混凝土龄期、收缩、徐变的研究进展及工程应用.ppt

混凝土龄期 收缩 徐变的研究进展及工程应用 主讲内容 混凝土龄期的相关研究混凝土收缩和徐变的相关研究工程应用 1 混凝土龄期的相关研究 混凝土中的主要胶结材料是水泥 水泥颗粒的水化作用从表层逐渐深入内部 是一个长达数十年的缓慢过程 随着混凝土龄期的增长 水泥的水化作用日渐充分 混凝土的成熟度逐渐提高 其强度 弹性模量 极限拉伸及绝热温升等均随着龄期的延长而逐渐增长 最终将趋于定值 养护3d 养护28d 1 混凝土龄期的相关研究 简要介绍 朱伯芳院士提出的 半熟龄期 定义混凝土强度 弹性模量 极限拉伸及绝热温升达到最终值的一半时的龄期为半熟龄期 半熟龄期越小 表明该混凝土成熟得越快 不同的结构对于半熟龄期的要求是不同的 工业与民用建筑 如建成后不久即可能承受较大荷载 其半熟龄期不能太大 相反 对于水坝等大体积的混凝土结构 承受全部荷载时 混凝土龄期一般较大 强度没有问题 但这类结构有温控防裂要求 无论是通过混凝土表面的天然散热 还是利用埋设于混凝土内部水管的人工冷却 它们发挥作用都需要一定的时间 如果混凝土绝热温升的半熟龄期太小 混凝土温度上升太快 散热和冷却措施还没有充分发挥作用 混凝土就已达到最高温度 当最终降到稳定温度时 就会产生较大的拉应力 甚至引起裂缝 半熟龄期 得到混凝土性能试验结果后 以龄期为横坐标 性能为纵坐标 作一曲线通过各试验点 不难用作图法求出半熟龄期 注 因为混凝土各性能是不统一的 因此强度 弹性模量 极限拉伸和绝热温升都各自对应着一个半熟龄期 所以在具体问题中 我们必须着手于研究的对象而选定需要的半熟龄期 半熟龄期 改变混凝土半熟龄期的途径改变水泥矿物成分与水泥细度硅酸三钙的水化速率快 水化热和强度发展都较快 适用于半熟龄期小的要求 水泥细度越细 水化反应进行得越快 采用混合材料与外加剂我国在掺用粉煤灰方面做过大量工作 掺用粉煤灰在保证后期强度不变的条件下 可以降低水泥用量及水化热的上升速度 延长混凝土的半熟龄期 2 混凝土收缩和徐变的相关研究 一种被普遍接受的意见是混凝土的收缩 徐变特性是由一些共同的基本因素所决定的 事实上 徐变是在应力作用之下产生的 而收缩的产生则与应力无关 收缩 徐变虽各有自身的特点 但它们都可以与混凝土内的水化水泥浆的特性联系起来 由化学成分截然不同的水泥所制造的混凝土的收缩 徐变性能并没有本质上的差异 这说明收缩 徐变的机理主要取决于混凝土水化水泥浆的物理结构 而不是其化学成分 2 混凝土收缩和徐变的相关研究 预测和控制混凝土的收缩和徐变及其对结构性能的影响至今仍是十分复杂又难以获得精确答案的问题 随着研究的不断深入 混凝土收缩和徐变的各种预测模型不断被提出和更新 主要介绍 CEB FIP 1990 模型ACI模型 CEB FIP 1990 模型 适用范围徐变系数的计算公式适用范围 应力水平 f 0 4 暴露在平均温度5 30 平均相对湿度RH为40 100 的环境中 收缩计算公式适用范围 普通混凝土在正常温度下 湿养护不超过14d 暴露在平均温度5 30 和平均相对湿度RH为40 50 的环境中 CEB FIP 1990 模型 徐变函数 徐变系数 抗压强度的参数 加载龄期的参数 相对湿度的参数 CEB FIP 1990 模型 CEB FIP 1990 模型 ACI模型 ACI模型 收缩应变表达式为 式中为应变终值 CEB FIP 1990 模型 ACI模型 包括这两个模型以及其他研究提出的模型 基本上都是建立在实验室试验数据基础上的经验公式 由于实验室特定条件的局限或研究者侧重点的不同 不同模型所考虑的影响因素也不尽相同 以这些结果作为依据确定的混凝土收缩徐变模型能否直接应用于实际工程结构的分析 须进一步审视 3 工程应用 现今各国的钢筋混凝土结构设计规范 一般都取龄期t 28d作为标定混凝土强度和其他性能指标的标准 如果结构早期受力 包括施加预应力 应按实际龄期内混凝土达到的性能指标进行验算 对于龄期超过28d后才承受全部荷载的结构 一般将混凝土的后期强度作为结构的附加安全储备而不加利用 某些工程确因施工期很长 全部使用荷载施加上的时间很晚 或某些特殊 如抗爆 结构 才考虑采用混凝土的后期强度作为设计标准 3 工程应用 在桥梁工程实践中 已有学者利用按龄期调整的有效模量代替混凝土弹性模量 用解弹性问题的方法来求解桥梁混凝土结构的徐变问题 大致步骤和方法如下 划分结构单元和计算时间 将施工开始到竣工后收缩徐变完成的过程划分为若干阶段 每一个阶段划又分为若干时间间隔 以施工阶段的起始时间 结构体系转换的时间 加载或卸载的时刻作为各阶段与时间间隔的分界点 将各阶段的已成结构划分成若干个梁单元 使每个单元的混凝土具有相同的收缩 徐变特性 单元之间通过节点连接 假定节点位于相邻单元接触面的重心轴上 3 工程应用 在静定结构阶段 如在合龙前的悬臂施工阶段 徐变 收缩只产生变形增量而不产生内力增量 即徐变次内力为零 在体系转化后 计算第i个时间间隔 并可求出已成结构全部单元在第i个时间间隔内 由收缩 徐变产生的节点力增量与节点位移增量 将上述增量分别加到该时间间隔开始时有关的节点力与节点位移上 即可得出该时间间隔终了时各单元的节点力和节点位移的状态 3 工程应用 收缩和徐变可对结构的内力和变形等产生不利影响 尤其对于采用悬臂浇筑的大跨度预应力混凝土箱梁桥而言 收缩徐变对主梁线形和内力的影响更大 实际工程中常发生成桥后由于混凝土收缩 徐变而引起的跨中下挠 预应力损失过大以及腹板开裂等问题 3 工程应用 有学者以衡昆高速公路沿线两座大跨预应力混凝土箱梁桥为依托 基于施工过程及成桥后较长时间内对结构反应的系统观测 研究处于自然环境中实际结构在混凝土收缩徐变作用下的真实反应 为混凝土箱梁桥的收缩徐变问题提供参考 衡阳东阳渡湘江大桥 主跨150m的预应力混凝土连续梁桥 祁阳白水湘江大桥 主跨120m的预应力混凝土连续刚构桥 3 工程应用 测试内容包括桥址环境温度场 混凝土箱梁温度 各控制截面应变变化和挠度变化 施工过程中 对主要工况下的应变变化进行了测试 成桥后对桥梁进行了为期3年的跟踪观测 测试时长接近1500天 3 工程应用 现象不论是连续梁桥还是连续刚构桥 其箱梁混凝土应变发展规律均有一个共同点 即箱梁上 下缘应变发展规律不尽相同 特别是对于箱梁顶 底板厚度相差较大的根部截面 上缘应变在成桥后的2 3年内基本趋于稳定 下缘应变仍具有一定的增长趋势 而对于跨中截面和合龙段截面 上 下缘应变发展趋势基本相同 挠度随时间均有所增长 但增长趋势明显减缓 3 工程应用 对于箱梁顶 底板厚度相差较大的根部截面 1 在施工过程中 混凝土箱梁顶板会直接受到日照的作用 使得其内的混凝土温度要明显高于底板混凝土温度 造成顶板混凝土的收缩速率和干燥徐变速率要高于底板混凝土 2 箱梁根部截面顶 底板配筋率有所不同 顶板内的普通钢筋和预应力钢筋较为密集 特别是成桥后 箱梁根部截面顶板内的预应力钢筋较多 抑制了其内混凝土的收缩徐变的发展 3 箱梁根部截面上 下缘的初始应力大小和施工过程中的应力变化不同 一般情况下上缘所受到的压应力要小于下缘的压应力 3 工程应用 对于跨中截面和合龙段截面其初始应力相