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一、前言
在荷载的长期作用下,混凝土的变形随时间增长的现象称为徐变。徐变是混凝土在长期荷载作用下的一种固有特性,是荷载和时间的函数。20世纪50年代,自我国在预应力混凝土简支梁的预应力损失和上拱度的设计计算中开始考虑徐变、收缩的影响,国内外的研究者就一直在关注徐变的问题。徐变分析的实质是求既有初内力持续作用下变形发展及内力重分布的效应,故结构的当前状态与以往的应力历史有关。
二、徐变对结构的影响
混凝土材料的徐变一般可分为可恢复徐变和不可恢复徐变两部分。受荷载长期作用的混凝土试件,在卸载后将产生瞬时弹性应变和随时间发展的徐变恢复。徐变恢复应变与卸载前施加的常应力成正比,而单位应力的徐变恢复称为弹性后效。混凝土的徐变不仅与当前应力有关而且与应力历史有关,混凝土徐变变形同收缩混凝土收缩一样,初始增长很快,以后逐渐缓慢,一般在5-15年后其增长逐渐达到一个极限值。一般说来,混凝土的徐变和收缩对结构的变形、内力分布和内截面(在组合截面情况下)的应力分布会产生很大的影响。概括归纳为(1)结构在受压区的徐变和收缩会增大挠度(如梁、板)。(2)徐变会增大偏压柱的弯曲,由此增大初始偏心,降低柱的承载能力。(3)预应混凝土结构中,徐变和收缩会导致预应力的损失。(4)对于超静定结构,混凝土徐变将导致结构内力重分布,即徐变将引起结构的次内力。(5)受拉徐变使混凝土拉应力减小,从而延缓收缩裂缝的出现,以及减小由于支座不均匀沉降产生的应力等。
三、混凝土徐变机理
1、粘弹性理论 粘弹性理论是把水泥浆体看成为弹性的水泥凝胶骨料,其空隙充满着粘弹性液体构成的复合体。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。当水从压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。与这个过程有关的水,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。
2、渗出理论 混凝土徐变的渗出理论由利奈姆(C.G.Lynam)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。水泥浆体承受压缩荷载后,凝胶微粒之间的吸附水和层间水就缓慢地排出而产生变形。当水被挤出后,凝胶微粒承受的应力增加,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水(吸附水和层间水),而不是毛细水和化学结合水。由于凝胶水被挤出,使微粒之间距离缩短而处于微粒间力的作用范围内。在外荷载作用下,水分子进一步接近,使微粒之间的表面能降低,而且引起一部分化学结合,这就增加了凝胶的稳定性。
3、粘性流动理论 粘性流动理论由托马斯(F.G.Thomas)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,水泥浆体的流体受到骨料的阻碍,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。苏联学者谢依金认为,由结晶的连生接触点连接起来的结晶水化物,组成了结晶连生体,它是完全弹性,并具有很高的塑性抗剪强度。而托勃莫来石凝胶的弹性极限低,随时间而增加.在应力作用下,这种凝胶具有粘性流动的性质。
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.Vo gt)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。
5、微裂缝理论 在多相混凝土组成材料的界面上,受荷前就有粘结微裂缝存在,这是由混凝土硬化过程中骨料沉降、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。苏联学者别尔格是苏联最早用裂缝的产生和发展来解释徐变的研究者之一。
6、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,并达到了新的平衡的变化过程。当加荷应力超过正常工作应力时,徐变速率又迅速增大,应力一一应变呈非线性关系,这可用塑性理论和微裂缝理论来解释。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。
四、结语
本文详细阐述了混凝土徐变对结构的影响、及目前国内的混凝土徐变理论,有的理论还在实际结构中得到了应用。但我们应该清楚的认识到这些理论大部分还停留在理论或试验研究阶段,要真正达到实际工程应用则还有比较大的距离。因此,需要我们再深入细致地开展研究,探索更为有效的理论,为早日运用到实际工程中去而努力。
在荷载的长期作用下,混凝土的变形随时间增长的现象称为徐变。徐变是混凝土在长期荷载作用下的一种固有特性,是荷载和时间的函数。20世纪50年代,自我国在预应力混凝土简支梁的预应力损失和上拱度的设计计算中开始考虑徐变、收缩的影响,国内外的研究者就一直在关注徐变的问题。徐变分析的实质是求既有初内力持续作用下变形发展及内力重分布的效应,故结构的当前状态与以往的应力历史有关。
二、徐变对结构的影响
混凝土材料的徐变一般可分为可恢复徐变和不可恢复徐变两部分。受荷载长期作用的混凝土试件,在卸载后将产生瞬时弹性应变和随时间发展的徐变恢复。徐变恢复应变与卸载前施加的常应力成正比,而单位应力的徐变恢复称为弹性后效。混凝土的徐变不仅与当前应力有关而且与应力历史有关,混凝土徐变变形同收缩混凝土收缩一样,初始增长很快,以后逐渐缓慢,一般在5-15年后其增长逐渐达到一个极限值。一般说来,混凝土的徐变和收缩对结构的变形、内力分布和内截面(在组合截面情况下)的应力分布会产生很大的影响。概括归纳为(1)结构在受压区的徐变和收缩会增大挠度(如梁、板)。(2)徐变会增大偏压柱的弯曲,由此增大初始偏心,降低柱的承载能力。(3)预应混凝土结构中,徐变和收缩会导致预应力的损失。(4)对于超静定结构,混凝土徐变将导致结构内力重分布,即徐变将引起结构的次内力。(5)受拉徐变使混凝土拉应力减小,从而延缓收缩裂缝的出现,以及减小由于支座不均匀沉降产生的应力等。
三、混凝土徐变机理
1、粘弹性理论 粘弹性理论是把水泥浆体看成为弹性的水泥凝胶骨料,其空隙充满着粘弹性液体构成的复合体。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。当水从压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。与这个过程有关的水,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。
2、渗出理论 混凝土徐变的渗出理论由利奈姆(C.G.Lynam)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。水泥浆体承受压缩荷载后,凝胶微粒之间的吸附水和层间水就缓慢地排出而产生变形。当水被挤出后,凝胶微粒承受的应力增加,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水(吸附水和层间水),而不是毛细水和化学结合水。由于凝胶水被挤出,使微粒之间距离缩短而处于微粒间力的作用范围内。在外荷载作用下,水分子进一步接近,使微粒之间的表面能降低,而且引起一部分化学结合,这就增加了凝胶的稳定性。
3、粘性流动理论 粘性流动理论由托马斯(F.G.Thomas)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,水泥浆体的流体受到骨料的阻碍,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。苏联学者谢依金认为,由结晶的连生接触点连接起来的结晶水化物,组成了结晶连生体,它是完全弹性,并具有很高的塑性抗剪强度。而托勃莫来石凝胶的弹性极限低,随时间而增加.在应力作用下,这种凝胶具有粘性流动的性质。
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.Vo gt)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。
5、微裂缝理论 在多相混凝土组成材料的界面上,受荷前就有粘结微裂缝存在,这是由混凝土硬化过程中骨料沉降、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。苏联学者别尔格是苏联最早用裂缝的产生和发展来解释徐变的研究者之一。
6、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,并达到了新的平衡的变化过程。当加荷应力超过正常工作应力时,徐变速率又迅速增大,应力一一应变呈非线性关系,这可用塑性理论和微裂缝理论来解释。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。
四、结语
本文详细阐述了混凝土徐变对结构的影响、及目前国内的混凝土徐变理论,有的理论还在实际结构中得到了应用。但我们应该清楚的认识到这些理论大部分还停留在理论或试验研究阶段,要真正达到实际工程应用则还有比较大的距离。因此,需要我们再深入细致地开展研究,探索更为有效的理论,为早日运用到实际工程中去而努力。