混凝土收缩效应分析课件.ppt
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1、第第 6 章章 混凝土收缩徐变效应分析混凝土收缩徐变效应分析大跨度桥梁设计大跨度桥梁设计本章的主要内容本章的主要内容l 6.1 混凝土收缩徐变的基本概念混凝土收缩徐变的基本概念l 6.2 徐变系数模型与徐变理论徐变系数模型与徐变理论l 6.3 徐变应力应变关系徐变应力应变关系l 6.4 基于位移法的混凝土徐变效应分析基于位移法的混凝土徐变效应分析l 6.5 混凝土的收缩效应混凝土的收缩效应 6.1 混凝土收缩徐变的基本概念混凝土收缩徐变的基本概念6.1.1 混凝土收缩徐变基本概念混凝土收缩徐变基本概念u徐变:徐变:指混凝土结构在长期荷载作用下,混凝土的变形随时指混凝土结构在长期荷载作用下,混凝
2、土的变形随时间增长的现象。间增长的现象。结构徐变变形可达弹性变形的结构徐变变形可达弹性变形的1.53倍以上。倍以上。u收缩:收缩:指由于水泥浆的凝缩和因环境干燥所产生的干缩现象。指由于水泥浆的凝缩和因环境干燥所产生的干缩现象。混凝土徐变混凝土徐变混凝土收缩混凝土收缩 徐变、收缩徐变、收缩是混凝土这种粘弹性材料的基本特是混凝土这种粘弹性材料的基本特性之一,它不但性之一,它不但对桥梁结构影响大对桥梁结构影响大,而且,而且持续的时持续的时间长间长,且其,且其变化过程复杂变化过程复杂,不易把握。,不易把握。6.1 混凝土收缩徐变的基本概念混凝土收缩徐变的基本概念6.1.1 混凝土收缩徐变基本概念混凝土
3、收缩徐变基本概念u短柱加载至卸载的变形过短柱加载至卸载的变形过程:程:(1)加载时,产生瞬时弹)加载时,产生瞬时弹性应变性应变 。(2)混凝土随时间增长的)混凝土随时间增长的一直存在收缩应变一直存在收缩应变 。(3)长期荷载作用下,随)长期荷载作用下,随时间增长的附加应变,即时间增长的附加应变,即徐变徐变 。混凝土混凝土总应变总应变徐变内力徐变内力1)两根悬臂梁)两根悬臂梁l均布荷载均布荷载q作用下作用下 M根根=-ql2/2,M悬臂端悬臂端=0l随随 t 增长,混凝土徐变发生增长,混凝土徐变发生影响,悬臂端将发生向下的影响,悬臂端将发生向下的竖向挠度竖向挠度t 和转角和转角t;l静定结构变形
4、不受约束,变静定结构变形不受约束,变形不产生内力,徐变完成后形不产生内力,徐变完成后其内力图不发生变化,徐变其内力图不发生变化,徐变前后弯矩图不变。前后弯矩图不变。6.1 混凝土收缩徐变的基本概念混凝土收缩徐变的基本概念6.1.1 混凝土收缩徐变基本概念混凝土收缩徐变基本概念徐变内力徐变内力2)合龙后的固定梁)合龙后的固定梁l两根悬臂梁瞬时变形完成后,两根悬臂梁瞬时变形完成后,将合龙段钢筋焊接,浇筑混凝将合龙段钢筋焊接,浇筑混凝土,形成固定梁。土,形成固定梁。l混凝土徐变使固定梁跨中发生混凝土徐变使固定梁跨中发生挠度挠度t,由于结构对称性,由于结构对称性,转角转角t=0l原两根悬臂梁端部的转角
5、变形原两根悬臂梁端部的转角变形受到约束,跨中截面产生附加受到约束,跨中截面产生附加弯矩弯矩Mt,固定端弯矩减小。,固定端弯矩减小。6.1 混凝土收缩徐变的基本概念混凝土收缩徐变的基本概念6.1.1 混凝土收缩徐变基本概念混凝土收缩徐变基本概念 6.1 混凝土收缩徐变的基本概念混凝土收缩徐变的基本概念6.1.2 混凝土收缩徐变的机理及其影响因素混凝土收缩徐变的机理及其影响因素(1)收缩机理)收缩机理 1)自发收缩:水泥水化作用(小)自发收缩:水泥水化作用(小)2)干燥收缩:内部吸附水蒸发)干燥收缩:内部吸附水蒸发(大大)3)碳化收缩:水泥水化物与)碳化收缩:水泥水化物与CO2反应反应(2)徐变机
6、理)徐变机理(ACI209,1972)1)在应力和吸附水层润滑的作用下,水泥胶凝体的)在应力和吸附水层润滑的作用下,水泥胶凝体的滑动或剪切产生的粘稠变形;滑动或剪切产生的粘稠变形;2)应力作用下,由于吸附水的渗流或层间水转动引)应力作用下,由于吸附水的渗流或层间水转动引起的紧缩;起的紧缩;3)水泥胶凝体对骨架弹性变形的约束作用所引起的)水泥胶凝体对骨架弹性变形的约束作用所引起的滞后弹性应变;滞后弹性应变;4)局部发生微裂、结晶破坏及重新结晶与新的连结所)局部发生微裂、结晶破坏及重新结晶与新的连结所产生的永久变形。产生的永久变形。6.1 混凝土收缩徐变的基本概念混凝土收缩徐变的基本概念6.1.2
7、 混凝土收缩徐变的机理及其影响因素混凝土收缩徐变的机理及其影响因素收缩徐变影响因素主要包括:收缩徐变影响因素主要包括:1)混凝土的组成材料及配合比;混凝土的组成材料及配合比;2)混凝土的龄期;混凝土的龄期;3)应力的大小和性质;应力的大小和性质;4)构件周围环境的温度、湿度、养护条件;构件周围环境的温度、湿度、养护条件;5)构件的截面面积构件的截面面积 6)混凝土碳化等。混凝土碳化等。6.1 混凝土收缩徐变的基本概念混凝土收缩徐变的基本概念6.1.2 混凝土收缩徐变的机理及其影响因素混凝土收缩徐变的机理及其影响因素混凝土收缩徐变对桥梁结构的影响:混凝土收缩徐变对桥梁结构的影响:(1)结构在受压
8、区的徐变将引起变形的增加;)结构在受压区的徐变将引起变形的增加;(2)偏压柱由于徐变使弯矩增加,增大了初始偏心,降)偏压柱由于徐变使弯矩增加,增大了初始偏心,降低其承载能力;低其承载能力;(3)预应力混凝土构件中,徐变导致预应力损失;)预应力混凝土构件中,徐变导致预应力损失;(4)结构构件表面,如为组合截面,徐变引起截面应力)结构构件表面,如为组合截面,徐变引起截面应力重分布;重分布;(5)超静定结构,引起内力重分布。)超静定结构,引起内力重分布。(6)收缩使较厚构件的表面开裂。)收缩使较厚构件的表面开裂。6.2 徐变系数模型与徐变理论徐变系数模型与徐变理论6.2.1 徐变系数的定义徐变系数的
9、定义1)线性徐变)线性徐变 徐变应变徐变应变 c与弹性应变与弹性应变 e成线性关系,其比例系数为成线性关系,其比例系数为徐变徐变系数系数,它与持续应力的大小无关。,它与持续应力的大小无关。即:徐变系数是从加载即:徐变系数是从加载龄期龄期 到某时刻到某时刻t,徐变应变值与弹性应变值之比。,徐变应变值与弹性应变值之比。(t,)=c/e 徐变度:徐变度:c=/E 适用性:桥梁结构中,混凝土的使用应力一般不超过其适用性:桥梁结构中,混凝土的使用应力一般不超过其极限强度的极限强度的4050%,试验发现,当混凝土柱体应力不大于,试验发现,当混凝土柱体应力不大于0.5fck时,徐变变形与弹性变形之比与应力大
10、小无关的假定是时,徐变变形与弹性变形之比与应力大小无关的假定是成立的。成立的。混凝土的徐变大小,通常采用徐变系数混凝土的徐变大小,通常采用徐变系数(t,)来描述。目前来描述。目前国际上对徐变系数有多种不同的定义。国际上对徐变系数有多种不同的定义。徐变应变:徐变应变:单位长度的徐变变形单位长度的徐变变形称为徐变应变称为徐变应变c。瞬时应变:瞬时应变:瞬时应变又称弹性应变瞬时应变又称弹性应变e。长期荷载作用下,结构在弹长期荷载作用下,结构在弹性变形性变形e 以后,随时间增以后,随时间增长而持续产生的那部分变形长而持续产生的那部分变形量量c,称为,称为徐变变形徐变变形。6.2 徐变系数模型与徐变理论
11、徐变系数模型与徐变理论6.2.1 徐变系数的定义徐变系数的定义 6.2 徐变系数模型与徐变理论徐变系数模型与徐变理论6.2.1 徐变系数的定义徐变系数的定义 2)令时刻)令时刻 开始作用于混凝土的单轴向常应力开始作用于混凝土的单轴向常应力s s()至时至时刻刻t所产生的徐变应变为所产生的徐变应变为 c(t,),该种,该种徐变系数徐变系数采用混凝土采用混凝土28d龄期的瞬时弹性应变定义,即龄期的瞬时弹性应变定义,即:CEB-FIP标准规范(标准规范(1978及及1990)及英国)及英国BS5400(1984)均采用这种定义方式。均采用这种定义方式。3)徐变系数的另一种定义徐变系数的另一种定义为为
12、:这一定义是美国这一定义是美国ACI209委员会报告(委员会报告(1982)所建议的。)所建议的。),()(),(28stEtc),()()(),(stEtc 6.2 徐变系数模型与徐变理论徐变系数模型与徐变理论6.2.1 徐变系数的定义徐变系数的定义 4)从时刻)从时刻 开始对混凝土作用轴向单位常应力,在时开始对混凝土作用轴向单位常应力,在时刻刻t产生的总应变,一般称为徐变函数产生的总应变,一般称为徐变函数Jc(t,),徐变函数可表,徐变函数可表示为示为:6.2 徐变系数模型与徐变理论徐变系数模型与徐变理论6.2.2 徐变系数的数学表达式徐变系数的数学表达式 国内外对混凝土徐变的分析存在不同
13、的理论,考虑的国内外对混凝土徐变的分析存在不同的理论,考虑的因素不尽相同,采用的计算模式也各不相同。因素不尽相同,采用的计算模式也各不相同。1)将徐变系数表达为一系列系数的乘积,每一个系数表)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,如英国示一个影响徐变值的重要因素,如英国BS5400(1984)、)、美国美国ACI2019(1982)等。)等。2)将徐变系数表达为若干个性质互异的分项系数之和,)将徐变系数表达为若干个性质互异的分项系数之和,如如CEB-FIP(1978)、我国桥梁规范等。、我国桥梁规范等。徐变系数徐变系数 徐变系数计算徐变系数计算较为复杂,与加
14、载较为复杂,与加载龄期龄期t0、材料性质、材料性质、构件尺寸、环境湿构件尺寸、环境湿度等因素相关。度等因素相关。04桥规中的徐变桥规中的徐变系数计算公式见右。系数计算公式见右。6.2 徐变系数模型与徐变理论徐变系数模型与徐变理论6.2.2 徐变系数的数学表达式徐变系数的数学表达式 6.2 徐变系数模型与徐变理论徐变系数模型与徐变理论6.2.2 徐变系数的数学表达式徐变系数的数学表达式规律表明,推迟混凝土加载龄期,加强混凝土保湿养护,提高规律表明,推迟混凝土加载龄期,加强混凝土保湿养护,提高混凝土强度等级,可以减小徐变对结构的影响。混凝土强度等级,可以减小徐变对结构的影响。6.2 徐变系数模型与
15、徐变理论徐变系数模型与徐变理论6.2.2 徐变系数的数学表达式徐变系数的数学表达式混凝土徐变早混凝土徐变早期发展非常迅期发展非常迅速,后期较为速,后期较为平缓。平缓。半年可半年可完成完成60%左右,左右,3年达年达90%左右,左右,10年达年达95%,基本完成徐变基本完成徐变过程。因此,过程。因此,设计中一般计设计中一般计算终止时间取算终止时间取为为10年。年。p P142,例例6.2-1 6.2 徐变系数模型与徐变理论徐变系数模型与徐变理论6.2.3 偏重理论的徐变数学表达式偏重理论的徐变数学表达式 为便于理论分析,以试验为依据,经过适当假设,提出理为便于理论分析,以试验为依据,经过适当假设
16、,提出理论上的徐变计算公式。论上的徐变计算公式。一般从以下两方面来讨论:一般从以下两方面来讨论:1)加载龄期)加载龄期 与徐变系数与徐变系数 (t,)的关系的关系 根据对加载龄期根据对加载龄期 与徐变系数与徐变系数 (t,)的关系的不同假定,可的关系的不同假定,可以得出三大理论:老化理论,先天理论和混合理论。以得出三大理论:老化理论,先天理论和混合理论。2)徐变基本曲线的函数)徐变基本曲线的函数(t,0)在假定加载龄期在假定加载龄期 与徐变系数与徐变系数 (t,)的关系时,需要预先知的关系时,需要预先知道当道当 =0时的徐变系数曲线,即时的徐变系数曲线,即(t,0)。目前,徐变基本曲线的函数目
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