工程徐变力学-课程小论文

1混凝土的徐变理论分析与测量—力学二班1117030232张文杰徐变力学作为广义的工程力学的一个分支，主要研究材料徐变性质对结构物和机械零件的强度，刚度和稳定性影响的一门学科。许多工程材料在各种不同条件下都具有显著的徐变和松弛性质，一方面材料的徐变和应力松弛有时严重影响结构和机械的工作，另一方面它们也可以改善结构的工作条件。因此研究徐变力学在工程中的应用理论至关重要。金属材料与混凝土是工程中徐变研究的重点，但两者又有很大不同。混凝土的徐变过程受外加荷载、加载龄期、持荷时间、温度、湿度等因素影响，徐变物理方程的建立较为复杂。一般金属徐变过程与材料性质、应力水平和工作温度有关；在常温时徐变较小，计算中可以忽略不计；而混凝土常温时的徐变效应较为显著，不能忽略。徐变对混凝土有很大的影响，既有利又有害，它缓解混凝土局部应力是有利的；给预应力结构带来应力损失，使混凝土和钢筋应力重新分布是有害的[2]。主要问题有：预应力混凝土在徐变影响下的应力损失问题；徐变对于大体积混凝土裂缝的影响；混凝土徐变力学行为的有限元分析；高强混凝土徐变力学实验及理论研究；混凝土徐变机理和预测模型的分析研究等。由于运输能力的需求及科学技术的发展，现阶段建设的桥梁越来越复杂，跨径也越来越大，对于桥梁的要求也就越来越高，因此预应力技术的应用也越来越广泛，徐变对预应力桥梁的影响也就依时而生。对于预应力混凝土桥梁而言，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至整个服役期，且其效应依时而变。预应力混凝土桥梁的徐变效应主要体现于以下几个方面：（1）梁体中混凝土和钢筋的应力、应变均随时间而变化（2）梁体的挠度或上拱度随时间而变化（3）超静定体系梁发生体系转换时所产生的徐变次内力随时间而变（4）在持续荷载作用下，徐变降低了相对于该持续荷载而言的梁体刚度2基本徐变时间应变总徐变收缩名义弹性应变干燥徐变真实弹性应变图1在持续荷载及干燥作用下混凝土的变形曲线（5）徐变影响梁体混凝土的开裂进程（6）徐变影响梁体的脆性以下，我们着重对混凝土的徐变性能进行理论分析及测量。1徐变分析一般而言，长期荷载作用下混凝土的变形包括基本徐变、干燥徐变和收缩三部分[1]，如图1所示。当混凝土置于不饱和空气中时，混凝土将因水分的散失而产生干缩现象，导致长期荷载作用下的混凝土产生Pickett效应，即当徐变和干缩同时发生时，其总变形要比相同条件下分别测得的徐变和干缩的总和要大。就普通混凝土而言，其试验多数是在混凝土边干燥边受荷的情况下进行。因此，普通混凝土的徐变通常包括基本徐变和干燥徐变两部分。基本徐变是指混凝土在密闭条件下（与周围介质没有湿度交换）受持续荷载作用产生的徐变，从总徐变中减去基本徐变后的部分称为干燥徐变。由于方钢管混凝土的核心混凝土被包围在钢管中，属于比较理想的密闭环境，由上述定义，可以认为方钢管混凝土的核心混凝土徐变属基本徐变，即不存在Pickett效应。在徐变过程中，由于混凝土弹性模量随龄期而增加，所以弹性变形逐渐减小。因此，严格地说，徐变应看作是测定徐变时超过当时弹性应变的那个应变。但不同龄期的弹性模量往往不进行测定，因此为简化起见，通常就将徐变看作是超过初始弹性应变的应变增量。1.1影响混凝土徐变主要因素[1-5]影响混凝土徐变的因素很多，但归纳起来不外乎内部因素和外部因素两种。（1）内部因素。影响混凝土徐变的内部因素有配筋、水泥品种、骨料含量和水灰比等。3混凝土徐变则与历史应力密不可分。由于钢筋变形的时效性与混凝土不同，必然引起钢筋和混凝土之间的附加力，进而对构件变形产生影响。构件变形直接导致了在计算混凝土徐变时精确性降低，出现误差。因此，为了尽可能精确地计算混凝土的徐变，就必须考虑钢筋的影响。水泥品种对徐变的影响是就它对混凝土强度有影响这一点而言的。在早龄期加荷的情况下，混凝土随龄期的增长其强度不断提高，导致实际应力比不断下降，而不同品种的混凝土其强度增长规律并不一致，从而影响到混凝土徐变量的大小。同样的情况是水泥细度对徐变产生的影响。关于水泥品种对收缩的影响目前看法并不一致，有些认为影响不大，有些则认为有较大影响。骨料的品种和含量对混凝土的徐变和收缩有一定的影响。骨料的弹性模量越高，徐变和收缩值会相应降低。试验结果表明，弹性模量低、孔隙率大的砂岩骨料混凝土的徐变值可达弹性模量高、孔隙率小的石灰岩骨料混凝土徐变值的2.3~5倍。另外，徐变随骨料含量的增加而减小，这是由于混凝土的徐变主要源自于水泥浆体的变形，当骨料的含量增加，相应水泥浆体的含量就会减小，因而徐变也就减小。混凝土水灰比是影响徐变的主要因素之一。水灰比大的混凝土，其单位体积的混凝土含水量增大，水泥颗粒间距大、孔隙多，毛细管孔径大、质松强度低，因而徐变也大。（2）外部因素。影响混凝土徐变的外部因素主要有加荷龄期、加荷应力比（加荷应力与混凝土强度之比）、持荷时间、环境相对湿度、结构尺寸等。混凝土徐变随加荷龄期的增长而减少。在早龄期，由于水泥水化正在进行，强度很低，徐变较大；随着龄期的增长，水泥不断水化，强度也不断提高，故晚龄期混凝土徐变较小。混凝土徐变随加荷应力比的增大而增大。当应力比小于0.4时，一般都假定徐变与应力成正比（Davis-Glanville法则）；当应力比大于0.4时，徐变随应力比的增长而急剧增大，表现出明显的非线性关系，因而混凝土的徐变可分为线性徐变和非线性徐变两种。非线性徐变被认为是由于骨料与凝固水泥浆交界面上出现的微裂所致。目前混凝土的徐变研究以线性徐变为主。4混凝土徐变随持荷时间的延长而增加。混凝土徐变可以持续非常长的时间，最长的测试资料表明，30年以后徐变仍有小量增加，此后试验因碳化作用的干扰而停止。一般假设，在荷载作用下经无限长时间以后，徐变趋于其极限值。混凝土徐变增长的规律表明大部分徐变都在徐变开始后的1~2年内完成，此后的徐变增长趋缓。对于普通素混凝土，若以持荷20年的徐变为准，则平均情况下持荷1年的徐变为持荷20年的76%，持荷3个月的徐变为持荷20年的55%。后期徐变和持荷1年徐变的比值如表1所示。表1普通素混凝土徐变随持荷时间的变化情况1年2年5年10年20年30年1.001.141.201.261.331.36从以上数据可以看出，极限徐变为1年徐变的1.36倍以上，在一般计算中假定极限徐变为1年徐变的4/3。这种估算对早期加荷的混凝土徐变的误差在±15%以内。表1中的数据还表明，在正常工作应力作用下，混凝土的徐变速率随时间的延长而不断减小。但以上规律并不适用于高应力作用下的情况，对于高应力作用下的无约束素混凝土，试验证明其变形速率随时间的延长反而不断增加，直至破坏。导致以上时间破坏的临界应力比，对于7天和28天龄期加荷，其值为0.85；对于180天龄期加荷，其值为0.96。后者值高是因为晚龄期加荷的混凝土徐变速率和总徐变都较小的缘故。有约束混凝土是否也存在临界应力比问题目前尚未见相关研究。在长期荷载作用下，当混凝土不出现微裂时，混凝土强度通常随龄期的增长而不断提高。试验证明在低应力或中等水平应力作用下，混凝土强度因龄期增长而提高的幅度可高达10%以上，其原因可能是荷载的作用加速了水泥水化，并使与荷载作用方向垂直的微裂缝愈合，同时分子间的范德华力加大，使胶体颗粒更紧密所致。强度提高的大小与混凝土短期强度水平、持荷时间、应力比及加载龄期等有关。但以上混凝土强度随龄期的变化规律并不适用于高应力比作用的情况。如前所述，在高应力比作用下，无约束混凝土的非线性徐变将导致混凝土破5坏（也即强度产生降低），在此破坏过程中，混凝土同时产生很大的横向变形，混凝土内部微裂缝的发展导致其徐变泊松比将超过0.5。可以推测，当方钢管混凝土在高轴压比的长期荷载作用下，其核心混凝土也将发生非线性徐变变形，但由于混凝土的横向变形受到钢管的有效约束，因而其有可能不存在导致混凝土发生破坏的临界应力比，即使存在临界应力比，其值也将高于无约束素混凝土的相应值，这一点尚待有关试验证实。普通混凝土徐变随相对湿度的增加而减小；而徐变速率随相对湿度的降低而增大。这是因为混凝土加荷同时经受干燥使其产生附加徐变干燥徐变。据此可以认为，只要加荷前试件的湿度与周围环境相对湿度达到平衡（没有湿度交换），那么相对湿度对徐变就没有什么影响。对于普通混凝土，一般认为试件的尺寸越小，徐变越大。其原因有两个：一是构件尺寸小，混凝土中的水分蒸发快，导致产生附加的干燥徐变；另一个原因是构件尺寸小，不能容纳较大粒径的颗粒，单位体积内灰浆率增加，故徐变大。对于方钢管混凝土试件，其核心混凝土处于密闭保水状态，不存在水分从混凝土内部蒸发出来的问题。试件尺寸可能对方钢管混凝土徐变产生影响将主要是以上第二个原因。1.2混凝土的徐变机理在长期荷载作用下，混凝土中的骨料一般认为不产生徐变，徐变主要来自于水泥石。水泥石中有结晶连生体和凝胶体两种基本结构，另外还有少量粉碎的水泥熟料颗粒。解释混凝土徐变机理的理论很多，一般都以上面水泥浆体的微观结构为基础。这些理论主要有粘弹性理论、渗出理论、内力平衡理论、粘性流动理论和微裂缝理论等，各种理论对徐变的解释不尽相同，但以上理论中没有任何一种能将徐变机理解释得令人满意，而将几种理论结合起来解释可能会得到令人比较满意的结果，如可将徐变原因综合为水分的迁移、凝胶微粒的滑动及微裂缝的发展等。虽然混凝土徐变机理十分复杂，但在实际工程应用中，工程师们更关心的是徐变对结构的整体影响，这就需要建立起联系徐变微观机理和结构宏观反应两者之间桥梁的徐变计算模型。62、徐变测量2．1实验原理：要测恒温干燥下的混凝土徐变，须知总变形分两大部分。一部分，受荷载下的变形（实验试件），包括加荷载时的瞬时变形和随加荷时间的延长产生的的徐变；另一部分是未受荷载的干缩变形（对比试件）。由此可以得出：徐变=总变形—瞬时变形—干缩变形。定义：依据规范GBJ82-85规定的试验方法，混凝土徐变与收缩试验都属于混凝土的长期耐久性的范畴。虽然它们都有各自的特点（如：徐变是在有荷载下的变形，收缩是无荷载下的变形），但它们又是紧密联系的。徐变和收缩的关系：徐变是在持续荷载作用下试件的变形值，在相同的条件下，经过相同时间，与收缩值之间的差值称之为徐变变形。所以有at=LLbt—LLb0—bt；其中at加荷t天后混凝土的徐变值；L0加荷时混凝土的瞬时变形值(mm)；Lt加荷t天后混凝土的总变形值（mm）；Lb混凝土试件标距(mm)；bt同龄期混凝土的收缩值。干缩值bt=LLLbt0，这里，Ltt天后混凝土试件的长度值（mm）；L0混凝土试件的初始长度值（mm）；2.2实验方案：由于在测定混凝土徐变的同时需要测定混凝土的收缩、抗压强度、抗压弹性模量等性能指标，所以制作徐变试件时应同时制作相应的棱柱体抗压试件及收缩试件以供确定实验荷载大小及测定收缩之用。根据《普通混凝土力学性能试验方法标准》和《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》中相关规定，决定用以下试件，每个指标取三次测定的平均值。7三个徐变试件：100×100×515mm三个收缩试件：100×100×515mm三个棱柱体抗压强度试件：150×150×300mm三个抗压弹性模量试件：150×150×300mm三个立方体抗压强度试件：150×150×150mm其中，测定弹性模量、立方体抗压强度、棱柱体抗压强度参考吗《普通混凝土力学性能试验方法标准》2.2.1测定混凝土立方体抗压强度具体试验步骤如下：（１）试件从养护地点取出后应及时进行试验，将试件表面与上下承压板面擦干净；（２）将试件安放在试验机的下压板或垫板上，试件的承压面应与成型时的顶面垂直。试件的中心应与试验机下压板中心对准，开动试验机，当上压板与试件或钢垫板接近时，调整球座，使接触均衡；（３）在试验过程中应连续均匀地加荷，混凝土强度等级＜Ｃ３０时，加荷速度取每秒钟０．３～０．５ＭＰａ；混凝土强度等级≥Ｃ３０且＜Ｃ６０时，取每秒钟０．５～０．８ＭＰａ；混凝土强度等级≥Ｃ６０时，取每秒钟０．８～１．０ＭＰａ；（４）当试件接近破坏