混凝土收缩徐变

武汉理工大学

《高等桥梁结构理论》读书报告混凝土徐变收缩理论

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混凝土徐变收缩理论

1 概述

桥梁结构分析这门课程是研究生阶段的必修课，只有通过这门课的学习，我们才能对高等桥梁结构理论有所了解，摆脱本科阶段对桥梁设计和结构分析的困惑，也为我们以后的科学研究和参与实际项目做一些伏笔。该门课程中我们主要学习了薄壁箱梁剪力滞效应、混凝土的徐变、收缩及温度效应理论、混凝土的强度、裂缝及刚度理论以及结合梁和大跨径桥梁计算理论等知识点。本文主要为我对混凝土收缩徐变的一些理解和读书报告。

在20世纪初，混凝土的收缩徐变现象就被人们所发现，但是直到20世纪30代才引起人们的重视，开始对混凝土的收缩徐变展开研究。经过大半个世纪对混凝土收缩徐变的试验研究和理论分析，人们已经掌握了大量的资料和经验，对混凝土收缩徐变的认识以及其对结构的影响效应的分析方法得到了很大发展。目前为止，许多国家、组织都提出了关于混凝土收缩徐变效应的设计规范及计算理论和方法，但由于各国和组织对收缩徐变机理的认识有所不同，提出的混凝土收缩徐变计算表达式存在一定的差异，繁简各异，精度上也各不相同。因此，混凝土收缩徐变的理论以及计算方法仍然处在发展阶段，还需要大量的研究和探讨。

2 混凝土收缩徐变基本概念和理论

2.1 混凝土收缩徐变的定义

混凝土是以水泥为主要胶结材料，拌合一定比例的砂、石和水，有时还加入少量的添加剂，经过搅拌、注模、振捣、养护等工序后，逐渐凝固硬化而成的人工混合材料。各组成材料的成分、性质和相互比例，以及制备和硬化过程中各种条件和环境因素，都对混凝土的力学性能有不同程度的影响。所以，混凝土比其它单一性结构材料（如钢、木等）具有更为复杂多变的力学性能，但它却是工程中最常用的建筑材料之一。混凝土的收缩是指混凝土体内水泥凝胶体中游离水蒸发而使本身体积缩小的一种物理化学现象，它是一种不依赖于荷载而与时间、气候等因素有关的干燥变形。混凝土的收缩应变值超过其轴心受拉峰值应变 ）的 3～5 倍，成为其内部微裂缝和外表宏观裂缝发展的主要原因。混凝（

,t p

土的徐变是指在持续荷载作用下，混凝土结构变形将随时间增长而不断增加的现

象。徐变在加载初期发展较快，而后逐渐减慢，其延续时间可达数十年。混凝土结构在受拉、受压、受弯时都会产生徐变，并且最终趋于收敛的极限徐变变形一般要比瞬时弹性变形大 1～3 倍。因此，在混凝土结构设计中徐变是一个不可忽略的重要因素混凝土的收缩是指混凝土在硬化过程中所发生的体积变化。

2.2 混凝土收缩徐变对桥梁结构的影响

总的来说，收缩徐变对结构或构件的影响主要表现在以下几个方面：（1）结构在受压区的徐变和收缩将引起变形的增加；

（2）偏压柱由于徐变使弯矩增加，增大了初始偏心，降低其承载能力；

（3）预应力混凝土构件中，收缩和徐变导致预应力损失；

（4）结构构件表面，如为组合截面，收缩和徐变引起截面应力重分布；

（5）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。

混凝土的徐变、收缩及其对结构性能影响的预计和控制，是十分复杂又难以获得精确答案的问题。正如美国混凝土学会第209委员会1982年的报告所指出的那样，几乎所有影响徐变、收缩的因素，连同他们所产生的结果本身就是随机变量，它们的变异系数最好也要达到15%～20%左右.因此.对于一些特别重要的工程,应该通过模型试验或实物测量的方法来校核计算中随用的参数,以提高计算结果与实际接近程度.

2.3 影响徐变收缩的因素

混凝土的徐变是在应力作用下产生的，而混凝土收缩的产生则与应力无关。徐变、收缩虽各有自身的特点，但他们都可以与混凝土内水化水泥浆的特性联系起来。化学成分截然不同的水泥制造的混凝土，所反映的徐变、收缩性能并没有本质上的差异，这说明徐变、收缩的机理在于混凝土水化水泥浆的物理结构，而不在于水泥的化学性质。

关于混凝土收缩的原因及机理可归纳为：

（1）自发收缩：自发收缩是在没有水分转移下的收缩，是一种因水泥水化产生的固有收缩，其根本原因是由于水泥水化物的体积小于参与水化的水泥和水的体积。自发收缩对于普通混凝土而言，由于远小于干燥收缩对总缩量的影响，所以不予考虑，对于高强混凝土而言，由于具有较高的水泥含量，自生收缩对总缩量的影响较大，所以应予考虑。例如:早期水泥水化所产生的自生收缩，应予以考虑；

（2）干燥收缩：干燥收缩的原因是混凝土内部水分的散失，但是需要指出的是，干燥开始时自由水的损失是不会引起混凝土的收缩的，干燥收缩的主要原因是吸

附水的消失；

（3）碳化收缩：这是由混凝土中的水泥水化物与空气中的二氧化碳发生化学反应而产生的。

关于徐变的机理，美国混凝土学会209委员会在1972年的报告中将其分为：

（1）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；

（2）应力作用下，由于吸附水的渗流或层间水转动引起的紧缩；

（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产生的永久变形。

根据混凝土徐变收缩的机理及原因，影响混凝土徐变与收缩的因素主要包括构件性质（材料性质、构件几何性质、制造养护）、环境条件（温度、湿度、环境介质）和荷载条件（加载历史和荷载性质）。

3 混凝土收缩徐变计算理论

3.1 混凝土徐变计算理论

所谓徐变计算理论，就是如何把常荷载下徐变试验结果用到变应力作用下的结构构件徐变分析中去的理论，也就是混凝土结构构件在变应力作用下的徐变分析方法。徐变计算理论（方法）主要有有效模量法、老化理论（徐变率法）、弹性徐变理论（叠加法）、弹性老化理论（流动率法）、继效流动理论及龄期调整有效模量法。这些方法都假定徐变与应力关系是线性的，并都服从鲍尔茨曼（Boltzman ）叠加原理——到时间t 的变应力作用下的总应变()t ε为每一应力增量()στ∆引起的应变总和，即：

()()()0,t

t J t ττεσττ==∆∑

式中0τ为第一次加载龄期（天），(),J t τ为徐变函数 。

徐变函数的计算方法有很多种，不同理论计算的徐变函数不一样，计算出的应变也不一样，因而所得的徐变效应也不相同。实际中计算徐变的理论主要有有效模量法、老化理论、弹性徐变理论、按龄期调整的有效模量法。每种方法的优缺点如表1所示。