徐变效应分析汇总.pptx

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1、第十一章 混凝土结构的收缩徐变效应分析1、混凝土收缩徐变基本概念2、古典流变理论3、CEB78模型与CEB90模型4、徐变效应分析5、结构时变效应分析的有限元方法肖汝诚，桥梁结构分析及程序系统，人民交通出版社。周履，收缩徐变，铁道出版社第1页/共89页1、混凝土收缩徐变基本概念收缩与徐变是混凝土固有的一种时变物理和力学行为，这一特性会导致混凝土结构变形不断增大以及产生较大的内力重分布，严重时，会危及到结构安全。第2页/共89页1、混凝土收缩徐变基本概念帕 劳 共 和 国 于 1978年 修 建 的 科 罗 巴 岛 桥 为 一 跨 中 带 绞 的72m+241m+72m三跨预应力混凝土连续刚构桥

2、梁。到1990年，该桥由于混凝土收缩徐变引起中跨跨中下挠达到1.2m。1996年对该桥进行了加固，加固后3个月桥梁垮塌 1963年建成的美国弗吉尼亚州的Randolph Tucker高中体育馆，其屋盖为30.5m30.5m轻质混凝土双曲抛物面薄壳，1970年屋盖垮塌。事故原因调查结论是“设计对混凝土收缩徐变效应与几何非线性效应的共同作用考虑不足导致结构失稳破坏”第3页/共89页1、混凝土收缩徐变基本概念科罗巴岛桥The bridge was designed to meet the need for a link between the two major islands of Palau,K

3、oror and Babelthuap.第4页/共89页1、混凝土收缩徐变基本概念科罗巴岛桥第5页/共89页1、混凝土收缩徐变基本概念科罗巴岛桥Each half of the bridge had been built as balanced but unsymmetric cantilevers,working away from the main pier,until the back span reached the end pier.This span was then filled with ballast to provide moment reaction for comple

4、tion of the cantilevers.第6页/共89页1、混凝土收缩徐变基本概念科罗巴岛桥When it was completed in 1977,its main span of 241 m(791 ft)set the world record for segmental prestressed concrete box girders.During the 18 years after its completion,the cantilevers deflected due to creep,shrinkage and prestress loss.By 1990 the s

5、ag of the centre line had reached 1.2m,affecting the appearance of the bridge,causing discomfort to road users,and damage to the wearing surface.第7页/共89页1、混凝土收缩徐变基本概念科罗巴岛桥The Palauan government commissioned two teams of experts to assess the safety of the structure and its ability to continue to car

6、ry the design loads in the future.Louis Berger International(USA)and the Japan International Cooperation Agency both concluded that the bridge was safe and would remain so,but the deflection could be expected to increase further in the future(by another 0.9m over the next 100 years).As part of the a

7、ssessment of the bridge a loaded truck weighing 125kN was driven onto the tip of each cantilever to determine its stiffness.The measured deflection was 30.5 mm,which corresponds to a Youngs modulus of the concrete of 18kN/mm2.第8页/共89页1、混凝土收缩徐变基本概念科罗巴岛桥The decision was made to put out to tender remed

8、iation works to correct some of the sag and prevent further deflectionA design proposed by VSL International was accepted,and construction was carried out by Black Micro(a local firm).There were four elements to this retrofit The remedial works were completed in July 1996第9页/共89页1、混凝土收缩徐变基本概念科罗巴岛桥1.

9、Removal of the central hinge to make the structure continuous2.Installation of eight additional,external,post-tensioned prestressing cables inside the box section,running beneath the top slab near the main pier and,via two deviator beams on each side,moving to the bottom of the box near the centre.3

10、.Insertion of eight flat-jacks between the top slabs,in place of the central hinge,which were used to apply an additional 31MN of longitudinal compressive force.4.Replacement of the bridge surface throughout.第10页/共89页1、混凝土收缩徐变基本概念科罗巴岛桥The failure of the KororBabelthuap Bridge in Palau,occurred on 26

11、 September 1996,at around 5:45 in the afternoon.The collapse was catastrophic,killing two people and injuring four more.This caused the government to declare a state of national emergency and request international aid for the thousands of people.第11页/共89页1、混凝土收缩徐变基本概念科罗巴岛桥第12页/共89页1、混凝土收缩徐变基本概念科罗巴岛桥

12、A report prepared by SSFM for the US army describes in detail the most likely mechanism of collapse,inferred from eye-witness accounts.1.Delamination of the top flange occurred near the main pier onthe Babelthuap side.This rendered it incapable of providing resistance against the original post-tensi

13、oning forces causing the rest of the girder to behave as a reinforced concrete girder spanning between the centre and the Babelthuap main pier.第13页/共89页1、混凝土收缩徐变基本概念科罗巴岛桥2.Large hogging moments resulted over the main pier,inducing far greater tensile stresses in the top slab and upper region of the

14、webs than could be sustained.3.The weight of both halves of the main span therefore acted on the Koror side.Unable to sustain this increased load,the remainder of the bridge rotated around the Koror-side main pier,shearing the backspan just east of the end pier and lifting it temporarily into the ai

15、r.第14页/共89页1、混凝土收缩徐变基本概念科罗巴岛桥4.The resulting compressive stresses just east of the Koror main pier caused the base of the box girder to crush and displace into the pier itself.The top slab then failed in tension,the backspan fell to the ground and the central span dropped into the channel.第15页/共89页1

16、、混凝土收缩徐变基本概念科罗巴岛桥Litigation and out-of-court settlements between the Palauan government and the engineers involved have meant that the cause was never officially confirmed,and analysis performed on site was never released.The contrast with the aeronautical industry is marked.For even minor mishaps i

17、nvolving aircraft,international law requires a complete investigation with the publication of all reports,and there is widespread voluntary reporting of dangerous situations which did not lead to accidents.In the structural engineering world no such requirement exists and,perhaps because the failure

18、 occurred in a far-away country,of which we know nothing,it has slipped from our consciousness.第16页/共89页1、混凝土收缩徐变基本概念科罗巴岛桥A worldwide group of 47 experts,therefore proposed a resolution at the Third Structural Engineers World Congress in Bangalore that called,on the grounds of engineering ethics,for

19、 the release of all technical data necessary for analyses of major structural collapses,including the bridge in Palau.The resolution passed on November 6,2007,and was circulated widely.In January 2008,the Attorney General of the Republic of Palau permitted the release of the necessary technical data

20、.第17页/共89页1、混凝土收缩徐变基本概念科罗巴岛桥The bridge has subsequently been rebuilt along the same alignment and with virtually the same span.The work was carried out with aid from Japan and the bridge is known as the Japan-Palau Friendship Bridge.第18页/共89页1、混凝土收缩徐变基本概念混凝土收缩是指混凝土在空气中结硬时体积随着时间推移而不断减小的过程。混凝土出现收缩的主要机

21、理包括：自收缩、干燥收缩与碳化收缩。所谓自收缩是指在没有水分转移下发生的收缩，其产生的原因是水泥水化物的体积小于参与水化反应的水和水泥的体积。当混凝土暴露在大气中，由于混凝土内部吸附水的散失，将出现干燥收缩。自收缩的量值要远远小于后期的干燥收缩，因而，在实际工程应用中，自收缩与干燥收缩在计算模型中一起考虑。碳化收缩是由于混凝土的水泥化合物与二氧化碳发生化学反应的结果 第19页/共89页1、混凝土收缩徐变基本概念徐变是指混凝土在持续应力作用下，其变形随着时间增长而不断增长的一种现象。徐变产生的根本原因可归结于混凝土的粘性特征。第20页/共89页1、混凝土收缩徐变基本概念徐变可分基本徐变(Basi

22、c Creep)和干燥徐变(Drying Creep)。基本徐变是指混凝土与外界无水分交换条件下发生的徐变，一般密闭混凝土中只存在基本徐变。干燥徐变是指混凝土与外界有水分交换时发生的徐变，对于与外界环境直接接触的混凝土，徐变中既有基本徐变又有干燥徐变。第21页/共89页1、混凝土收缩徐变基本概念当混凝土的压应力小于50%的极限抗压强度时，徐变为线性徐变。反之，当压应力高于50%的极限抗压强度时，将产生非线性徐变。对于实际工程结构，在正常使用情况下，都满足压应力小于50%极限抗压强度的条件。也即是说，在绝大部分工程应用中，只需考虑线性徐变。第22页/共89页1、混凝土收缩徐变基本概念第23页/共

23、89页1、混凝土收缩徐变基本概念影响收缩的主要因素水泥品种 CEB90规范将水泥品种区分为慢干水泥、快干高强水泥和快干普通水泥 北美地区习惯于将水泥划分为、和水泥第24页/共89页1、混凝土收缩徐变基本概念影响收缩的主要因素水灰比与含水量第25页/共89页1、混凝土收缩徐变基本概念影响收缩的主要因素第26页/共89页1、混凝土收缩徐变基本概念影响收缩的主要因素骨料含量 骨料含量越大，收缩量越小第27页/共89页1、混凝土收缩徐变基本概念影响收缩的主要因素养护 延长潮湿养护可以延滞收缩发展进程 蒸汽养护可以减少收缩量 高压蒸汽养护可以显著减少收缩量第28页/共89页1、混凝土收缩徐变基本概念影响

24、收缩的主要因素环境湿度第29页/共89页1、混凝土收缩徐变基本概念影响徐变的主要因素水泥种类第30页/共89页1、混凝土收缩徐变基本概念影响徐变的主要因素水灰比第31页/共89页1、混凝土收缩徐变基本概念影响徐变的主要因素第32页/共89页1、混凝土收缩徐变基本概念影响徐变的主要因素骨料第33页/共89页1、混凝土收缩徐变基本概念影响徐变的主要因素第34页/共89页1、混凝土收缩徐变基本概念影响徐变的主要因素第35页/共89页1、混凝土收缩徐变基本概念影响徐变的主要因素养护条件第36页/共89页1、混凝土收缩徐变基本概念影响徐变的主要因素构件形状与尺寸 影响到混凝土与外界环境的湿度交换第37页

25、/共89页1、混凝土收缩徐变基本概念影响徐变的主要因素环境湿度第38页/共89页2、古典徐变理论与其它粘性材料，比如橡胶相比，混凝土的徐变有其独特的特点。对于橡胶这一类材料，其徐变系数方程只与时间间隔有关。而混凝土的徐变系数的描述依赖于两个变量，即加载龄期与时间间隔有关。这一特点是由于混凝土的老化或者熟化(Aging)引起。混凝土老化过程的研究，对于更清楚地认识混凝土的徐变行为有着重要的意义 第39页/共89页2、古典流变理论麦克斯韦模型第40页/共89页2、古典流变理论麦克斯韦模型为常数第41页/共89页2、古典流变理论麦克斯韦模型第42页/共89页2、古典流变理论开尔文模型第43页/共89

26、页2、古典流变理论开尔文模型第44页/共89页2、古典流变理论伯格斯模型第45页/共89页2、古典流变理论固化理论等现代徐变模型第46页/共89页2、古典流变理论固化理论等现代徐变模型第47页/共89页2、古典流变理论第48页/共89页3、CEB78模型与CEB90模型CEB78模型是欧洲混凝土协会1978版规范采用的收缩徐变计算模型。我国的公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范(JTJ023-85)和现行铁路桥涵钢筋混凝土和预应力混凝土结构设计规范(TB10002.3-2005)均采用了CEB78模型 第49页/共89页3、CEB78模型与CEB90模型CEB78模型将徐变分为可恢复徐变和

27、不可恢复徐变，它们分别对应滞后弹性变形和塑性流动变形，并将不可恢复部分的徐变又分成加载时的初始徐变和滞后徐变 第50页/共89页3、CEB78模型加载初期不可恢复徐变 第51页/共89页3、CEB78模型加载初期不可恢复徐变第52页/共89页3、CEB78模型第二项为随时间增长的滞后弹性应变，一般通过查图求得 第53页/共89页3、CEB78模型滞后弹性应变第54页/共89页3、CEB78模型第三项中，为流塑系数，其定义为 为依环境而定的系数，取值查表；依理论厚度h（单位为mm）而定的系数 第55页/共89页3、CEB78模型环境条件相对湿度水 中0.830很 潮 湿901.05野外一般702

28、.01.5很 干 燥403.01第56页/共89页3、CEB78模型第57页/共89页3、CEB78模型第三项中 为随混凝土龄期而增长的滞后塑性应变，与理论厚度h有关 第58页/共89页3、CEB78模型h(mm)CD500.500.390.0330.00151000.390.420.03350.00132000.410.480.0340.00114000.350.540.0350.000858000.290.600.0380.0006516000.200.690.050.00053第59页/共89页3、CEB78模型第60页/共89页3、CEB78模型第61页/共89页3、CEB78模型第6

29、2页/共89页3、CEB78模型第63页/共89页3、CEB78模型第64页/共89页3、CEB90模型欧洲混凝土协会在1990年版的混凝土结构设计规范中采用了CEB90模型。与之前的CEB78模型相比，CEB90模型按用乘积形式描述混凝土收缩徐变规律。我国现行的公路桥涵钢筋混凝土和预应力混凝土结构设计规范（JTGD62-2004）关于收缩徐变计算也采用了CEB90模型 第65页/共89页3、CEB90模型由应力引起的应变(包括瞬时弹性应变和徐变应变)可以写为 为徐变度(Compliance function)物理意义为在 时刻施加单位应力在 时刻产生的应变 第66页/共89页3、CEB90模

30、型混凝土弹性模量发展方程 为与水泥品种相关的常数。对于快干高强水泥、快干普通水泥和慢干水泥，分别取0.20、0.25和0.30 第67页/共89页3、CEB90模型徐变系数 第68页/共89页3、CEB90模型混凝土28天抗压强度平均值 第69页/共89页3、CEB90模型徐变发展方程 第70页/共89页3、CEB90模型收缩应变发展方程 为一跟水泥品种相关的参数，对于快干高强水泥、快干普通水泥和慢干水泥，分别取8、5和4 第71页/共89页3、CEB90模型为收缩开始时间，也即潮湿养护结束时间 第72页/共89页3、不同模型的比较第73页/共89页3、不同模型的比较第74页/共89页3、不同

31、模型的比较第75页/共89页3、不同模型的比较模型徐变模型变异系数收缩模型变异系数研究者ACI 209模型0.5810.553Bazant0.481Fabourakis0.3000.410GardnerCEB78模型0.310FabourakisCEB90模型0.3390.451Bazant0.362Fabourakis0.3700.320GardnerB3模型0.2300.340Bazant0.259Fabourakis0.2900.310GardnerGL2000模型0.2600.250Gardner第76页/共89页4、徐变效应分析混凝土收缩是一个与应力历程无关的物理现象，其数值分析过程

32、相对简单，在有限元分析中可以归结为一个初应变问题进行解决。混凝土徐变效应与结构的应力历程密切相关，其分析计算比收缩效应要困难复杂得多。第77页/共89页4、徐变效应分析叠加原理对于很多混凝土结构，在结构形成过程中，经历了多次施工步骤的转换，结构应力是逐渐累加形成的。同时，对于超静定结构，收缩徐变引起的二次效应将导致结构应力具有时变效应。在计算时变应力作用下混凝土的徐变效应时，需用到叠加原理这一重要假设 第78页/共89页4、徐变效应分析叠加原理叠加原理成立时，对于变应力作用下混凝土的徐变应变可以写为 第79页/共89页4、徐变效应分析叠加原理叠加原理成立需要严格满足以下几个条件 (1)结构应力

33、处于弹性阶段；(2)不出现卸载情况；(3)环境湿度无显著的改变；(4)在初次加载后，无突然增加应力的情况发生。在实际工程结构的计算中，一般可以认为只要满足第一个条件，叠加原理就可成立。第80页/共89页4、徐变效应分析按照龄期调整的有效模量法在满足叠加原理的前提下，求解变应力作用下的徐变问题需要求解一个积分方程，这种做法在实际工程分析中是非常不方便的 按照龄期调整的有效模量法的最早为Trost于1967年提出，随后，在1972年，Bazant对这一方法进行了完善。ACI 209分委会推荐该方法为徐变效应的工程分析方法。Bazant根据复杂程度由低到高分为5级，对于第4级结构，即大跨度桥梁和大型

34、建筑等结构，建议采用按照龄期调整的有效模量法计算徐变效应。第81页/共89页4、徐变效应分析按照龄期调整的有效模量法连续变化的应变与应力的关系可以表示为定义徐变应力和徐变应变为 第82页/共89页4、徐变效应分析按照龄期调整的有效模量法若假定混凝土弹性模量为常数 采用积分中值定理将上式表示的积分方程转化为代数方程求解 第83页/共89页4、徐变效应分析按照龄期调整的有效模量法 被称为时效函数（老化系数、松弛系数），是与时间相关的函数，反映混凝土的老化性质 第84页/共89页4、徐变效应分析按照龄期调整的有效模量法 即为按龄期调整的有效弹性模量或徐变等效弹性模量 第85页/共89页4、徐变效应分析按照龄期调整的有效模量法在实际计算中，不必过分追求老化系数的精确程度，因为徐变计算误差最大的方面还在于徐变系数的选择（老化系数的取值问题，自学）第86页/共89页4、徐变效应分析简支梁的徐变变形分析总挠度有效预应力引起的挠度初始预应力引起的挠度结构自重引起的挠度二期恒载引起的挠度活载挠度徐变系数第87页/共89页4、徐变效应分析对于实际混凝土桥梁结构，由于结构复杂，在施工过程中会涉及多次体系装换，取收缩徐变效应分析往往采用有限元分析方法在下一章的教学中，将针对混凝土桥梁结构的有限元分析以及徐变效应分析进行讨论第88页/共89页感谢您的观看！第89页/共89页