简支组合梁长期变形下混凝土收缩模式研究.pdf
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1、第 1 期 2 0 1 4年 2月 水利水运工程学报 HYD Ro s I口匝NCE A ND EN GD哑ER I NG No 1 Fe b2 01 4 简支组合梁长期变形下混凝土收缩模式研究 李达 ,牟在根 ( 1 北京科技大学 土木与环境工程学院,北京1 0 0 0 8 3 ; 2 太原理工大学 阳泉学院,山西 阳泉0 4 5 0 0 0 ) 摘要 : 长期荷载作用下, 钢一 混凝土组合梁会因混凝土的收缩而产生附加变形, 我国现行规范均未详细考虑这 一 附加变形对组合梁长期变形的影响。分析研 究 了国内外文献 中有关 混凝 土收缩 的计算理论 , 基于澳洲 规范 ( A S 3 6 0
2、0 1 9 8 8 ) 建立了考虑混凝土收缩应变的组合梁附加挠度计算式 , 对实际工程中的2根典型组合梁进行了 实际收缩效应的计算, 利用有限差分模拟分析软件 F L A C 对组合梁在收缩效应下的变形进行了模拟计算 , 并对 各项计算结果进行了分析比较。计算结果、 F L A C 数值模拟结果及实测数据的对比分析表明, 该计算式的计算 值与模拟值和实测值最为接近, 可用于组合梁长期附加挠度的计算分析。 关 键 词 : 简支组合梁; 长期变形 ; 混凝土收缩模式 中图分类号: T U 5 2 8 0 1 文献标志码 : A 文章编号 : 1 0 0 9 6 4 0 X( 2 0 1 4 ) 0
3、 1 0 0 5 6 0 6 流态混凝土在固化过程 中因失水 、 化学反应及温度降低等因素 引起 的体积缩小现象 , 称为混凝土的收 缩 。在长期荷载作用下 , 钢一 混凝土组合梁会 因翼缘混凝土 的收缩而产生附加挠度变形。本文在前人研究 的基础上 , 分析了不同收缩模式下附加变形的发展趋势和特点 , 建立了基于混凝土收缩的组合梁附加挠度计 算模式。 1 常用混凝土收缩计算模式简述 影响混凝土收缩变形的主要因素有 : 水泥 的品种和用量 ; 水灰 比; 骨料的性质、 粒径和含量 ; 养护条件 ; 使 用期的环境条件 ; 构件的形状和尺寸 ( 体积与面积 比) ; 添加剂 、 构件 的配筋率 ,
4、 以及混凝土受力状态等等。 基于上述因素, 国内外学者提出了多种预测收缩变形的计算模式 。 美 国混凝土学会( A C I ) 2 0 9委员会推荐 的混凝土随时间的收缩可以用下式 表示 : t , h( t ) = _ _ , ( 7 8 0 h 3 j 3 。 1 0 ) ( 1 ) - ) 式中 和 r z 对给定形状和尺寸试件时为常数 , A C I 建议 取 1 取 3 5 ( 湿养护 ) 或 5 5 ( 蒸汽养护) ; 3 , 卢 , , , ,卢 分别是干燥前养护时间 、 环境湿度 、 体积一 表面积 比、 混凝土配合 比、 坍落度 、 骨料含量 、 水泥用 量 、 混凝土含气量
5、等因素的影响系数 。 澳洲规范 ( 简称 A S 3 6 0 0 1 9 8 8 ) E 2 中混凝土收缩的计算公式为 : 占 ( t )=K 1 h f) h ( 2 ) 式中: 。 为基本收缩应变, 其值为5 0 0 x 1 0 1 0 0 0 1 0 , 文献 2 推荐可取中间值 7 0 0 X 1 0 ; K 为与尺 寸、 温度和湿度有关的混凝土收缩系数, 其取值详见文献 2 。 欧洲混凝土委员会制定的规范 C E B F I P M C 9 0中 J , 混凝土构件的平均收缩应变用下式表示: 收稿 日期 : 2 0 1 3 - 0 7 2 3 基金项目: 山西省 自然科学基金资助项目
6、( N o 2 0 1 3 0 1 1 0 2 7 2 ) 作者简介: 李达( 1 9 6 9 一 ) , 男, 山西平定人 , 副教授, 博士研究生, 主要从事组合结构、 钢结构及混凝土结构研究。 E ma i l :b h 1 2 0 0 2 2 4 6 1 6 3 c 0 m 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 1 期 李达,等: 简支组合梁长期变形下混凝土收缩模式研究 5 7 。 ( , t ) = 。 ( t , t ) ( 3 ) 式中 : 为名义收缩系数( 极 限收缩变形) ; 1 3 ( t , t ) 为随时间变化 的系数 , 具体取值及适用范
7、围见文献 4 。 我国学者王铁梦教授根据多年的工程实践得出了经历任意时间的混凝土干燥收缩计算公式 : 。 h( t )=3 2 4 X 1 0 ( 1一e - 0 0 1 t ) 1 M ( 4 ) 式中: 3 2 4 1 0 为标准状态下混凝土的最终收缩 , , , , 为考虑各种非标准条件的修正系数 。 美国的 Z P B a z a n t 教授在总结前人大量试验数据的基础上 , 于 2 0世纪 7 0年代末 8 0年代初提 出了 B P 系列模式。1 9 9 5年又提出了更为简化 、 理论性更强的 B 3模式 , 其中收缩应变 的计算公式 为 : ( t ) = h k h S ( t
8、 ) ( 5 ) 式 中: s 为干燥收缩应变的最终值( 与 A C I 模式不同, 由混凝土配合 比及抗压强度 、 弹性模量等因素决定 , 但不包含形状 、 尺寸 、 湿度等因素) ; 为湿度相关系数 ; S ( ) 为与干缩时间 有关 的干缩过程 函数 。B 3模式 考虑了水泥品种 、 水灰比、 水泥用量 、 骨灰 比及混凝土抗压强度等的影响。 除了以上列举的几种计算收缩 的模式外 , 还有 G L 2 0 0 0 , G Z ( 1 9 9 3 ) 等模式。 2 实例计算及分析 本文选取北京某大厦西塔楼 ( 4 4层 、 1 8 6 m高钢筋 混凝土、 钢梁组合楼板混合结构) 9 层顶的
9、两根典型组合 梁 1 0 G L 一 1和 1 0 G L 一 2为研究对象 , 进行 了收缩影响下 的附加挠度计算和现场挠度测量 , 并采用有限差分模拟 分析软件 F L A C 如对组合梁收缩效应做 了相应 的模拟分 析。组合梁数据如下 : G L 一 1 , 跨度 1 1 3 8 5 m, 型钢 H 3 4 0 x 2 5 0 x 9 x 1 4 ; G L - 2 , 跨度 9 8 1 m, 型钢 H 2 9 4 2 0 0 8 x 1 2 ; 钢梁材料为 Q 3 4 5 B。混凝土 为 C 4 0, 板厚 均为 7 0 m m。 梁上 布 置 两 排 直 径 1 9 mm 的 钢 栓
10、 钉 连 接 件 , 排 距 6 0 mm, 纵向间距 1 9 5 m m, 熔焊后高度为 9 0 mm。钢栓 钉连接件为 ML 1 5 , 屈服强度 标准值 ( ) 3 2 0 N m m , 抗拉 强 度标 准值 ( ) 4 0 0 N mm , 伸 长率 ( ) 1 4 。 9层顶钢梁结构平面布置见 图 1 。 2 1 收缩影响下的附加挠度计算及现场实测 基于文献 7 - 9 的推导 , 根据结构力学的方法 , 忽略 r L 2- -k 一 -4_ 2- -k 3- 3- -L 3- 2- -A_ k- _L 工 I 一 一 一 J r 富 i 一 1 l 上 T 上 上 T T 上 a
11、 目 D T 上 T I 厂 1 I I I I l I I I -T q - - - - - 4 卜_ 卜_ - - - t - 卜 3 - -F 。 咖I啪 1 图 1 9层顶钢梁平 面布置 F i g 1 P l a n o f 9 - l a y e r r o o f s t e e l b e a m 剪切变形的影响, 可得到考虑收缩应变 ( t ) 影响的组合梁附加挠度计算式: r r d a f 。 J ( ) ( 6 ) 式 中: d 为钢梁截面形心到混凝土翼缘板形心之间的距离 ; 。 , 分别为混凝土翼板 ( , A ) 和钢梁截面 ( , , A ) 的惯性矩一 面积比;
12、 o r 为钢梁截面( A ) 与混凝土翼板 ( A ) 的面积 比; O r 为钢梁弹性模量 ( E ) 和混凝土翼 板长期弹性模量 ( ) 之 比, E 采用按龄期调整的有效模量法计算 , 老化系数采用文献 4 中孙宝俊给 出的 公式。 为单位荷载作用在组合梁跨中截面时在该截 面处引起的弯矩。 ( ) 分别采用前述各混凝土收缩 计算模式。 在现场对 G L 一 1 , G L 一 2 进行了1 年内9 个时点的挠度测量。同时采用公式( 6 ) 对两根组合梁进行了一 年内相应时点的挠度计算及 1 年后若干时点的挠度预测。计算结果及实测数据列于表 1 和 2中。 学兔兔 w w w .x u
13、e t u t u .c o m 5 8 水 利 水 运 丁 程 学 报 2 0 1 4年 2月 表 2 组合梁( 1年后 ) 跨 中附加挠度 ( 收 缩) 预测数据 T a b 2 P r e d i c t e d d a t a o f a d d i t i o n a l mi d s p a n d e fl e c t i o n( s h r i n k a g e )( o n e y e a r l a t e r )o f c o m p o s i t e b e a m s 2 2 F L A C 数值模拟 本文采用有限差分模拟分析软件 F L A C 对组合梁的收缩
14、附加变形进行数值模拟。F L A C 利用显式有 限差分方法为工程提供精确有效的分析 , 它提供了桩 、 杆 、 梁 、 壳等结构单元 , 可以解决诸 多有限元程序难 以 模拟的复杂丁程问题 。F L A C 软件还有 内置的 F I S H语言, 可以对软件进行二次开发 , 对计算过程进行交互 式实时输入 与控制 ; 而且 F L A C 软件中还有非常丰富的塑性本构模型。 F L A C 软件中的桩单元可受拉 、 压 、 剪 , 用来模拟组合梁的抗剪栓钉连接件 。用实体单元模拟并划分钢 梁和混凝土板 , 单元划分数 , 混凝土翼缘纵 向4 0, 横 向 1 0 , 竖向 3 ; 钢梁上下翼
15、缘纵向 4 0, 横向 1 0, 竖向 2; 钢 梁腹板纵向 4 0 , 横 向2 , 竖向 1 0 。用 F L A C 。 提供 的可选择 的结构面模型来模拟组合梁 的滑移 面。模拟滑移 面时, 赋予滑移面沿梁长等值刚度, 后= N , =0 4 3 A 、 0 7 A 厂 F L A C 软件模拟组合梁混凝土翼缘的收缩时, 考虑其泊松比和密度不随时间变化, 根据不同时期的收 缩应变 和其长期弹性模量 E 将收缩应变等效为相应 的沿混凝土翼缘纵 向的轴向力 , 在 F L A C 模型 中进 行代换即可得到不同时期的变形曲线 。数值模拟中收缩应变按澳洲规范( A S 3 6 0 0 1 9
16、 8 8 ) 选取 组合梁附加挠度变形模拟见图 2和图 3 。详细模拟数据列于表 1和 2中。根据表 1和 2的数据 ,给 出 G L 一1 和 G I 一 2收缩附加挠度随时问变化图( 见图 4 ) 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 水 利 水 运 T 程 学 报 模式中各项材料参数的计算公式建立在一定 的理论基础之上 , 这方面的研究尚待进一步开展。 ( 6 ) 除 A S 3 6 0 0 1 9 8 8 模式外, 其他3 个模式的计算中, 要直接用到当地的平均相对湿度, 该统计数据变 异较大。以
17、本文测量数据的时间段为例 , 在进行现场测量的 1 4 0 d时间内, 当地的月平均相对湿度的变化从 3 6 到 7 3 , 使用该数据进行计算相对繁琐且难 以准确。A S 3 6 0 0 1 9 8 8模式采用相对简单统一的系数 F 来考虑相对湿度的影响 , 计算简便易行。 ( 7 ) 组合梁的长期变形主要 由混凝土的收缩和徐变两部分引起。本文仅对影 响组合梁长期变形的收缩 因素进行 了分析。式( 6 ) 中计算混凝土长期弹性模量 E 时 , 采用按龄期调整 的有效模 量法 , 即降低 弹性模 量来考虑混凝土徐变的影响 。 3 结 语 本文建立了考虑混凝土收缩应变的组合梁附加挠度计算式 ,
18、计算结果表明, 收缩 附加变形引起 的挠度可 占到总挠度的近 5 0 , 且其影响主要发生在浇筑混凝土后的 3至 4个月内。因此 , 减小浇筑初期混凝土的 收缩变形, 是组合梁的长期挠度控制的有效手段。通过计算机模拟和各收缩模式下计算结果的对比分析, 该 计算式可用于组合梁的收缩附加挠度计算 , 收缩应变建议选用澳洲规范 ( A S 3 6 0 0 1 9 8 8 ) 模式。简化计算时 , 为充分考虑收缩对变形的影响, 收缩终值可采用 7 0 0 x 1 0 。 在组合梁混凝土翼缘上部配置一定数量的钢筋 , 可增加翼缘板 的刚度 , 还可 以阻止混凝土的收缩 , 以减 小混凝土收缩的影响。但这
19、部分钢筋的作用很难准确计算 , 如何考虑这些钢筋的影响, 是需要进一步研究解 决的问题 参考文献 : 1 A C I 2 0 9 R 一 8 2 , P r e d i c t i o n o f c r e e p , s h r i n k a g e a n d t e m p e r a t u r e e f f e c t s i n c o n c r e t e s t r u c t u r e s I S 2 A S 3 6 0 0 1 9 8 8, A u s t r a l i a n s t a n d a r d f o r c o n c r e t e s t
20、r u c t u r e s S 3 C o m i t e E u r o I n t e r n a t i o n a l d u B e t o n C e b F i p M o d e l C o d e 1 9 9 0 ( C o n e r e t e S t ruc t u r e s ) S 4 朱伯芳混凝土的弹性模量、 徐变度与应力松弛系数 C 水工结构与固体力学论文集北京: 水利电力 f | 版社 ,1 9 8 8 ( Z H U B o f a n g T h e mo d u l u s o f e l a s t i c i t y o f c o n c r
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- 组合 长期 变形 混凝土 收缩 模式 研究
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