受约束混凝土早龄期温湿度应力计算

受约束混凝土早龄期温湿度应力计算

尤伟杰;王有志;谌菊红;安然;徐刚年

【摘要】为了探讨受混凝土受约束构件在干缩和温度变化影响下的早龄期应力变化规律及开裂风险,以受约束混凝土棱柱体构件为例,建立了混凝土受约束构件在湿度场和温度变化作用下早龄期收缩应力解析计算方法.采用松弛徐变系数法对混凝土徐变的影响作了修正,应用该模型对不同环境湿度、不同单日温度变化和不同约束三种情况的混凝土构件应力应变进行了计算分析.结果表明:约束度越大,应力越大,开裂风险越大;当环境湿度与混凝土内部湿度接近时,环境湿度对混凝土的应力应变影响最明显;单日温度骤降对4d龄期内的混凝土应力应变影响较为明显.因此,内外约束和环境湿度是影响构件早龄期应力变化的主要影响因素.%This study aimed to explore the change law of early-age stress and crack risk of concrete-constrained com-ponents under dry shrinkage and temperature.With a restrained concrete prism component as an example, a calcu-lation method for the early-age shrinkage stress of the restrained concrete components under the action of moisture field and temperature was developed.Relaxation and creepage coefficient were applied to revise the effect of con-crete creepage.The model was adopted for the calculation and analysis of the stress and strain of concrete compo-nents under different environmental humidity, temperature changes within a single day, and constraints.Results show that a high degree of restraint led to large stress and risk of cracking.When the moisture of the environment was close to the internal humidity of concrete, the greatest effects on the stress and strain of concrete were ob-served.A sudden decrease in temperature

within a single day apparently affected the stress and strain of concrete lying within the age of 4 days.Therefore, the inside and outside constraint conditions and environmental humidity were the main factors affecting stress changes in early age.

【期刊名称】《哈尔滨工程大学学报》

【年(卷),期】2018(039)001

【总页数】7页(P40-46)

【关键词】混凝土;差分方程;湿度场;湿度变形;温度应力;徐变系数;早龄期

【作者】尤伟杰;王有志;谌菊红;安然;徐刚年

【作者单位】山东大学土建与水利学院,山东济南250000;山东大学土建与水利学院,山东济南250000;四川建筑职业技术学院交通与市政工程系,四川德阳618000;山东大学土建与水利学院,山东济南250000;山东大学土建与水利学院,山东济南250000

【正文语种】中文

【中图分类】TU528

大量工程实践表明[1]，大部分的混凝土结构裂缝是由于温度、湿度变化或自身因素作用下产生的非荷载应力造成的。对于大体积混凝土，温度变形可能是导致早期开裂的主要原因，而对于中小体积特别是受到内外约束的板式、梁式构件，收缩变形和外部温度变化的综合作用是开裂的主要原因。Bazant等推导出扩散方程的差分格式，同时给出了扩散系数的解析计算方法[2]，为非线性扩散问题的研究提供

了重要思路。Kim等[3]测定了不同水灰比的密封混凝土试件和单面接触外界的混凝土试件早龄期内部相对湿度，并对相对湿度变化规律进行分析，发现低水灰比混凝土试件的自干燥引起的水分变化较高水灰比更为明显。Zhang等[4-5]根据Kelvin方程，从混凝土收缩的微观力学机理出发，基于毛细张力推导出湿度应变解析计算方法，建立了自身与干燥收缩一体化计算模型。康明[6]推导了混凝土配筋构件在端部约束和内部约束作用下的应力计算模型，可以对内外约束情况下得混凝土构件变形进行量化计算。综上，综合考虑温度、湿度及约束等因素影响下混凝土构件的非荷载应力的计算方法及影响因素的研究具有重要的实际意义。

本文首先根据Fick定律和Grank-Nicholson方法推导出二维湿度场计算模型，并利用Matlab编制二维湿度场计算程序。同时参考Zhang等[4-5]建立的湿度变形模型，结合变形协调条件，建立了构件在端部和内部约束情况下的应力计算方法，对混凝土受约束构件进行了该约束条件下的应力应变的解析计算，并分析不同环境温湿度条件及约束强度对早龄期应力应变的影响，也分析了构件早龄期突遇寒潮等温度骤降情况对应力应变的影响。

1 湿度变形计算

1.1 湿度分布的计算

由Fick第二定律和湿度守恒，可得混凝土试件湿度扩散方程[7]：

=div[D(H)grad Hd]+

(1)

式中：D(H)为水分传输系数，是相对湿度的函数；H为混凝土相对湿度值；Hd为混凝土水分扩散引起的相对湿度下降；Hs为水泥水化作用引起的相对湿度下降。建立二维湿度场扩散方程[7]：

(2)