鋼筋混凝土梁徐變破壞數值分析研究

劉君峰 郭 紅

(山東科技大學土木工程與建筑學院，山東 青島 266590)

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鋼筋混凝土梁徐變破壞數值分析研究

劉君峰 郭 紅

(山東科技大學土木工程與建筑學院，山東 青島 266590)

模擬受彎混凝土梁在長期持續荷載作用下的徐變損傷情況，分別探討了混凝土強度等級和配筋率兩種因素對試件梁徐變變形的影響，并對模擬結果分析，結合理論和模擬分析研究，對解決工程應用中承重梁持續作用變形問題有參考意義。

徐變，破壞，混凝土梁，位移

0 引言

在工程建筑應用中，混凝土結構梁是承重結構中最為基礎的且不可缺少的結構構件，在長期持續承重狀態下，易受空氣成分的腐蝕、疲勞荷載效應、徐變作用及構件內部成分之間的變形影響，會出現混凝土裂縫的開展、積累，致使結構最后破壞，因此對混凝土結構構件裂紋擴展等破壞問題研究尤為重要。國內外對混凝土結構徐變研究相對較多，對其徐變損傷研究較少，如李兆霞教授曾利用試驗研究分析了高應力作用下的混凝土結構徐變與徐變破壞行為[1]。根據混凝土徐變破壞機理分析，混凝土本身是脆性材料，由于自身材質的不均一性，必然存在微裂縫，用于建筑結構中，在持續受力作用下，構件會產生變形，必然會引起裂縫的不斷擴展，裂縫的不斷擴展和積累就會導致構件的破壞，這種行為就是損傷。混凝土結構損傷有多種因素影響，形如時效性徐變損傷、疲勞荷載損傷、溫度效應損傷、徐變效應損傷及收縮作用損傷等，更多學者作出了研究成果[2,3]。對于大跨度結構形如混凝土結構梁，在持續荷載作用下，整體會發生變形，混凝土梁上部混凝土受壓，下部混凝土受拉，結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荷載作用下易發生開裂現象。混凝土開裂破壞從損傷力學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構穩定性，從而出現發散變形。實際結構材料破壞是一個漸進過程，結構從受力到出現裂紋(損傷)、裂紋擴展到失穩斷裂，整個過程經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荷載作用下，受彎混凝土結構梁的徐變損傷情況，并從混凝土強度等級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荷載作用下，結構隨時間發生變形，結構材料出現裂縫、擴張及積累最后導致材料劣化的過程，這實質上也是徐變破壞的過程，屬于損傷力學范疇。徐變損傷是由兩部分構成：結構界面處裂縫的損傷和砂漿內裂縫的損傷。這兩種損傷的產生都與混凝土徐變影響因素密切相關，徐變影響因素包括內部因素和外部因素，內部因素主要包括：水泥的品種等級、骨料、外加劑等；外部因素包括持荷大小、時間與齡期，構件尺寸大小，溫濕度環境及養護條件等。

1963年蘇聯Rabotnov在其老師Kachnov得出金屬材料斷裂“連續因子”等概念的基礎上，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，材料完好無損；若D=1時，材料斷裂。本文研究的重點在0

2 混凝土結構梁裂縫問題

在混凝土結構建筑的新發展時期，裂縫控制問題將是混凝土結構面臨的主要問題。在硬化過程中混凝土往往會發生收縮反應，若溫度變化也就會產生熱脹冷縮效應，這兩種變化發生的同時自然會受到外界因素的約束，從而會造成內部產生收縮應力和溫度應力。溫度收縮產生的應力一旦超過混凝土結構的極限抗拉強度值，這時混凝土就會出現裂紋痕跡。在超長混凝土結構中，收縮應力與溫度應力共同產生的溫度收縮裂縫普遍比因收縮應力產生的收縮裂縫和溫度應力產生的溫度裂縫任何一個嚴重[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生才是重中之重。我國在裂縫控制方面取得了顯著進展，主要采用裂縫控制技術為“抗放兼備、以抗為主”的方針策略，溫度收縮裂縫發生在施工階段，為消除或減小因溫度差異與收縮變形引起的結構早期裂縫，可以從兩個方面入手，首先將超長混凝土結構劃分為多個數量段，在兩段之間預留一定寬度的距離，這樣可以有效釋放每段內的混凝土溫度應力和收縮變形產生的應力；其次將獨立的整體澆筑，這樣可以抵抗再次澆筑帶來的溫度應力和收縮變形(這也是后澆帶的原理)[6]。

對于溫度差異產生的混凝土結構縫隙問題，一般都是為控制裂縫的產生而設置伸縮縫的方法，這類方法是我國相應規范所規定的。為了降低溫度差，可以合理選用高效保溫混凝土結構材料，即符合建筑節能設計標準的要求；適當的提高結構內配筋率，同時合理的布置構造筋，也能對控制裂縫起到較好的效果。通過提前施加預應力對混凝土的方法也可以有效抵制裂縫的產生及進一步發展，這種方法不僅可以增強梁結構的剛度，還可以在結構內產生預壓應力，此預壓應力可以與由于溫度差異和混凝土收縮產生的拉應力抵消。

面對混凝土結構收縮問題的處理時，普遍運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構自由伸縮的空間，這樣就可以減少混凝土結構內收縮應力。自19世紀80年代末，補償混凝土技術就大量運用在我國建筑工程中，對溫度收縮裂縫的控制很有效，這種技術是利用內摻法，將數量膨脹劑摻入混凝土中利用產生的膨脹應力來抵抗收縮裂縫的發展[7]。收縮混凝土補償的工作機理是利用化學反應即摻入混凝土中的膨脹劑與水泥的水化產物反應，生成一定量的膨脹源(鈣礬石)，在混凝土結構內產生的膨脹自應力與裂縫產生的拉應力抵消。往往這種膨脹源受環境和施工條件的影響嚴重，不同含量或不同種類的膨脹劑產生的膨脹率也不同[6]。膨脹劑的補償效果僅對混凝土硬化過程中的干冷縮有效，這就說明對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 混凝土結構徐變數值模擬分析

利用ANSYS有限元模擬分析持續荷載作用下試件梁的彎壓徐變實驗，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，在梁實際加載點處輸入參數，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，得出試件梁出現裂縫時相應的荷載和試件梁完全斷裂破壞時相應的荷載(見表1，表2)。

表1 試驗因素參數表

水平因素混凝土強度等級配筋率/%1C2502C300．63C401．3

表2 加載水平參數 kN

對相應的試件梁進行模擬持續荷載作用下變形情況分析，加載水平采用極限荷載的60%進行模擬加載。整理數據，繪制曲線圖(如圖3所示)，并分析結果。

通過模擬試件梁彎壓徐變變形研究，結合變形曲線，可知，1號梁、4號梁及7號梁為素混凝土梁，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，加載一段時間后，位移變形增長緩慢，最后達到穩定狀態，觀察試件梁的裂縫云圖，可知在加載初期裂縫開展較快，后期也達到穩定狀態，直到最后試件梁結束使用壽命。通過逐一分析可知，混凝土強度越高，配筋率越大，混凝土結構梁變形越小，裂縫開展幾率越小，因此，在建筑工程中，經濟允許的情況下，合理提高配筋率和混凝土強度有利于建筑的安全性能。

[1] 李兆霞,錢濟成.混凝土徐變損傷演變方程及其在非線性徐變理論中的應用[J].河海大學學報,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.非線性粘彈性本構理論及其求解方法的研究[D].湘潭：湘潭大學,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力場分析方法[J].大連理工大學學報,2005,45(1):121-127.

[5] 祝昌墩,陳 敏,楊 楊.高強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.混凝土膨脹劑應用技術[J].中國建材科技,2004(6):8-15.

[7] 混凝土收縮徐變協作組.混凝土收縮與徐變的實用數學表達式的試驗研究[J].建筑科學，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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