1、混凝土的徐變理論分析與測量 力學(xué)二班 1117030232 張文杰 徐變力學(xué)作為廣義的工程力學(xué)的一個分支，主要研究材料徐變性質(zhì)對結(jié)構(gòu)物和機械零件的強度，剛度和穩(wěn)定性影響的一門學(xué)科。許多工程材料在各種不同條件下都具有顯著的徐變和松弛性質(zhì)，一方面材料的徐變和應(yīng)力松弛有時嚴重影響結(jié)構(gòu)和機械的工作，另一方面它們也可以改善結(jié)構(gòu)的工作條件。因此研究徐變力學(xué)在工程中的應(yīng)用理論至關(guān)重要。金屬材料與混凝土是工程中徐變研究的重點，但兩者又有很大不同?；炷恋男熳冞^程受外加荷載、加載齡期、持荷時間、溫度、濕度等因素影響，徐變物理方程的建立較為復(fù)雜。一般金屬徐變過程與材料性質(zhì)、應(yīng)力水平和工作溫度有關(guān)；在常溫時徐變較小

2、，計算中可以忽略不計；而混凝土常溫時的徐變效應(yīng)較為顯著，不能忽略。徐變對混凝土有很大的影響，既有利又有害，它緩解混凝土局部應(yīng)力是有利的；給預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)帶來應(yīng)力損失，使混凝土和鋼筋應(yīng)力重新分布是有害的2。主要問題有：預(yù)應(yīng)力混凝土在徐變影響下的應(yīng)力損失問題；徐變對于大體積混凝土裂縫的影響；混凝土徐變力學(xué)行為的有限元分析；高強混凝土徐變力學(xué)實驗及理論研究；混凝土徐變機理和預(yù)測模型的分析研究等。由于運輸能力的需求及科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，現(xiàn)階段建設(shè)的橋梁越來越復(fù)雜，跨徑也越來越大，對于橋梁的要求也就越來越高，因此預(yù)應(yīng)力技術(shù)的應(yīng)用也越來越廣泛，徐變對預(yù)應(yīng)力橋梁的影響也就依時而生。對于預(yù)應(yīng)力混凝土橋梁而言，由于混凝

3、土徐變的時變性質(zhì)，預(yù)應(yīng)力混凝土橋梁的徐變效應(yīng)貫穿于橋梁建造至整個服役期，且其效應(yīng)依時而變。預(yù)應(yīng)力混凝土橋梁的徐變效應(yīng)主要體現(xiàn)于以下幾個方面：（1） 梁體中混凝土和鋼筋的應(yīng)力、應(yīng)變均隨時間而變化（2） 梁體的撓度或上拱度隨時間而變化（3） 超靜定體系梁發(fā)生體系轉(zhuǎn)換時所產(chǎn)生的徐變次內(nèi)力隨時間而變（4） 在持續(xù)荷載作用下，徐變降低了相對于該持續(xù)荷載而言的梁體剛度（5） 徐變影響梁體混凝土的開裂進程（6） 徐變影響梁體的脆性以下，我們著重對混凝土的徐變性能進行理論分析及測量。1 徐變分析一般而言，長期荷載作用下混凝土的變形包括基本徐變、干燥徐變和收縮三部分1，如圖1所示。當(dāng)混凝土置于不飽和空氣中時，混

4、凝土將因水分的散失而產(chǎn)生干縮現(xiàn)象，導(dǎo)致長期荷載作用下的混凝土產(chǎn)生Pickett效應(yīng)，即當(dāng)徐變和干縮同時發(fā)生時，其總變形要比相同條件下分別測得的徐變和干縮的總和要大?；拘熳儠r間應(yīng)變總徐變收縮名義彈性應(yīng)變干燥徐變真實彈性應(yīng)變圖 1 在持續(xù)荷載及干燥作用下混凝土的變形曲線就普通混凝土而言，其試驗多數(shù)是在混凝土邊干燥邊受荷的情況下進行。因此，普通混凝土的徐變通常包括基本徐變和干燥徐變兩部分?；拘熳兪侵富炷猎诿荛]條件下（與周圍介質(zhì)沒有濕度交換）受持續(xù)荷載作用產(chǎn)生的徐變，從總徐變中減去基本徐變后的部分稱為干燥徐變。由于方鋼管混凝土的核心混凝土被包圍在鋼管中，屬于比較理想的密閉環(huán)境，由上述定義，可以認

5、為方鋼管混凝土的核心混凝土徐變屬基本徐變，即不存在Pickett效應(yīng)。在徐變過程中，由于混凝土彈性模量隨齡期而增加，所以彈性變形逐漸減小。因此，嚴格地說，徐變應(yīng)看作是測定徐變時超過當(dāng)時彈性應(yīng)變的那個應(yīng)變。但不同齡期的彈性模量往往不進行測定，因此為簡化起見，通常就將徐變看作是超過初始彈性應(yīng)變的應(yīng)變增量。1.1 影響混凝土徐變主要因素1-5影響混凝土徐變的因素很多，但歸納起來不外乎內(nèi)部因素和外部因素兩種。（1）內(nèi)部因素。影響混凝土徐變的內(nèi)部因素有配筋、水泥品種、骨料含量和水灰比等?；炷列熳儎t與歷史應(yīng)力密不可分。由于鋼筋變形的時效性與混凝土不同，必然引起鋼筋和混凝土之間的附加力，進而對構(gòu)件變形產(chǎn)生

6、影響。構(gòu)件變形直接導(dǎo)致了在計算混凝土徐變時精確性降低，出現(xiàn)誤差。因此，為了盡可能精確地計算混凝土的徐變，就必須考慮鋼筋的影響。水泥品種對徐變的影響是就它對混凝土強度有影響這一點而言的。在早齡期加荷的情況下，混凝土隨齡期的增長其強度不斷提高，導(dǎo)致實際應(yīng)力比不斷下降，而不同品種的混凝土其強度增長規(guī)律并不一致，從而影響到混凝土徐變量的大小。同樣的情況是水泥細度對徐變產(chǎn)生的影響。關(guān)于水泥品種對收縮的影響目前看法并不一致，有些認為影響不大，有些則認為有較大影響。骨料的品種和含量對混凝土的徐變和收縮有一定的影響。骨料的彈性模量越高，徐變和收縮值會相應(yīng)降低。試驗結(jié)果表明，彈性模量低、孔隙率大的砂巖骨料混凝土

7、的徐變值可達彈性模量高、孔隙率小的石灰?guī)r骨料混凝土徐變值的2.35倍。另外，徐變隨骨料含量的增加而減小，這是由于混凝土的徐變主要源自于水泥漿體的變形，當(dāng)骨料的含量增加，相應(yīng)水泥漿體的含量就會減小，因而徐變也就減小?；炷了冶仁怯绊懶熳兊闹饕蛩刂?。水灰比大的混凝土，其單位體積的混凝土含水量增大，水泥顆粒間距大、孔隙多，毛細管孔徑大、質(zhì)松強度低，因而徐變也大。（2）外部因素。影響混凝土徐變的外部因素主要有加荷齡期、加荷應(yīng)力比（加荷應(yīng)力與混凝土強度之比）、持荷時間、環(huán)境相對濕度、結(jié)構(gòu)尺寸等。混凝土徐變隨加荷齡期的增長而減少。在早齡期，由于水泥水化正在進行，強度很低，徐變較大；隨著齡期的增長，水

8、泥不斷水化，強度也不斷提高，故晚齡期混凝土徐變較小?；炷列熳冸S加荷應(yīng)力比的增大而增大。當(dāng)應(yīng)力比小于0.4時，一般都假定徐變與應(yīng)力成正比（Davis-Glanville法則）；當(dāng)應(yīng)力比大于0.4時，徐變隨應(yīng)力比的增長而急劇增大，表現(xiàn)出明顯的非線性關(guān)系，因而混凝土的徐變可分為線性徐變和非線性徐變兩種。非線性徐變被認為是由于骨料與凝固水泥漿交界面上出現(xiàn)的微裂所致。目前混凝土的徐變研究以線性徐變?yōu)橹鳌；炷列熳冸S持荷時間的延長而增加?；炷列熳兛梢猿掷m(xù)非常長的時間，最長的測試資料表明，30年以后徐變?nèi)杂行×吭黾?，此后試驗因碳化作用的干擾而停止。一般假設(shè)，在荷載作用下經(jīng)無限長時間以后，徐變趨于其極限值

9、?；炷列熳冊鲩L的規(guī)律表明大部分徐變都在徐變開始后的12年內(nèi)完成，此后的徐變增長趨緩。對于普通素混凝土，若以持荷20年的徐變?yōu)闇?，則平均情況下持荷1年的徐變?yōu)槌趾?0年的76%，持荷3個月的徐變?yōu)槌趾?0年的55%。后期徐變和持荷1年徐變的比值如表1所示。表 1 普通素混凝土徐變隨持荷時間的變化情況1年2年5年10年20年30年1.001.141.201.261.331.36從以上數(shù)據(jù)可以看出，極限徐變?yōu)?年徐變的1.36倍以上，在一般計算中假定極限徐變?yōu)?年徐變的4/3。這種估算對早期加荷的混凝土徐變的誤差在±15%以內(nèi)。表1中的數(shù)據(jù)還表明，在正常工作應(yīng)力作用下，混凝土的徐變速率隨

10、時間的延長而不斷減小。但以上規(guī)律并不適用于高應(yīng)力作用下的情況，對于高應(yīng)力作用下的無約束素混凝土，試驗證明其變形速率隨時間的延長反而不斷增加，直至破壞。導(dǎo)致以上時間破壞的臨界應(yīng)力比，對于7天和28天齡期加荷，其值為0.85；對于180天齡期加荷，其值為0.96。后者值高是因為晚齡期加荷的混凝土徐變速率和總徐變都較小的緣故。有約束混凝土是否也存在臨界應(yīng)力比問題目前尚未見相關(guān)研究。在長期荷載作用下，當(dāng)混凝土不出現(xiàn)微裂時，混凝土強度通常隨齡期的增長而不斷提高。試驗證明在低應(yīng)力或中等水平應(yīng)力作用下，混凝土強度因齡期增長而提高的幅度可高達10%以上，其原因可能是荷載的作用加速了水泥水化，并使與荷載作用方向

11、垂直的微裂縫愈合，同時分子間的范德華力加大，使膠體顆粒更緊密所致。強度提高的大小與混凝土短期強度水平、持荷時間、應(yīng)力比及加載齡期等有關(guān)。但以上混凝土強度隨齡期的變化規(guī)律并不適用于高應(yīng)力比作用的情況。如前所述，在高應(yīng)力比作用下，無約束混凝土的非線性徐變將導(dǎo)致混凝土破壞（也即強度產(chǎn)生降低），在此破壞過程中，混凝土同時產(chǎn)生很大的橫向變形，混凝土內(nèi)部微裂縫的發(fā)展導(dǎo)致其徐變泊松比將超過0.5?？梢酝茰y，當(dāng)方鋼管混凝土在高軸壓比的長期荷載作用下，其核心混凝土也將發(fā)生非線性徐變變形，但由于混凝土的橫向變形受到鋼管的有效約束，因而其有可能不存在導(dǎo)致混凝土發(fā)生破壞的臨界應(yīng)力比，即使存在臨界應(yīng)力比，其值也將高于無

12、約束素混凝土的相應(yīng)值，這一點尚待有關(guān)試驗證實。普通混凝土徐變隨相對濕度的增加而減?。欢熳兯俾孰S相對濕度的降低而增大。這是因為混凝土加荷同時經(jīng)受干燥使其產(chǎn)生附加徐變¾¾干燥徐變。據(jù)此可以認為，只要加荷前試件的濕度與周圍環(huán)境相對濕度達到平衡（沒有濕度交換），那么相對濕度對徐變就沒有什么影響。對于普通混凝土，一般認為試件的尺寸越小，徐變越大。其原因有兩個：一是構(gòu)件尺寸小，混凝土中的水分蒸發(fā)快，導(dǎo)致產(chǎn)生附加的干燥徐變；另一個原因是構(gòu)件尺寸小，不能容納較大粒徑的顆粒，單位體積內(nèi)灰漿率增加，故徐變大。對于方鋼管混凝土試件，其核心混凝土處于密閉保水狀態(tài)，不存在水分從混凝土內(nèi)部蒸發(fā)出來的

13、問題。試件尺寸可能對方鋼管混凝土徐變產(chǎn)生影響將主要是以上第二個原因。1.2 混凝土的徐變機理在長期荷載作用下，混凝土中的骨料一般認為不產(chǎn)生徐變，徐變主要來自于水泥石。水泥石中有結(jié)晶連生體和凝膠體兩種基本結(jié)構(gòu)，另外還有少量粉碎的水泥熟料顆粒。解釋混凝土徐變機理的理論很多，一般都以上面水泥漿體的微觀結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)。這些理論主要有粘彈性理論、滲出理論、內(nèi)力平衡理論、粘性流動理論和微裂縫理論等，各種理論對徐變的解釋不盡相同，但以上理論中沒有任何一種能將徐變機理解釋得令人滿意，而將幾種理論結(jié)合起來解釋可能會得到令人比較滿意的結(jié)果，如可將徐變原因綜合為水分的遷移、凝膠微粒的滑動及微裂縫的發(fā)展等。雖然混凝土徐變

14、機理十分復(fù)雜，但在實際工程應(yīng)用中，工程師們更關(guān)心的是徐變對結(jié)構(gòu)的整體影響，這就需要建立起聯(lián)系徐變微觀機理和結(jié)構(gòu)宏觀反應(yīng)兩者之間橋梁的徐變計算模型。2、徐變測量21實驗原理：要測恒溫干燥下的混凝土徐變，須知總變形分兩大部分。一部分，受荷載下的變形（實驗試件），包括加荷載時的瞬時變形和隨加荷時間的延長產(chǎn)生的的徐變；另一部分是未受荷載的干縮變形（對比試件）。由此可以得出：徐變=總變形瞬時變形干縮變形。定義：依據(jù)規(guī)范GBJ82-85規(guī)定的試驗方法， 混凝土徐變與收縮試驗都屬于混凝土的長期耐久性的范疇。雖然它們都有各自的特點（ 如：徐變是在有荷載下的變形，收縮是無荷載下的變形），但它們又是緊密聯(lián)系的。徐

15、變和收縮的關(guān)系：徐變是在持續(xù)荷載作用下試件的變形值，在相同的條件下，經(jīng)過相同時間， 與收縮值之間的差值稱之為徐變變形。所以有= ；其中加荷t天后混凝土的徐變值；加荷時混凝土的瞬時變形值(mm)；加荷t天后混凝土的總變形值（mm）；混凝土試件標距(mm)；同齡期混凝土的收縮值。干縮值=，這里，t天后混凝土試件的長度值（mm）；混凝土試件的初始長度值（mm）；2.2實驗方案：由于在測定混凝土徐變的同時需要測定混凝土的收縮、抗壓強度、抗壓彈性模量等性能指標，所以制作徐變試件時應(yīng)同時制作相應(yīng)的棱柱體抗壓試件及收縮試件以供確定實驗荷載大小及測定收縮之用。根據(jù)普通混凝土力學(xué)性能試驗方法標準和普通混凝土長期

16、性能和耐久性能試驗方法標準中相關(guān)規(guī)定，決定用以下試件，每個指標取三次測定的平均值。三個徐變試件 ：100×100×515mm三個收縮試件：100×100×515mm三個棱柱體抗壓強度試件：150×150×300mm三個抗壓彈性模量試件：150×150×300mm三個立方體抗壓強度試件：150×150×150mm其中，測定彈性模量、立方體抗壓強度、棱柱體抗壓強度參考嗎普通混凝土力學(xué)性能試驗方法標準2.2.1測定混凝土立方體抗壓強度具體試驗步驟如下：（）試件從養(yǎng)護地點取出后應(yīng)及時進行試驗，將試件表面

17、與上下承壓板面擦干凈；（）將試件安放在試驗機的下壓板或墊板上，試件的承壓面應(yīng)與成型時的頂面垂直。試件的中心應(yīng)與試驗機下壓板中心對準，開動試驗機，當(dāng)上壓板與試件或鋼墊板接近時，調(diào)整球座，使接觸均衡；（）在試驗過程中應(yīng)連續(xù)均勻地加荷，混凝土強度等級時，加荷速度取每秒鐘；混凝土強度等級且時，取每秒鐘；混凝土強度等級時，取每秒鐘 ；（）當(dāng)試件接近破壞開始急劇變形時，應(yīng)停止調(diào)整試驗機油門，直至破壞。然后記錄破壞荷載。立方體抗壓強度試驗結(jié)果計算及確定按下列方法進行：（）混凝土立方體抗壓強度應(yīng)按下式計算：；其中混凝土立方體試件抗壓強度（MPa）； 破壞荷載(N)；試件承載面積()（）強度值的確定應(yīng)符合下列規(guī)

18、定：）三個試件測值的算術(shù)平均值作為該組試件的強度值（精確至）；）三個測值中的最大值或最小值中如有一個與中間值的差值超過中間值的時，則把最大及最小值一并舍除，取中間值作為該組試件的抗壓強度值；）如最大值和最小值與中間值的差均超過中間值的，則該組試件的試驗結(jié)果無效。2.2.2測定混凝土棱柱體抗壓強度（軸心抗壓強度）具體操作過程如下：（）試件從養(yǎng)護地點取出后應(yīng)及時進行試驗，用干毛巾將試件表面與上下承壓板面擦干凈。（）將試件直立放置在試驗機的下壓板或鋼墊板上，并使試件軸心與下壓板中心對準。（）開動試驗機，當(dāng)上壓板與試件或鋼墊板接近時，調(diào)整球座，使接觸均衡。（）應(yīng)連續(xù)均勻地加荷，混凝土強度等級時，加荷速

19、度取每秒鐘；混凝土強度等級且時，取每秒鐘；混凝土強度等級時，取每秒鐘；（）試件接近破壞而開始急劇變形時，應(yīng)停止調(diào)整試驗機油門，直至破壞。然后記錄破壞荷載。混凝土試件軸心抗壓強度應(yīng)按下式計算： 混凝土立方體試件抗壓強度（MPa）； 破壞荷載(N)；試件承載面積()2.2.3測定混凝土抗壓彈性模量靜力受壓彈性模量試驗步驟應(yīng)按下列方法進行（1）試件從養(yǎng)護地點取出后先將試件表面與上下承壓板面擦干凈；（2）取3個試件按本標準第7章的規(guī)定測定混凝土的軸心抗壓強度（上面試驗所示），3個試件用于測定混凝土的彈性模量；（3）在測定混凝土彈性模量時，變形測量儀應(yīng)安裝在試件兩側(cè)的中線上并對稱于試件的兩端；（4）應(yīng)仔

20、細調(diào)整試件在壓力試驗機上的位置，使其軸心與下壓板的中心線對準。開動壓力試驗機，當(dāng)上壓板與試件接近時調(diào)整球座使其接觸勻衡；（5）.加荷至基準應(yīng)力為0.5MPa的初始荷載值,保持恒載60s并在以后的30s內(nèi)記錄每測點的變形讀數(shù).應(yīng)立即連續(xù)均勻地加荷至應(yīng)力為軸心抗壓強度的1/3的荷載值，保持恒載60s并在以后的30s內(nèi)記錄每一測點的變形讀數(shù).（6）.當(dāng)以上這些變形值之差與它們平均值之比大于20%時，應(yīng)重新對中試件后重復(fù)本條第5款的試驗。如果無法使其減少到低于20%時，則此次試驗無效。（7）在確認試件對中符合本條第6款規(guī)定后以與加荷速度相同的速度卸荷至基準應(yīng)力0.5MPa()，恒載60s，然后用同樣的

21、加荷和卸荷速度以及60s的保持恒載（及）及至少進行兩次反復(fù)預(yù)壓。在最后一次預(yù)壓完成后在基準應(yīng)力0.5MPa()持荷60s并在以后30s內(nèi)記錄每一測點的變形讀數(shù)；再用同樣的加荷速度加荷至，持荷60s并在以后的30s內(nèi)記錄每一測點的變形讀數(shù)。（8）卸除變形測量儀，以同樣的速度加荷至破壞，記錄破壞荷載。如果試件的抗壓強度與之差超過的20%時，則應(yīng)在報告中注明?；炷翉椥阅Ａ吭囼灲Y(jié)果計算及確定按下列方法進行，其中式中混凝土彈性模量；應(yīng)力為軸心抗壓強度的1/3時的荷載（N）；應(yīng)力為0.5MPa時的初始荷載；試件承壓面積；最后一次從加菏至?xí)r，試件兩側(cè)的變形平均值（mm），=；測量標距； ，時試件兩側(cè)的變形

22、平均值（mm）； ，時試件兩側(cè)的變形平均值（mm）；彈性模量按3個試件測值的算術(shù)平均值計算，如果其中,有一個試件的軸心抗壓強度值與用以確定檢驗控制荷載的軸心抗壓強度值相差超過后者的20%時，則彈性模量值按另兩個試件測值的算術(shù)平均值計算；如有兩個試件超過上述規(guī)定時，則此次試驗無效。2.2.4干縮試驗 試驗儀器：SP540收縮膨脹儀試驗方法(1)測量前先用校準桿校正儀器零點，為了減少測試誤差，每一組試件在測定過程中至少復(fù)核1-2次（其中一次是在全部試件測試完畢后）。如復(fù)核時發(fā)現(xiàn)零點與原值偏差超過±0.01mm，調(diào)零后重新測定，以保證測試的準確性。（2）試件拆模后，立即測試試件初始長度，試

23、件中測頭的長度采用游標卡尺進行測量，一端測頭至少測試三次，以減小誤差。（3）試件每次在收縮儀上放置的位置和方向均應(yīng)保持一致。在試件上標明相應(yīng)記號。試件在放置和取出時應(yīng)輕穩(wěn)仔細，勿碰撞表架及表桿，如發(fā)生碰撞，則應(yīng)取下試件，重新用校準桿校準零點。干縮值=，這里，t天后混凝土試件的長度值（mm）；混凝土試件的初始長度值（mm）；混凝土試件標距(mm)；5.徐變試驗 試驗具體加載步驟如下：試件放好后，開始加荷。實驗時取徐變應(yīng)力為所測得的棱柱體抗壓強度的 40%。用千斤頂先加壓至徐變應(yīng)力的 20%進行對中。此時，兩側(cè)的變形相差應(yīng)小于其平均值的 10%，如超出此值，應(yīng)松開千斤頂，重新調(diào)整后，再加荷到徐變應(yīng)力的 20%，檢查對中的情況。對中完畢后，應(yīng)立即繼續(xù)加荷直到徐變應(yīng)力，讀出兩邊的變形值。此時，兩邊變形的平均值即為在徐