混凝土结构收缩应力问题研究

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1、第30卷第1期河海大学学报Vol.30No.12002年1月JOURNALOFHOHAIUNIVERSITYJan.2002混凝土结构收缩应力问题研究1211梅明荣,葛世平,陈军,卓家寿(1.河海大学土木工程学院,江苏南京210098;2.上海地铁总公司,上海200031)摘要:扼要阐述了混凝土干缩变形及其分析方法,采用两种方法研究混凝土干缩应力的变化规律.对于估算法,其结果比较可靠,而计算湿度场方法仅仅是处于探讨阶段.当考虑混凝土干缩作用时,结构的应力值要大于不考虑干缩的影响,特别是对于薄壁或薄板结构.通过有限元仿

2、真,对上海地铁地下车站混凝土框架结构的干缩应力进行了计算,在一定程度上揭示了结构干缩应力的变化趋势.关键词:湿度;干缩;徐变收缩应力;有限元;混凝土结构+中图分类号:U231.4;TU921文献标识码:A文章编号:1000O1980(2002)01O0073O06混凝土由于其所含水分的变化、化学反应等因素引起的体积缩小称为干缩.当混凝土结构处于自由状态时,这样的收缩不会导致不良后果.但实际上由于基础、配筋或相邻部分的约束会引起拉应力.混凝土的抗拉强度不高,容易产生裂缝,从而会影响结构的承载能力和耐久性,特别是对于薄壁

3、结构.收缩是非荷载作用引[1～3]起混凝土结构裂缝最常见的因素,作为一项重要变形性能,国内外有关学者对此做了大量研究工作.然[4,5]而专门关于混凝土干缩应力分析的研究则不多见.上海地铁车站混凝土框架结构的两侧是混凝土连续墙,底部为软土基.结构的约束条件较为复杂.在施工后期,框架的侧墙出现了明显的裂缝,且多数呈45°角的走向.初步分析认为混凝土早期的温度应力、干缩变形是结构产生开裂的主要原因.本文将着重讨论混凝土干缩应力分析方法以及干缩应力对地铁车站框架结构的影响.1干缩应力分析1.1混凝土干缩特性混凝土干缩的机理比

4、较复杂,有几种不同的观点,如毛细管张力学说认为收缩与干燥过程中毛细管中水的弯液面有关.在毛细管水蒸发过程中,混凝土处于不断增强的压缩状态,导致混凝土外观体积的缩小.表面张力学说认为吸附水一旦从水泥凝胶上脱离,表面张力就要增加,胶粒被压缩从而引起固体颗粒体积变化.此外,还有其他的一些学说.从几种干缩机理学说来看,干燥产生水泥石收缩不是单一机理可解释清楚的,而是多种原因重叠交错造成的.影响混凝土收缩的因素很多.从材料角度来看,水泥品种、集料品种、配合比以及细掺料的种类与掺量、外加剂的种类与掺量等等都对收缩有影响;从施工角

5、度来看,混凝土结构周围的环境条件对收缩有很大影响,如相对湿度越低收缩值越大、表面覆盖层可以降低收缩应力;从结构的角度来看,结构断面尺寸、体积与表面积的比值也对收缩有显著的影响.因此,要想真正弄清混凝土干缩产生的原因以及相应的预防措施,就必须从上述三个方面综合考虑,才能找出有效的对策来防止干缩裂缝的发生.1.2干缩的理论解方法前面已阐述了混凝土产生干缩的重要因素是混凝土内部水分的蒸发.要了解干缩应力的分布状态,首先要了解混凝土内部湿度变化的基本规律以及变形与湿度的关系.收稿日期:2000O12O15作者简介:梅明荣(1

6、960—),男,上海人,副教授,硕士,从事混凝土结构应力分析和混凝土材料性能研究.74河海大学学报2002年1月[4]有关试验研究表明,混凝土内部相对湿度的变化规律和温度一样,可以较好地服从扩散方程225U5U5U=k2+2(1)5τ5x5y其边界条件为5Uk=β1(UF-UB)(2)5n式中:U———湿度,即单位重量的混凝土所含水的重量,是坐标和时间的函数;UF———混凝土表面的湿度;UB———周围的平衡湿度;k———湿度扩散系数;β1———水分交换系数.由于式(1)(2)与描述温度场的数学表达式完全相似,因此,温

7、度场边值问题的解法可以完全套用到湿度扩散场的求解.当相对湿度为单调变化时,湿度引起的混凝土变形与湿度变化成线性关系,这样就可以计算干缩应力.本文将采用该方法对典型浇注块进行干缩应力分析.但在很多情况下,相对湿度引起的变形与相对湿度并不成线性关系,且相对湿度引起的变形也不是完全可逆的.文献[6]给出了考虑混凝土相对湿度与温度耦合变化的结构徐变与干缩应力的计算模式,采用Prony2Dirichlet级数表示应力松弛函数,可以比较精确地计算干缩应力.然而与混凝土的温度场和温度应力相比,人们对其湿度场及其干缩应力了解得还很少

8、,特别是有关参数及边界条件往往不易确定或难以找出相对准确的范围.所以,这条途径计算干缩应力是比较困难的.目前国际上通常采用的是估算方法.1.3收缩的估算方法混凝土收缩表达式是表示混凝土收缩变形与龄期关系的数学方程式,一般是通过实测试验数据回归分析得出.由于在实际工程中,很难将干缩变形与其他收缩变形区分开.在特定的实验室条件下或者忽略某些次要因素