收缩徐变分析PPT课件

1、内容 徐变和收缩的概念 徐变和收缩的影响因素 徐变和收缩的基本理论 徐变和收缩的有限元计算第1页/共53页参考资料 范立础桥梁工程中连续梁次内力部分 惠荣炎混凝土的徐变 黄国兴混凝土的收缩 周履收缩 徐变 徐光辉桥梁结构分析 肖汝城桥梁结构分析程序系统 等第2页/共53页 徐变当荷载作用在混凝土构件上，试件首先发生瞬时弹性变形，随后，随时间缓慢地进一步增加变形。这种缓慢增加的变形称为混凝土的徐变变形。 在实际混凝土结构中，徐变、收缩与温度应变是混杂在一起的。从实测的应变中，应扣除温度应变和收缩应变，才能得到徐变应变。在分析计算中温度应力与温度应变往往单独考虑。徐变与收缩则可在一起考虑。第3页/

2、共53页1、徐变和收缩的基本概念、徐变和收缩的基本概念 徐变变形 结构在外荷载作用下产生变形，一般建筑力学中采用简单的虎克定律描绘应力一应变关系，把材料看成理想弹性体，应力一应变成正比。 实际上，应力应变曲线不呈直线，而是缓慢向水平轴线倾斜的曲线，即应力滞后于应变。这种性质称为材料的“非弹性行为”，具体内容分为塑性和徐变两类。徐变、收缩徐变、收缩是混凝土这种粘弹性材料的基本特性是混凝土这种粘弹性材料的基本特性之一，它不但对之一，它不但对桥梁结构影响大桥梁结构影响大，而且，而且持续的时间持续的时间长长，且其，且其变化过程复杂变化过程复杂，不易把握。，不易把握。第4页/共53页 塑性与时间无关，只

3、与应力大小有关，而徐变研究的是结构材料在任意荷载、任意小的应力作用下随时间增长所产生的非弹性性质。混凝土的徐变性质在结构中可能引起两种现象，其中一种是应力不变，但变形随着时间的增加而增大，称为“徐变变形”。第5页/共53页收缩 原因混凝土的收缩是混凝土硬固由于所含水分的蒸发及其它物理化学的原因(但不是由于应力的原因)产生的体积的缩小。与收缩相反的是混凝土凝固因含水量的增加也导致的体积的增加。收缩变形在无荷载情况下，混凝土构件随时间缓慢变形，这种变形称为混凝土的收缩变形。 第6页/共53页徐变和收缩变形徐变和收缩变形tPP徐变徐变第7页/共53页 在实际结构中，徐变、收缩与温度应变是混杂在一起的

4、。从实测的应变中，应扣除温度应变和收缩应变，才能得到徐变应变。而在分析计算中温度应力与温度应变往往单独考虑，徐变与收缩则往往在一起考虑。 2、徐变和收缩的影响第8页/共53页根据1990年CEB-FIP标准规范，在时刻 承受单轴向、不变应力为 的混凝土构件，在时刻 的总应变 可分解为 t)(t)()( )()()()()(ttttttnTsci加 载 时 初始应变在 时刻时的徐变应变t收缩应变温度应变由应力产生的应变)()()(ttci不由应力产生的应变)()()(tttTsn在不包括温度应变时，混凝土的应变可进一步分解为（下图）strfgfavet,)()(e第9页/共53页 徐变变形的有利

5、影响 大体积混凝土中，徐变可降低温度应力，减小收缩裂缝 在结构应力集中区域和因基础不均匀沉降引起局部应力的结构中 ，可削减应力峰值等。第10页/共53页 收缩、徐变变形的不利影响在钢筋混凝土、预应力混凝土等配筋构件中，随时间而变化的混凝土徐变、收缩受到内部配筋的约束将导致内力的重分布；预应力损失实际上也是预应力混凝土构件内力重分布的一种。预制的混凝土梁或钢梁与就地灌筑的混凝土板组成的结合梁，将由于预制部件与现场浇筑部件之间不同的徐变、收缩值而导致内力的重分布。同样，梁体的各组成部分具有不同的徐变、收缩特性者亦将由于变形不同、相互制约而引起内力或应力的变化。 第11页/共53页 收缩、徐变变形的

6、不利影响（续） 分阶段施工的预应力混凝土超静定结构，在施工过程中发生体系转换时，从前期结构继承下来的应力状态所产生的徐变受到后期结构的约束，从而导致结构内力与支点反力的重分布。 第12页/共53页 收缩、徐变变形的不利影响（续） 另外，外加强迫变形如支座沉降或支座标高调整所产生的约束内力，也将在混凝土徐变的过程中发生变化，部分约束内力将逐渐释放。 徐变对细长混凝土压杆所产生的附加挠度是验算压杆屈曲稳定所不能忽视的问题。 第13页/共53页3、徐变和收缩的基本理论 桥梁结构分析中应分阶段，按施工顺序考虑收缩徐变效应。 静定结构的收缩、徐变仅引起结构的变形； 超静定结构的收缩、徐变引起次内力。 计

7、算方法分为基于微分方程的理论分析和基于代数方程的有限元方法。 第14页/共53页 徐变的有限元计算方法 有效模量法 如用按龄期调整得到有效模量 代替混凝土的弹性模量E，则在第ti-ti-1个时间内，因徐变、收缩产生的应力或内力增量与应变增量之间具有线性关系，因而可利用求解弹性结构的方法求解混凝土收缩徐变问题，在采用刚度法时，只需将刚度矩阵E用 代替即可。 )t ,t (Eii1)t ,t (Eii1第15页/共53页徐变、收缩求解的基础是应力应变方程的表达 线性叠加原理 应力、应变关系的增量形式表达式 第16页/共53页线性叠加原理根据试验研究,当混凝土应力不超过极限强度的4050时，混凝土徐

8、变终极变形与初始瞬时弹性变形呈线性关系，否则呈非线性关系。在一般情况下，混凝土应力都是小于R/2，因此属于线性徐变，此时分批施加应力所产生的应变可以采用叠加原理。混凝土试件的试验都说明叠加原理对基本徐变符合得很好，但对于包括干缩徐变的总徐变来说，由叠加原理所得出的徐变恢复一般大于实际恢复。因此，应用叠加原理对递减荷载将会产生少量偏差。虽然存在着缺点，叠加原理仍是设计工作中有价值的工具。第17页/共53页线性叠加原理根据叠加原理，对于在时刻0施加初应力)(0，又在不同的时刻), 2 , 1(nii分阶段施加应力增量)(i的混凝土，其在以后任何时刻t包括收缩应变在内的总应变可以表达为： ),(),

9、(1 )()(),(1 )()(),(010000ttEtEtsiniii第18页/共53页应力、应变关系的增量形式表达式 从混凝土应力应变的线性关系和叠加原理出发，引入老化系数的概念，并假定混凝土弹性模量为常数，可推导出在不变荷载作用下，徐变、收缩导致的应变增量和应力增量之间的代数方程表达式（TrstBaznt法）。设ti为计算时刻，应力与应变增量的关系式为： 第19页/共53页),(),(),()()(),(),(1 )(),(),(111111111iisijiijijjiiiiiiicsiicstttttttEttttttEtttt式中：),(1iicstt、),(1iicstt1it

10、至it时间内由徐变、收缩引起的应变增量和应力增量； )(jt时刻jt的应力增量； ),(1iistt1it至it时间内由收缩引起的应变增量； )(jtE时刻jt的弹性模量； ),(1iitt老化系数。 考虑了混凝土弹性模量随时间的变化，还考虑了初应力和考虑了混凝土弹性模量随时间的变化，还考虑了初应力和初应变形成的历史。初应变形成的历史。 第20页/共53页同理可写出截面曲率与弯矩增量之间的关系式同理可写出截面曲率与弯矩增量之间的关系式 ),(),(),()()(),(),(1 )(),(),(111111111iisijiijicjjiiiiciiicsiicsttttttItEtMttttI

11、tEttMtt式中：),(1iicstt、),(1iicsttM1it至it时间内由徐变、收缩引起的曲率增量和弯矩增量； )(jtM时刻jt的弯矩增量； ),(1iistt1it至it时间内由收缩引起的曲率增量； )(jtE时刻jt的弹性模量； cI混凝土截面的抗弯惯性矩。 第21页/共53页根据弹性模量和按龄期调整的有效模量的关系：根据弹性模量和按龄期调整的有效模量的关系： ),(),(1),(),(1111iiiiiiiittttttEttE并设并设 ),(),()(),(),(111iijijiiiitttttEttEtt第22页/共53页),()(),(),(),(),(),(1111

12、111iisjijiijiiicsiiciicstttMttEttttttEIttM),(),(),()()(),(),(1 )(),(),(111111111iisijiijicjjiiiiciiicsiicsttttttItEtMttttItEttMtt第23页/共53页若以),(1iicstt为通过形心点的应力增量，则轴力增量可写为： ),()(),(),(),(),(),(1111111iisjijiijiiicsiiciicstttttEttttttEAttN由以上公式可知，如用按龄期调整的有效模量),(1iittE代替混凝土的弹性模量),(1iittE，则在第1iitt个时间内，因

13、徐变、收缩产生的应力或内力增量与应变增量之间具有线性关系，因而可以利用解弹性结构的方法来求解混凝土结构的徐变、收缩问题。 第24页/共53页单元结点力增量和结点位移增量关系的矩阵表达式 采用有限元进行徐变、收缩分析，重点是确定结构考虑徐变、收缩的刚度矩阵，以及荷载矩阵。 根据前面的讨论，如果采用基于矩阵位移法的有限元方法时，只需将刚度矩阵中的E用E代替，即可形成考虑混凝土徐变、收缩效应的单元刚度矩阵。 第25页/共53页收缩、徐变荷载矩阵 根据有限元形成荷载矩阵的原理，如对结构中任一平面梁单元ab施加约束，使在第 titi-1个时间内结点变位增量保持为0，得出结点约束（或锁定）产生的轴向力增量

14、和结点弯矩增量 ，即为荷载列阵。 第26页/共53页),(),()(),(),(1,111,iisabcjijabijjiiicsabttAttEtNttttN),(),()(),(),(1,111,iisbacjijbaijjiiicsbattAttEtNttttN),(),()(),(),(1,111,iisabcjijabijjiiicsabttIttEtMttttM),(),()(),(),(1,111,iisbacjijbaijjiiicsbattIttEtMttttM第27页/共53页 又根据单元的平衡方程，可写出剪力的增量表达式： lttMttMttQttQiicsbaiicsa

15、biicsbaiicsab),(),(),(),(1,1,1,1,第28页/共53页结点力和结点位移列阵TbababaabababeMQNMQNFTbbbaaaevuvu第29页/共53页徐变刚度矩阵lIlIlIlIlAlIlIlIlIlAlIlIlIlIlAlIlIlIlIlAttEzzzzzzzzzzzzzzzziie460612000260612000260612000460612000),(2232232232231K第30页/共53页徐变单元平衡方程eeeKF第31页/共53页4、有限元逐步计算的步骤和方法 结构单元和计算时间的划分将计算时间从施工开始到竣工后收缩、徐变完成，划分为若

16、干阶段，每一阶段划分为若干时间间隔。以施工阶段的起迄时间、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均一的收缩、徐变特性，整个结构理想化为结点，通过结点相互联结的单元集合体。结点则假定位于相邻单元接触面的重心轴上。 第32页/共53页 在体系转换后，第i个时间间隔的计算步骤： 确定各单元的初始结点力，包括上一个时间间隔终了的结点力与本时间间隔开始时新加荷载转移置于各结点的等效结点荷载（其中包括预应力产生的等效结点荷载）。确定各单元的初始结点位移。在第i个时间间隔开始时（ti-1时刻），锁定已完成结构的所有单元

17、的结点。求锁定力，组集结点力列阵。 第33页/共53页TibaibaibaiabiabiabeiMQNMQN,R在第在第i个时间间隔终了时，即个时间间隔终了时，即ti时刻，解除所有结点的锁定，时刻，解除所有结点的锁定，对各单元施加反锁定结点力。对各单元施加反锁定结点力。 TibaibaibaiabiabiabeieiMQNMQN,RF单元的按龄期调整的有效弹性模量，建立按各单元局部单元的按龄期调整的有效弹性模量，建立按各单元局部坐标系计算的单元的徐变换算刚度矩阵坐标系计算的单元的徐变换算刚度矩阵 。第34页/共53页LILILILILILILILILALALILILILILILILILILAL

18、AEiiei460260612061200000260460612061200000222323222323)1,(,K第35页/共53页建立按各单元局部坐标单元的平衡方程 eieieiKF,通过坐标转换，将各单元结点力增量列阵组集成按结构通过坐标转换，将各单元结点力增量列阵组集成按结构总坐标计算的结点荷载列矩阵总坐标计算的结点荷载列矩阵 。将各单元的刚度矩阵组集成结构的徐变换算刚度矩阵将各单元的刚度矩阵组集成结构的徐变换算刚度矩阵 。第36页/共53页建立按总坐标系计算的结构平衡方程 解方程得按结构总坐标系计算的，在第解方程得按结构总坐标系计算的，在第i个时间间隔内个时间间隔内的全部结点的位

19、移增量的全部结点的位移增量 。通过坐标转换，将位移增量转换成按单元局部坐标系计通过坐标转换，将位移增量转换成按单元局部坐标系计算的结点位移增量算的结点位移增量 。iiiKP,第37页/共53页解得单元局部坐标系下的结点力增量 解方程得按结构总坐标系计算的，在第解方程得按结构总坐标系计算的，在第i个时间间隔内个时间间隔内的全部结点的位移增量的全部结点的位移增量 。通过坐标转换，将位移增量转换成按单元局部坐标系计通过坐标转换，将位移增量转换成按单元局部坐标系计算的结点位移增量算的结点位移增量 。eieieiRFF第38页/共53页照上述计算步骤，可求得已成结构全部单元在第i个时间间隔内，由收缩、徐

20、变产生的结点力增量与结点位移增量。以上述增量分别加到该时间间隔开始时有关的结点力与结点位移上，即可得出该时间间隔终了时各单元的结点力和结点位移的状态。据此，即可进入下一个时间间隔的计算。这样，从施工开始到任一时间间隔的开始或终了，结构全部结点的力与位移状态均可逐一求得。 第39页/共53页结构单元和计算时间的划分 在体系转换后，第i个时间间隔的计算步骤 建立按各单元局部坐标单元的平衡方程 建立按总坐标系计算的结构平衡方程 解得单元局部坐标系下的结点力增量第40页/共53页读入总体结构信息读入总体结构信息读入预应力信息读入预应力信息读入施工阶段信息读入施工阶段信息开始开始结点、单元、约结点、单元

21、、约束、荷载、截面束、荷载、截面及材料及材料单元需要定义安装（拆单元需要定义安装（拆除 ） 阶 段 ； 约 束 生 效除 ） 阶 段 ； 约 束 生 效（去除）（去除）阶段阶段；荷载；荷载生生效（去除）阶段效（去除）阶段；截面；截面及材料，包括徐变系数及材料，包括徐变系数计算需要的构件理论厚计算需要的构件理论厚度等。度等。预应力线形、张拉预应力线形、张拉力、张拉阶段、计力、张拉阶段、计算预应力损失需要算预应力损失需要的其他参数。的其他参数。每一阶段起至时间、每一阶段起至时间、阶段内结构改变的阶段内结构改变的信息。信息。总体收缩、徐变信息总体收缩、徐变信息收缩徐变计算理论控制信息、加载龄收缩徐变

22、计算理论控制信息、加载龄期信息、平均湿度等期信息、平均湿度等转入施工阶段分析转入施工阶段分析第41页/共53页本阶段及以前阶段安装的单本阶段及以前阶段安装的单元及结点；本阶段施加的荷元及结点；本阶段施加的荷载；本阶段及以前阶段的约载；本阶段及以前阶段的约束，约束解除不仅改变结点束，约束解除不仅改变结点ID表，同时考虑约束改变后表，同时考虑约束改变后产生的负反力。产生的负反力。K=P Kee=Fe施工阶段循环施工阶段循环形成阶段单元、结点、形成阶段单元、结点、约束、荷载信息约束、荷载信息组集阶段弹性刚度矩阵、弹性荷载列阵组集阶段弹性刚度矩阵、弹性荷载列阵求解阶段结构弹性平衡方程，求出结求解阶段结构弹性平衡方程，求出结点位移、单元弹性结点荷载点位移、单元弹性结点荷载输出阶段弹性分析结果输出阶段弹性分析