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1、高强混凝土在长期荷载作用下的变形高强混凝土在长期荷载作用下的变形龚志国戴国亮蒋永生梁书亭(江苏建筑科学研究院南京21000)(东南大学土木工程学院南京210096摘要:对两根高强钢筋高强混凝土梁和两根硬瘟力高强混凝土粱在长期荷载作用下的变弗进行了试验研究,同时用计算机对两种构件的长期变形进行了模拟分析,计算中考虑了弯曲变形,剪切变形和高强混凝土徐变厦收缩的髟响.与试验结果吻台良好,最后对长期变形的值提出了修正建议.关键词:高强钢筋高强混凝土变弗绦变收缩T1血.DEPENDENTI咂重oR10NoFHIGII.STRENGTHRE玎FoRCEDCONCREIEBEAMSI)ERLONG-1ERM
2、LoAmNGc.agZhiguo(InstituteJixngsuBuJ|dlngSclemHJn$210008)DaGuoligJiang椰gU蚰gShutig(CollegeofCiv51E.1gine咄,s0u山ea时Univ时Hing210096Abstract:Expertm*alre.arehmhavebeencondl1ctedonthedefomatleof.帅山concl|ebeamswithhiBhendtwopre自edBhn呻nreIebe帅srlong-k皿concentratedleeds.Computerisusedtoanalyzethedd0p删ofleten
3、nd胡lnnslderlngneIesheardem0lI拈wellastheeffeetofcreependshankaeTheealcalafien瑚虮1lBa弛in耐盹cetllthe蛔Lsnltsfinal一e目estjoDyl0isaimpcetedKeywords:hih-自rI舢bhigh-自rI舢Ledefioncreepshrinkage高强混凝土是为了满足结构的大跨,高层,超高层的技术要求而发展起来的一种新材料,新技术.为了充分发挥高强混凝土的作用,采用较高强度钢筋与高强预应力钢筋是一个很好的途径,然而其变形性能与验算方法则是推广应用的关键所在.对较高强度的钢筋(,级钢筋)
4、高强混凝土与部分预应力高强混凝土受弯构件在短期荷载下的变形性能已进行过系统试验研究,对无粘结部分预应力高强混凝土受弯构件,也已进行了个别的长期荷载的试验,但时间仅3个月.这些构件在长期荷载下的变形性能是十分重要的,直接影响到结构构件的正常使用与使用寿命.目前,国内外在这方面的试验并不多见,因此,开展高强混凝土受弯构件在长期荷载下的变形性能与验算方法的试验研究,有重要的理论意义与实用价值.1试验研究1.1试件设计4根梁的截面尺寸和配筋见表1,试件的构造见图1.混凝土的强度等级为(180(=71MPa,=5.38MPa,E=5.2l04MPa),级钢筋(=560.8MPa),级钢筋(=441MPa
5、,E.=1.99IndustrialConslntetlon2002.Vo!.32.N0.310MPa),预应力筋用15无粘结钢绞线(=1860MPa).表1试件尺寸及鼍筋r2圈1试件构遗(a)一HCB34,HCB44;(b)一PHCB34,PHCB42第一作者:龚志茸男1974年5月出生工程师收稿日期:20010630工业建筑20O2年第32卷第3期451.2加栽方式厦测量内容试验采用两点对称集中加载方式.结合试验的目的,以及试验室现有的条件,同时参考了文献3与文献4设计出弹簧加载装置.利用自平衡原理,两根梁对称加载,可以最大限度地利用实验器材与空间,同时也能满足试验的精度要求.分级施加荷载
6、直到荷载的短期效应,稳定一段时间后,减至长期荷载水平,并保持长期荷载稳定.根据到达最大裂缝宽度(普通构件0.2mm,部分预应力构件0.1mm)时对应的荷载确定荷载的短期效应组合,然后根据荷载规范确定长期荷载组合.在粱底布置了3个测点(间距250cm),用3个10mm位移百分表测量挠度,并依据三点挠度值计算测量区段(跨中750em)的曲率;在支座处粱顶面各布置一个测点,用10mm百分表测量支座沉降,以修正跨中挠度值.同时沿梁长在跨中测量区段梁两侧面沿梁高布置4排测点,用25cm标距手持式引伸仪测量平均应变.在跨中区段受拉钢筋的表面粘贴电阻应变片,主要测试在混凝土开裂前后钢筋应力变化,以及长期荷载
7、条件下钢筋的应变的变化.用90倍读数放大镜读测梁侧钢筋水平处的裂缝宽度.1.3试验结果1.3.1平均应变及截面曲率对4根梁在短期荷载与长期荷载作用下的平均应变进行了连续观测,持时180d.试验表明.4根梁沿梁高平均应变均较好地符台平截面假定根据沿截面高宽测量的平均应变以及挠度实测值,分别计算部分试件截面曲率如图2所示.由图2可见.两种方法计算数值较为接近,同时还可看出,曲率在持荷的早期发展较快,一个月后发展趋缓.时间mm(bJ图2部分试件曲率一时间曲线()一HCB44;(b)一PHCB42】一百分表;2一手持式应变仪1.3.2挠度随时间的变化4根高强混凝土粱跨中挠度随时问变化的部分试验结果见表
8、2所列.所有构件的短期变形均已经扣除了自重和预应力引起的挠度变化.自重引起的挠度为0.04mm,预应力反拱为1.03mm.从表2看46出,无论是预应力高强混凝土梁还是非预应力高强混凝土梁,在持荷初的2个月挠度发展很快,以后逐渐趋缓,但是到12个月,挠度仍在持续增长.同时还看出,预应力高强混凝土粱挠度增大速度小于非预应力高强混凝土梁.表2实翻的长期变形增2计算机模拟分析2.1计算假定本文模拟的是在长期荷载作用下,处于开裂状态的高强混凝土梁的变形与时间的关系,因此作如下的基本假定:(1)截面应变符台平均应变平截面假定,这一点在试验的实测结果分析中已经验证.(2)混凝土收缩应变与擦变系数随时问的关系
9、采用文献3公式.(3)受拉区与受压区混凝土的应力,应变成线性关系.(4)关于高强混凝土弹性模量随时间的变化关系,本文采用文献5的公式,即:石(f)=吾Es(1)式中,I为混凝土的龄期,d;如为28d龄期的混凝土弹性模量.(5)忽略混凝土的抗拉作用.2.2计算方法由于在长期荷载开始作用时,就已在剪跨内存在有斜裂缝,因此本文在计算长期挠度时.不仅考虑弯曲效应,而且考虑剪切效应.设附加挠度符合迭加原理,则有:=+A.(2)式中,分别为弯曲效应与剪切效应引起的长期附加挠度.(1)弯曲效应将构件沿轴向分成n个单元,根据基本假定,在时刻第i单元轴线的曲率变化为:一=(3)i一工业建筑2O02年第誊第3期式
10、中,E=E(f)+E(1);e(1)=k?e,其中E为第单元截面受压区混凝土的初始应变;(t)为t时刻第i单元截面受压区混凝土的徐变系数;E(t)为t时刻第i单元截面受压区混凝土的收缩应变;E为第i单元截面受拉区钢筋的初始应变;k为受拉钢筋长期应变系数.根据公式:d=ds,在t时刻任一计算截面的变形为(f)=lMds;若为等分则为(f)=丽.式中,f为构件的轴向尺寸,M为单位力作用在计算截面时在单元所产生的弯矩(2)剪切效应剪切效应模型的建立较为复杂,采用文献6桁架模型,简化得出在长期荷载作用下的附加剪切角的计算公式:VA7两otacot丽fl而()(+)sj口一式中,=为混凝土斜压体的高度;
11、a,口为剪跨内斜压柱体倾角,为了计算的简化可取=口:45.与弯曲效应一样,可得在时刻第i单元的剪切角为y=+e(f),其中为单元所承受的剪力.根据公式dz3=Vyds在t时刻任一计算截面的变形为.(f)=lyds,若为等分则有:(1)=y,式中,为单位力作用在计算截面时在i单元所产生的剪力.3.3计算结果将上述过程编制成程序,输入4根梁的计算参数,其中非预应力受拉钢筋的应变e以实测的钢筋应变的平均值代人,其它的数据如:截面尺寸,混凝土与钢筋的弹性模量等均以实测值代人.取计算的时间跨度为365d,加荷的龄期为28d,时间的增长步长开始为3d,3个月后为10cl.各构件模拟计算的跨中挠度一时间曲线
12、与实测曲线对比如图3所示.4根构件1年的挠度增长值,模拟计算要比实测值大10骺25%.其原因如下:(1)模拟计算中的收缩模型与徐变模型都是以双曲型曲线进行模拟的,双曲型衄线的变化特点是,早期的发展比较快而后期则趋于平缓,反映在挠度高强混凝土在长期荷栽作用下的变形彝志国等lOO9.0j8070tO0l0020o300400时州坩(a)时间l.I哪7.冀0l0o200,0o400时间mrb)0100200300400时间,dfd】图3跨中挠度一时问曲线与宴测曲线对比a)一B34;(b)一HCB44;(c)一PHCB34;d)一PHcB42l一模拟计算;2一实捌一时间曲线上也是这样的趋势.虽然许多的
13、收缩桧变试验都验证了这样的趋势,实际结构所处环境差别很大,并不一定反映这种趋势.从两条曲线的发展趋势看,随着时间的延长,会最终趋于一致.(2)模拟计算程序是假定截面荷载为恒定,而构件的加载装置靠弹簧来维持恒载.在长期荷载条件下,荷载有可能发生较小的变化,导致计算值与实测值的偏差.由以上的分析,在保证一定的安全储备的条件下,可以认为模拟计算的程序是可行的.3结论本文通过对4根高强混凝土粱长期性能的试验研究,得出如下的结论:(1)高强钢筋高强混凝土受弯构件在荷载的长期效应下,仍然符合平均应变的平截面假定,.一e衄线间仍是平行线性关系,因此,对此类构件正常使用极限状态的分析仍可以采用普通混凝土的方法
14、,只是对有关的系数要作相应的调整.(2)使用高强混凝土能显着减小受弯构件在荷载长期作用下变形的增长.通过对本次试验与以往试验结果的统计分析,高强混凝土受弯构件长期变形的0值要比普通混凝土小l5骺25骺.因此,建议高强混凝土受弯构件的长期刚度仍按现行规范(GBJ1089)计算,但其中的0值做如下的修正:(下转第21页)47如帅枷互之间生态系统的平衡.这一时期景观规划师的作用是协调者和指挥家,他所服务的对象是人类和其它物种,他所研究和创作的对象是景观综合生态体系,其指导理论是人类发展与环境的可持续论和整体人类生态系统科学,包括人类生态学和景观生态学.其评价标准包括景观生态过程和格局的连续性和完整性
15、,生物多样性和文化多样性及其含意.所要创造的理想景观是一种可持续的景观.这个阶段是人类与整个生态系统中各个元素主动协调与交融的过程,并以系统的整体优化为目的.理想景观的概念正是在经历了这些漫长的历史进程中逐渐发展完善起来的.例如,中国文化主要定型时期独特的景观经验,对中国人理想景观概念的形成起了关键的作用.可以说周代是中华民族文化的一个主要定型时期,尤其是在建筑文化方面,如宫室,城廓,御苑等制度,以后的历代王朝都基本上沿袭了周代的传统,我国北方的四台院(见图5),也在周代初期的遗物中找到了其原始模式从某种意义上说,正是周代人在关中平原上所处的自然及社会环境,对中国人独特的理想景观概念的发展,起
16、了决定性的作用.这就是”四台院”在中国人的居住生活中受到极端推崇的主要原因.图5四台院随着人口,粮食,能源,环境等等问题的不断激化,可持续发展的理论和思想越来越深人人心,并成为人们衡量景观优劣的试金石,任何景观设计,只有当它不仅仅只考虑视觉艺术的美感,而是更多地考虑到它的存在对周围的环境资源有无损害,其结构是否合理以及它的功能是否完备,是否考虑了整个生态系统的平衡等等,只有这样的景观设计,因其符合可持续发展的思想,才被认为是好的,是人们心目中的理想景观(见图6).图6和谐的景观理想景观的创造是一个复杂的过程,它包括一个完整的思想体系,以及对人类的行为规律及其需求的深刻认识.一个景观规划设计的成
17、败,水平的高低以及吸引人的程度,归根结底,还要看它在多大程度上满足了人类活动对环境的需求,是否符合人类行为需求的基本模式,是否符合可持续发展的基本原则;而且个人的景观喜好要让位于大多数人的景观追求.所以考虑大众的思想,兼顾人类共有的行为,群体优先,这是现代理想景观规划设计的一条基本原则,尤其要注意满足群体不断提高的精神文化需求.不可否认,在中国现阶段,理想景观的创造不一定都符合可持续发展的思想,有时可能存在一些偏差,甚至短时期内的相悖现象,这在景观设计的发展过程中是不可避免的,随着人们认识水平的提高和技术能力的增强,人类将创造出越来越多,越来越好的理想景观.参考文献】刘穰谊现代景观规划设计南京
18、:东南大学出版杜.19992俞孔坚.景观:文化,生态与感知.北京:科学出版杜.1998(上接第47页)当P=0时,=1451.85;当p=口时,=1.2()1.55;当0<口<p时,按线性插值.强度等级较低的C50,取高值,强度等级较高的CIO0,0取低值.对预应力构件的目取值同上.(3)构件的配筋,外界条件以及混凝土的强度等级对高强混凝土的收缩徐变性能影响很大,有必要对这些因素分别进行研究,以求量化影响.同时,要分析清楚高强混凝土构件的长期性能,尚须进行更多的长期试验,积累更多的试验数据.理想景观与可特续发展王平易参考文献I姜宁辉.高强钢筋高强混凝土梁受弯性能的试验研究:学位论文南京:东南大学,】9962吕清芳.预应力高强混凝土计算条例的研究:学位论文南京:东南大学,199153林洋.混凝土蠕变本构理论及应用:博士学位论文南京:东南大学19894姜福田编着混凝土力学性能与测定.北京:中国铁道出版社,19895龚格书,柳春圃.混凝土的耐久性及其防护惨补技术北京:中国建筑工业出版杜,19906中国土术工程学台预应力混凝土委员会部分预应力昆凝土结构设计建议北京中国铁道出版杜,I98521
