達到終值,比較而言,JTJ—85模型對收縮徐變效應計算偏于保守;JTGD62模型和CEB-FIP模型徐變系數和收縮應變基本一致,ACI209模型的精度較差,低估了混凝土的收縮徐變效應。(2)構件理論厚度對混凝土收縮應變比較敏感,而徐變系數對構件理論厚度敏感度較小,因而,徐變系數和收縮應變隨