徐变的产生机理及对结构的影响

(3)解释混凝土徐变机理的理论很多，一般都以水泥浆体的微观结构为基础。这些理论主耍有粘弹性理论、渗出理论.粘性流动理论、塑性流动理论.微裂缝理论及内力平衡理论3.1粘弹性理论是把水泥浆体看成为弹性的水泥凝胶骨架，其空隙中充满着粘弹性液体构成的复合体。可用伏克脱单元(VoigtElement)流变模型來表示。加给水泥浆的荷载起初一部分被固体空隙中的水所承受，这样推迟了固体的瞬时弹性变形。当水从圧力高处向低处流动时，固体承受的荷载就逐渐加大，增大了弹性变形。荷载卸除后，水就流向相反方向，引起徐变恢复与这过程有关的水,仅是毛细管空隙和凝胶空隙中的水，而不是凝胶微粒表面的吸附水。3.2渗出理论混凝土徐变的渗出理论由利奈姆(C.GLynam)于1934年首先提出的。该理论认为混凝土徐变是由于凝胶粒子表面吸附水和这些粒子之间的层间水(在荷载作用下)的流动引起的。水泥浆体承受圧缩荷载后，凝胶微粒之间的吸附水被挤出后，凝胶微粒承受的应力増加，而作用于水的压力相应减小，结果导致水渗出速度的减小。徐变是在凝胶与周围介质达到新的湿度平衡时的一种现象。因此，这里必须强调该理论渗出的水是凝胶体(吸附水和层间水)，而不是毛细水和化学结合水。3.3粘性流动理论粘性流动理论由托马斯(F.GThomas)于1937年首先提出。他认为，混凝土可分成两部分，一部分是在荷载作用下产生粘性流动的水泥浆体；另一部分是在荷载作用下不产生流动的惰性骨料。当混凝土受荷时，水泥浆体的流动受到骨料的阻碍，结果使骨料承受较高的应力，而水泥浆体承受的应力随时间而减小。由于水泥浆体的徐变与加荷应力成正比，因此，随着加荷应力逐渐从水泥浆体转移到骨料来承受，从而徐变速率将逐渐减小。3.4塑性流动理论该理论认为，混凝土徐变类似于金属材料晶格滑动的塑性变形。当加荷应力超过金属材料的屈服点后，塑性变形就发生。福格脱(F.Vogt)观测到混凝土变形某些方面类似于铸铁和其它易碎金属。金属材料塑性变形是晶格沿最大剪切面移动的结果，是没有体积变形的;而混凝土的剪切能力比拉伸能力强。因此混凝土因剪切发生前的拉伸而破坏。混凝土徐变导致体积的减小,这与金属的塑性变形不同。3.5微裂缝理论在多相混凝土组成材料的界面上，受荷前就有粘性微裂缝存在，这是由混凝土硕化过程中骨料沉降、拌合水析出及干缩应力引起的。对正常工作应力范围，裂缝界面通过摩擦连续传递荷载，微裂缝仅稍微增加一些徐变。当荷载超过正常工作应力时，界面上粘结微裂缝就会扩展并逐渐产生新的微裂缝：当荷载再增加，还会产生少量穿越砂浆的裂缝、甚至产生穿越骨料的裂缝，最后各种裂缝迅速发展并逐渐贯通。36内力平衡理论内力平衡理论认为水泥浆体的徐变是由于荷载破坏了开始存在于水泥浆体中的内力平衡状态，并达到新的平衡的变化过程。这时，内力包括凝胶微粒产生收缩的表面张力，凝胶微粒之间的力(主要是范德华力)，还有广泛而均匀地分布于凝胶微粒表面上的吸附水，在胶粒切点分离作用的压力，以及静水压力等。其中以吸附水的分离压力的作用最为重要。从以上介绍的几种解释徐变机理的理论來看，没有一种理论能得到满意的解释，但把几种理论结合起來解释可能会得到比较满意的结果。加荷初期，混凝土徐变速率很大，而后就随时间而减小，11产生可复徐变(迟后弹性变形)，这可用粘弹性理论和粘性流动理论來解释。这期间还产生不可复徐变，这可用渗出理论來解释。继续加荷，主要产生不可复徐变，这可用粘性流动理论來解释。当加荷应力超过正常工作应力时，徐变速率又迅速增大，应力一应变呈非线性关系，这可用塑性理论和微裂缝理论來解释。不过，该阶段徐变在实际结构中很少发生，通常混凝土结构的徐变最终将趋于稳定。徐变的表示方式般以徐变系数①来表示,O=f(5-20)•TTK/TK变变- '-TTlxTrix•TTK/TK变变- '-TTlxTrix变变对于普通混凝土如取徐变变形最终值&76M0?弹性变形值=33x10：①=2.3徐变的影响因素在混凝土硕化以后，在一段相当长的时间内，它的物理特性如强度、弹性模量.徐变等，与浇筑后经历的时间的长短一龄期和加载龄期有关。影响混凝土徐变的因素很多，其主要因素有以下几点。混凝土在长期荷载作用下产生的应力大小当圧应力较小时，徐变大致与应力成正比，各条徐变曲线的间距差不多是相等的，称为线性徐变。线性徐变在加荷初期增长很快，一般在2年左右趋于稳定，3年左右徐变即告基本终止。混凝土的组成和配合比混凝土中骨料本身没有徐变，它的存在约束了水泥胶体的流动，约束作用大小収决于骨料的刚度(弹性模量)和骨料所占的体积比。当骨料弹性模量小于70GP时，随骨料弹性模量的降低，徐变显著增大。骨料的体积比越大，徐变越小。近年的试验表明，当骨料含量由60%增大为75%时，徐变可减少50%,混凝土的水灰比越小，徐变也越小，在常用的水灰比(0.4-0.6)范围内，单位应力的徐变与水灰比呈近似直线关系。加荷时混凝土的龄期加荷时混凝土龄期越短，则徐变越大，见图1所示。加荷时间/d图1加裁龄期与徐变的关系(4)养护及使用条件下的温度与湿度混凝土养护时温度越高，湿度越大，水泥水化作用就越充分，徐变就越小。混凝土的使用环境温度越高，徐变越大;环境的相对湿度越低，徐变也越大，因此高温干燥环境将使徐变显著増大。当环境介质的温度和湿度保持不变时，混凝土内水分的逸失取决于构件的尺寸和体表比(构件体积与表面积之比构件的尺寸越大，体表比越大，徐变就越小，其关系如图2所示

图2不同龄期硅的构件尺寸与徐变的关系;（五）徐变对结构的影响（1）徐变对结构的影响有有利方面，也有不利方面。众所周知，徐变可以引起预应力混凝土结构的预应力损失:在大跨度梁中，徐变增加了梁的挠度，这些都是徐变对结构的有害影响，故在这些结构中应尽量减小混凝土徐变。然而在大体积混凝土结构中，徐变能降低温度应力，减小收缩裂缝;在结构应力集中区和因基础不均匀沉陷引起局部应力的结构中，徐变能削减这类结构的应力唸值，这些都是徐变对结构的有利影响。因此，在这类结构中，在保持强度不变条件下，耍设法提高混凝土的徐变。（2）在长期荷载或应力作用下，混凝土的徐变和收缩对结构的变形、结构的内力分布和结构内截面（在组合截面俏况下）的应力分布都会产生很大的影响。归纳起來为:结构在受圧区的徐变和收缩会增大挠度;徐变会増大偏压柱的弯曲了由此增大初始偏心，降低柱承载力；预应力混凝土构件中，徐变和收缩将导致预应力损失；结构构件截面如组合截面（不同材料组合的截面如钢筋混凝土组合截面，或不同龄期混凝土组合的截面等），徐变会使截面应力重分布;对于超静定结构，混凝土徐变将导致内力重分布，亦及徐变将引起结构的次内力;混凝土收缩会使较厚构件（或在结构构件截面形状突变处）的表面开裂。这种表面裂缝是因为收缩总在构件表面开始，但受到内部的阻碍引起收缩拉应力而产生。由丁徐变总应变可高达加载后产生的弹性变形的1-4倍。所以混凝土的徐变效应，在混凝土桥梁设计中是必须考虑的。在超静定结构中由于徐变产生次内力，而应力变化的徐变及次内力计算较为复杂。现较常用的方法:狄辛格方法;Trost’zBazant法;采用位移法的有限兀逐步分析法。狄辛格法当釆用老化理论时，对后期加载的长期徐变效应估计过低，而对递减荷载的长期徐变效应又估计过高。由于狄辛格方法未考虑徐变中的“延滞弹性变形”，而延滞弹性变形部分&，它可高达加载后产生的弹性变形的24%-44%o所以狄辛格方法计算的徐变效应有时与实际出入较大。随着计算机技术的进步和结构有限元方法的应用，根据Trost-Bazant按龄期调整的有效模量法与有限元法相结合，人们采用位移法的有限元逐步计算法，将使得徐变分析更逼近实际。（六）徐变的计算所谓徐变计算理论，就是如何把常荷载下徐变试脸结果用到变应力作用下的结构构件徐变分析中去的理论，也就是变应力下构件的徐变分析方法。徐变计算理论（方法）主耍有有效模量法.老化理论（徐变率法）、弹性徐变理论（迭加法）.弹性老化理论（流动率法）及继效流动理论等。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CL.Boltzman）迭加原理二玄△bow,”JO，T)——徐变函数。若应力变化是连续时，则上式变为：TOC\o"1-5"\h\z£(0=fJ(r,T)八irfr (4-2)匕dr这里定义徐变函数人/样)为弹性变形与徐变变形之和，即心)=+3) (4-3)式中 E(t)——r龄期的弹性模量；C(r,r)——单位应力作用下的徐变。徐变系数卩亿C定义为：沁“)二C(/,r)£(r) (4—4：以式(4—4)代入式(4—3)，得JQ,力二[1+0(X)] (4—5‘E对于徐变函数J(t,r),目前国际上有两个学派，一个学派认为徐变函数与加荷龄期有关。另一个学派认为徐变由两种或两种以上变形成分组成，主要有迟后弹性变形(可复变形)与塑性变形(不可复变形)。假定迟后弹性变形与加荷龄期无关，而流动变形是—簇平行曲线，后者意味着任何龄期的徐变速率与加荷龄期无关。由于各种计算理论所用的徐变函数不同，因此，用式(4-1)或式(4-2)计算得的变形将是不同的o6.1有效模量法有效模量法(EM法)是一种近似的计算方法，该理论将徐变归入弹性变形，即将徐变问题化为相当的弹性问题來处理。当荷载不变时，假设应力与总应变成正比。有效模量法在以下两种悄况中与试验结果较为符合:—是应力无明显变化时；二是混凝土龄期可以忽略不计时(对老混凝土)。但该方法在应力递增时高估了变形，在应力递减时则低估了变形，还低估了在常变形下的应力松弛，也就是计算应力高于实际应力。在卸荷情况下，变形将全部恢复，这是不符合实际的。因此，该方法对于松弛、荷载剧烈变动以及徐变恢复等问题不大适用。62老化理论老化理论又称徐变率法年创立的，维特耐(CS(RC法)，是格莱维尔(TO.Glanville)于1930tney)于1932年建立了它的数学公式。该方法于1937年由底斯陈格(F.Dischinger)用于复杂结构问题中。RC法假定混凝土徐变曲线具有(沿变形轴)“平行”的性质，也就是徐变速率与加荷龄期无关。因此，用该理论來计算徐变只需—条徐变曲线。应用老化理论，对很多简单问题都可以获得解析解。当混凝土应力单调减少1L变化不大时，例如对于构件预应力衰减计算，用该理论可以获得较好结果。但是，该理论假定各龄期加荷徐变曲线相互平行，这意味着徐变随龄期的增长很快减小，老混凝土的徐变为零，这与实际不符。老化理论与有效模量法相反，当应力递增时，低估了徐变变形；当应力递减时，则高估了徐变变形。该理论把可复徐变缩小为零，忽略了卸荷后的徐变恢复。6.3弹性徐变理论弹性徐变理论又称迭加法，是由苏联教授马斯洛夫(TH.Macrioa)和阿鲁秋宇(H.X.ApYMHxH)创立的。该理论也是以变形与应力之间成线性关系的假设为基础，应力变化时的徐变总变形可按相应应力増量引起的徐变变形总和來计算，这就是所谓的迭加原理。迭加法的计算值与试验结果基本相符，故该法在工程计算中得到广泛的应用。但是，弹性徐变理论认为卸荷后徐变恢复曲线与加荷徐变曲线相同，进而得出老化混凝土徐变完全可恢复的结论，这与试脸结果不符。另外，在计算时，该方法比前两种方法要求较多的试验资料。6.4弹性老化理论弹性老化理论又称流动率法(RF法)。为了克服徐变率法的不足一低估老混凝土的徐变和徐变恢复，恩格莱特(GL.England)和伊尔斯顿(J.M.lllston)建议将徐变函数由弹性变形(Eel).迟后弹性变形(Ed)-可复变形和流动变形(cf)—不可复变形三部分组成。恩格莱特和伊尔斯顿以及其他人的试验结果表明，迟后弹性变形'd与加荷龄期无关，11达到最终值比流动变形快。这里流动变形Ef是不可复变形成分,假定不同加荷龄期的流动变形曲线是平行的，也就是不同加荷龄期在任意时间的流动速率是相同的。因此，该方法称为流动率法。流动率法比徐变率法有了显著的改进，前者能较好地描述早龄期的混凝土在卸荷状态下徐变部分可复的性质。但它把不可复徐变的减小仅仅归结为材料的老化并假定各龄期不可复流动变形曲线平行。因此,对老混凝土徐变规律的描述显然不能令人满意，—般低估了老混凝土的徐变。当应力递增时，该方法也是低估徐变:而在应力递减时，该方法将获得较好的结果。6.5继效流动理论继效流动理论也是把徐变分成可复徐变和不可复流动变形两部分，而流动变形速率不再假定与加荷龄期无关，这与弹性老化理论不同。迟后弹性变形(可复徐变)是加荷龄期.卸荷时期及观测时间的函数，因为它在徐变变形中所占比例不大，与加荷龄期、卸荷时间之间关系不明显，主耍収决于观测时间与卸荷时间之差。在应力部分减少和交替加卸荷时，继效流动方程计算的变形值与试验值有较好的符合程度，对于应力衰减问题來说，所得结果也更接近实际。6.6龄期调整有效模里法龄期调整有效模童法就是用老化系数來考虑混凝土老化对最终徐变值的影响，是由乔斯特(H.Trost)于1967年建立的，后來贝釆特(ZP.Bazant)进行了改进。有效模量法忽视材料的老化，因此往往高估了第—次加荷后的应力増量所引起的徐变，故该方法不宜用于应力悄况。6.7徐变计算理论的比较以上介绍了七种徐变计算理论(方法当应力递减时，有效模量法低估了徐变，徐变率法髙估了徐变，而迭加法的计算值与实测值基本接近。当应力递増时，有效模量法高估了徐变，徐变率法低估了徐变，而迭加法的计算值略高于实测值，两者基本接近。流动率法比徐变率法有了显著的改进，它能较好地描述早龄期的混凝土在卸荷状态下徐变部分可复的性质，但对老混凝土徐变规律的描述不能令人满意，它低估了老混凝土的徐变。继效流动理论计算比较繁琐，但精度较高，特别是应力衰减问题，能得到满意的结果。龄期调整有效模量法计算简单，可查图表。因此，使用很方便。初应变法是—种更—般的分析徐变次内力影响的方法，它不受徐变系数表达式具体形式的限制，因而更适于数值计算分析结构的徐变效应。超高层混凝土建筑结构的收缩与徐变设计HiStmct刖B随着超高层建筑越来越多的出现，而其中混凝土为主的结构占绝大多数，混凝土结构的非结构变形如收缩徐变开始得到广大工程师越来越多关注。通常认为徐变对普通混凝土结构是有利的，因为徐变变形可以通过将结构内力进行重分布，从而将应力集中区域的内力传递到应力水平较低的区域；而收缩变形则是不可避免，且必须采用措施加以承受。然后不管是收缩还是徐变，对于高层结构而言，由于结构平而布置的不均匀性（如框筒等），其可能相对较大的竖向变形和变形差，对建筑层高，以及机电幕墙的设计和使用等产生影响，其至对结构安全性会产生较大的影响，实际结构设计中不可忽视。一、概述一般认为在混凝土结构构件中由收缩和徐变所引起的应变主要与混凝土的配筋率、体积而积比，材料的基本性能，所处环境，时间等因素有关。至于结构设计中最直接的因素配筋率和体积而积比，可认为当承受相同应力时，收缩和徐变随配筋率的增加和体积而积比的减少而减小。收缩与徐变的区别和联系：1.收缩和徐变的特征是相似的，在开始的时候变形很快，而随着时间的流逝变形速率渐渐减小。有统计数据表明，在最初的28天左右，非弹性变形可达到40%左右；半年之后可达60-70%；两年可达80-90%,由此可见收缩徐变对于高层建筑而言主要是施工期间完成绝大部分，其后随着使用荷载的变化而调整，但是一般幅度不会超过10%。2.徐变一般可分为真实的徐变即由应力产生的应变和干徐变即由于构件与环境的水分变换产生的应变，而绝大部分的干徐变产生于构件形成后的最初3个月内，所以相对于收缩而言，徐变与构件的尺寸关系不大。3.徐变与外荷载有关系，而收缩则与外荷载无关。那么收缩徐变在一个高层的竖向变形中到底能占多大的比重呢？举例：在施工完成后，一个超高层的型钢混凝土柱，在竖向荷载作用下的弹性变形为55nmi,徐变变形可达到48mm，收缩变形为12mm。一般认为收缩徐变所引起的变形大约占结构最终变形的1倍以上，其至3-4倍；徐变变形可达到收缩变形的3倍以上。另一方而，竖向构件之间由于设计和施工方法的原因必然存在着或多或少的变形差值,沿高度是累加的，底部小而上部大，变形差值随着结构高度的增加而增加，这些累积的变形如果过大则会导致水平结构构件在结构上部区域产生较大的变形和附加内力，其至引起楼板裂缝等，并且可导致非结构构件的破坏。HiStruct注：一般来说混凝土收缩徐变沿结构高度方向呈两边小中间大的特征。二、 结构分析基于上述的概念介绍，显然考虑收缩徐变的结构分析中应该结合施工方式和进度进行基于时间的分阶段计算。可依据的规范