鋼筋混凝土梁徐變破壞數(shù)值分析研究

劉君峰 郭 紅

(山東科技大學(xué)土木工程與建筑學(xué)院，山東 青島 266590)

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鋼筋混凝土梁徐變破壞數(shù)值分析研究

劉君峰 郭 紅

(山東科技大學(xué)土木工程與建筑學(xué)院，山東 青島 266590)

模擬受彎混凝土梁在長(zhǎng)期持續(xù)荷載作用下的徐變損傷情況，分別探討了混凝土強(qiáng)度等級(jí)和配筋率兩種因素對(duì)試件梁徐變變形的影響，并對(duì)模擬結(jié)果分析，結(jié)合理論和模擬分析研究，對(duì)解決工程應(yīng)用中承重梁持續(xù)作用變形問題有參考意義。

徐變，破壞，混凝土梁，位移

0 引言

在工程建筑應(yīng)用中，混凝土結(jié)構(gòu)梁是承重結(jié)構(gòu)中最為基礎(chǔ)的且不可缺少的結(jié)構(gòu)構(gòu)件，在長(zhǎng)期持續(xù)承重狀態(tài)下，易受空氣成分的腐蝕、疲勞荷載效應(yīng)、徐變作用及構(gòu)件內(nèi)部成分之間的變形影響，會(huì)出現(xiàn)混凝土裂縫的開展、積累，致使結(jié)構(gòu)最后破壞，因此對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)構(gòu)件裂紋擴(kuò)展等破壞問題研究尤為重要。國(guó)內(nèi)外對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)徐變研究相對(duì)較多，對(duì)其徐變損傷研究較少，如李兆霞教授曾利用試驗(yàn)研究分析了高應(yīng)力作用下的混凝土結(jié)構(gòu)徐變與徐變破壞行為[1]。根據(jù)混凝土徐變破壞機(jī)理分析，混凝土本身是脆性材料，由于自身材質(zhì)的不均一性，必然存在微裂縫，用于建筑結(jié)構(gòu)中，在持續(xù)受力作用下，構(gòu)件會(huì)產(chǎn)生變形，必然會(huì)引起裂縫的不斷擴(kuò)展，裂縫的不斷擴(kuò)展和積累就會(huì)導(dǎo)致構(gòu)件的破壞，這種行為就是損傷。混凝土結(jié)構(gòu)損傷有多種因素影響，形如時(shí)效性徐變損傷、疲勞荷載損傷、溫度效應(yīng)損傷、徐變效應(yīng)損傷及收縮作用損傷等，更多學(xué)者作出了研究成果[2,3]。對(duì)于大跨度結(jié)構(gòu)形如混凝土結(jié)構(gòu)梁，在持續(xù)荷載作用下，整體會(huì)發(fā)生變形，混凝土梁上部混凝土受壓，下部混凝土受拉，結(jié)合混凝土本身材料抗壓、不易抗拉的特性，可知梁下部混凝土在持續(xù)荷載作用下易發(fā)生開裂現(xiàn)象。混凝土開裂破壞從損傷力學(xué)角度分析就是材料微觀變形到宏觀開裂的過程，荷載超過材料承載極限值后打破了原有的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，從而出現(xiàn)發(fā)散變形。實(shí)際結(jié)構(gòu)材料破壞是一個(gè)漸進(jìn)過程，結(jié)構(gòu)從受力到出現(xiàn)裂紋(損傷)、裂紋擴(kuò)展到失穩(wěn)斷裂，整個(gè)過程經(jīng)歷了損傷積累和演化，材料性能將逐漸趨于劣化。本文研究的是在持續(xù)荷載作用下，受彎混凝土結(jié)構(gòu)梁的徐變損傷情況，并從混凝土強(qiáng)度等級(jí)和配筋率兩種影響因素分析裂縫問題，從中提出控制裂縫開展的方案。

1 徐變破壞原理

徐變是混凝土在持續(xù)荷載作用下，結(jié)構(gòu)隨時(shí)間發(fā)生變形，結(jié)構(gòu)材料出現(xiàn)裂縫、擴(kuò)張及積累最后導(dǎo)致材料劣化的過程，這實(shí)質(zhì)上也是徐變破壞的過程，屬于損傷力學(xué)范疇。徐變損傷是由兩部分構(gòu)成：結(jié)構(gòu)界面處裂縫的損傷和砂漿內(nèi)裂縫的損傷。這兩種損傷的產(chǎn)生都與混凝土徐變影響因素密切相關(guān)，徐變影響因素包括內(nèi)部因素和外部因素，內(nèi)部因素主要包括：水泥的品種等級(jí)、骨料、外加劑等；外部因素包括持荷大小、時(shí)間與齡期，構(gòu)件尺寸大小，溫濕度環(huán)境及養(yǎng)護(hù)條件等。

1963年蘇聯(lián)Rabotnov在其老師Kachnov得出金屬材料斷裂“連續(xù)因子”等概念的基礎(chǔ)上，推出“損傷因子”的概念，其中損傷變量D的公式[4]為：

(1)

由式(1)分析可知，若D=0時(shí)，材料完好無損；若D=1時(shí)，材料斷裂。本文研究的重點(diǎn)在0

2 混凝土結(jié)構(gòu)梁裂縫問題

在混凝土結(jié)構(gòu)建筑的新發(fā)展時(shí)期，裂縫控制問題將是混凝土結(jié)構(gòu)面臨的主要問題。在硬化過程中混凝土往往會(huì)發(fā)生收縮反應(yīng)，若溫度變化也就會(huì)產(chǎn)生熱脹冷縮效應(yīng)，這兩種變化發(fā)生的同時(shí)自然會(huì)受到外界因素的約束，從而會(huì)造成內(nèi)部產(chǎn)生收縮應(yīng)力和溫度應(yīng)力。溫度收縮產(chǎn)生的應(yīng)力一旦超過混凝土結(jié)構(gòu)的極限抗拉強(qiáng)度值，這時(shí)混凝土就會(huì)出現(xiàn)裂紋痕跡。在超長(zhǎng)混凝土結(jié)構(gòu)中，收縮應(yīng)力與溫度應(yīng)力共同產(chǎn)生的溫度收縮裂縫普遍比因收縮應(yīng)力產(chǎn)生的收縮裂縫和溫度應(yīng)力產(chǎn)生的溫度裂縫任何一個(gè)嚴(yán)重[5]。因此，采取何種有效措施和如何采取有效措施控制這類裂縫的產(chǎn)生才是重中之重。我國(guó)在裂縫控制方面取得了顯著進(jìn)展，主要采用裂縫控制技術(shù)為“抗放兼?zhèn)洹⒁钥篂橹鳌钡姆结槻呗裕瑴囟仁湛s裂縫發(fā)生在施工階段，為消除或減小因溫度差異與收縮變形引起的結(jié)構(gòu)早期裂縫，可以從兩個(gè)方面入手，首先將超長(zhǎng)混凝土結(jié)構(gòu)劃分為多個(gè)數(shù)量段，在兩段之間預(yù)留一定寬度的距離，這樣可以有效釋放每段內(nèi)的混凝土溫度應(yīng)力和收縮變形產(chǎn)生的應(yīng)力；其次將獨(dú)立的整體澆筑，這樣可以抵抗再次澆筑帶來的溫度應(yīng)力和收縮變形(這也是后澆帶的原理)[6]。

對(duì)于溫度差異產(chǎn)生的混凝土結(jié)構(gòu)縫隙問題，一般都是為控制裂縫的產(chǎn)生而設(shè)置伸縮縫的方法，這類方法是我國(guó)相應(yīng)規(guī)范所規(guī)定的。為了降低溫度差，可以合理選用高效保溫混凝土結(jié)構(gòu)材料，即符合建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)的要求；適當(dāng)?shù)奶岣呓Y(jié)構(gòu)內(nèi)配筋率，同時(shí)合理的布置構(gòu)造筋，也能對(duì)控制裂縫起到較好的效果。通過提前施加預(yù)應(yīng)力對(duì)混凝土的方法也可以有效抵制裂縫的產(chǎn)生及進(jìn)一步發(fā)展，這種方法不僅可以增強(qiáng)梁結(jié)構(gòu)的剛度，還可以在結(jié)構(gòu)內(nèi)產(chǎn)生預(yù)壓應(yīng)力，此預(yù)壓應(yīng)力可以與由于溫度差異和混凝土收縮產(chǎn)生的拉應(yīng)力抵消。

面對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)收縮問題的處理時(shí)，普遍運(yùn)用布置后澆帶的方式，這種方式只是為了減少收縮裂縫，可以給澆筑好的混凝土結(jié)構(gòu)自由伸縮的空間，這樣就可以減少混凝土結(jié)構(gòu)內(nèi)收縮應(yīng)力。自19世紀(jì)80年代末，補(bǔ)償混凝土技術(shù)就大量運(yùn)用在我國(guó)建筑工程中，對(duì)溫度收縮裂縫的控制很有效，這種技術(shù)是利用內(nèi)摻法，將數(shù)量膨脹劑摻入混凝土中利用產(chǎn)生的膨脹應(yīng)力來抵抗收縮裂縫的發(fā)展[7]。收縮混凝土補(bǔ)償?shù)墓ぷ鳈C(jī)理是利用化學(xué)反應(yīng)即摻入混凝土中的膨脹劑與水泥的水化產(chǎn)物反應(yīng)，生成一定量的膨脹源(鈣礬石)，在混凝土結(jié)構(gòu)內(nèi)產(chǎn)生的膨脹自應(yīng)力與裂縫產(chǎn)生的拉應(yīng)力抵消。往往這種膨脹源受環(huán)境和施工條件的影響嚴(yán)重，不同含量或不同種類的膨脹劑產(chǎn)生的膨脹率也不同[6]。膨脹劑的補(bǔ)償效果僅對(duì)混凝土硬化過程中的干冷縮有效，這就說明對(duì)于解決混凝土的溫度收縮問題是無效的，膨脹劑一般不作提高混凝土抗拉強(qiáng)度的材料，若想解決溫度收縮裂縫問題還需要膨脹劑配合其他方法。

3 混凝土結(jié)構(gòu)徐變數(shù)值模擬分析

利用ANSYS有限元模擬分析持續(xù)荷載作用下試件梁的彎壓徐變實(shí)驗(yàn)，其中混凝土采用無配筋的Sodlid65單元和鋼筋采用Link8單元，建立模型見圖1，試件梁受力見圖2。

建立有限元梁模型之后，在梁實(shí)際加載點(diǎn)處輸入?yún)?shù)，先通過模擬確定試件梁的開裂荷載和極限荷載，通過觀察試件梁的裂縫云圖，得出試件梁出現(xiàn)裂縫時(shí)相應(yīng)的荷載和試件梁完全斷裂破壞時(shí)相應(yīng)的荷載(見表1，表2)。

表1 試驗(yàn)因素參數(shù)表

水平因素混凝土強(qiáng)度等級(jí)配筋率/%1C2502C300．63C401．3

表2 加載水平參數(shù) kN

對(duì)相應(yīng)的試件梁進(jìn)行模擬持續(xù)荷載作用下變形情況分析，加載水平采用極限荷載的60%進(jìn)行模擬加載。整理數(shù)據(jù)，繪制曲線圖(如圖3所示)，并分析結(jié)果。

通過模擬試件梁彎壓徐變變形研究，結(jié)合變形曲線，可知，1號(hào)梁、4號(hào)梁及7號(hào)梁為素混凝土梁，開裂荷載即斷裂荷載，素混凝土梁為脆性破壞；對(duì)這九組試件梁分析可知，在加載初期，位移變形較大，呈線性變化，加載一段時(shí)間后，位移變形增長(zhǎng)緩慢，最后達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，觀察試件梁的裂縫云圖，可知在加載初期裂縫開展較快，后期也達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，直到最后試件梁結(jié)束使用壽命。通過逐一分析可知，混凝土強(qiáng)度越高，配筋率越大，混凝土結(jié)構(gòu)梁變形越小，裂縫開展幾率越小，因此，在建筑工程中，經(jīng)濟(jì)允許的情況下，合理提高配筋率和混凝土強(qiáng)度有利于建筑的安全性能。

[1] 李兆霞,錢濟(jì)成.混凝土徐變損傷演變方程及其在非線性徐變理論中的應(yīng)用[J].河海大學(xué)學(xué)報(bào),1989(2):26-34.

[2] A.M.Neville, J.J.Brooks:Creep of Plain and structural concrete,construction Press.London And New York,2002.

[3] 李軼鶴.非線性粘彈性本構(gòu)理論及其求解方法的研究[D].湘潭：湘潭大學(xué),2003.

[4] 劉海成,宋玉普,吳智敏.考慮溫度影響的大體積混凝土應(yīng)力場(chǎng)分析方法[J].大連理工大學(xué)學(xué)報(bào),2005,45(1):121-127.

[5] 祝昌墩,陳 敏,楊 楊.高強(qiáng)混凝土的收縮和早期徐變特性[J].混凝土與水泥制品,2005(2)：1-4.

[6] 游寶坤.混凝土膨脹劑應(yīng)用技術(shù)[J].中國(guó)建材科技,2004(6):8-15.

[7] 混凝土收縮徐變協(xié)作組.混凝土收縮與徐變的實(shí)用數(shù)學(xué)表達(dá)式的試驗(yàn)研究[J].建筑科學(xué)，2003(3)：13-16.

Numerical analysis on creep failure of reinforced concrete beams

Liu Junfeng Guo Hong

(ScienceandTechnologyUniversityofShandong,CollegeofCivilEngineeringandArchitecture,Qingdao266590,China)

In this paper, the creep damage of a flexural concrete beam under long-term sustained load is simulated, the influence of two factors, strength grade and reinforcement ratio, on creep deformation of specimen beam is analyzed respectively. The analysis of the simulation results, combined with theoretical and simulation analysis, is a reference for the study of the continuous deformation of bearing beam in engineering applications.

creep, destruction, concrete beam, displacement

1009-6825(2017)18-0031-03

2017-04-15

劉君峰(1991- )，女，在讀碩士； 郭 紅(1992- )，女，在讀碩士

TU312.3

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