钢筋混凝土梁徐变破坏数值分析研究

刘君峰 郭 红

(山东科技大学土木工程与建筑学院，山东 青岛 266590)



钢筋混凝土梁徐变破坏数值分析研究

刘君峰 郭 红

(山东科技大学土木工程与建筑学院，山东 青岛 266590)

模拟受弯混凝土梁在长期持续荷载作用下的徐变损伤情况，分别探讨了混凝土强度等级和配筋率两种因素对试件梁徐变变形的影响，并对模拟结果分析，结合理论和模拟分析研究，对解决工程应用中承重梁持续作用变形问题有参考意义。

徐变，破坏，混凝土梁，位移

0 引言

在工程建筑应用中，混凝土结构梁是承重结构中最为基础的且不可缺少的结构构件，在长期持续承重状态下，易受空气成分的腐蚀、疲劳荷载效应、徐变作用及构件内部成分之间的变形影响，会出现混凝土裂缝的开展、积累，致使结构最后破坏，因此对混凝土结构构件裂纹扩展等破坏问题研究尤为重要。国内外对混凝土结构徐变研究相对较多，对其徐变损伤研究较少，如李兆霞教授曾利用试验研究分析了高应力作用下的混凝土结构徐变与徐变破坏行为[1]。根据混凝土徐变破坏机理分析，混凝土本身是脆性材料，由于自身材质的不均一性，必然存在微裂缝，用于建筑结构中，在持续受力作用下，构件会产生变形，必然会引起裂缝的不断扩展，裂缝的不断扩展和积累就会导致构件的破坏，这种行为就是损伤。混凝土结构损伤有多种因素影响，形如时效性徐变损伤、疲劳荷载损伤、温度效应损伤、徐变效应损伤及收缩作用损伤等，更多学者作出了研究成果[2,3]。对于大跨度结构形如混凝土结构梁，在持续荷载作用下，整体会发生变形，混凝土梁上部混凝土受压，下部混凝土受拉，结合混凝土本身材料抗压、不易抗拉的特性，可知梁下部混凝土在持续荷载作用下易发生开裂现象。混凝土开裂破坏从损伤力学角度分析就是材料微观变形到宏观开裂的过程，荷载超过材料承载极限值后打破了原有的结构稳定性，从而出现发散变形。实际结构材料破坏是一个渐进过程，结构从受力到出现裂纹(损伤)、裂纹扩展到失稳断裂，整个过程经历了损伤积累和演化，材料性能将逐渐趋于劣化。本文研究的是在持续荷载作用下，受弯混凝土结构梁的徐变损伤情况，并从混凝土强度等级和配筋率两种影响因素分析裂缝问题，从中提出控制裂缝开展的方案。

1 徐变破坏原理

徐变是混凝土在持续荷载作用下，结构随时间发生变形，结构材料出现裂缝、扩张及积累最后导致材料劣化的过程，这实质上也是徐变破坏的过程，属于损伤力学范畴。徐变损伤是由两部分构成：结构界面处裂缝的损伤和砂浆内裂缝的损伤。这两种损伤的产生都与混凝土徐变影响因素密切相关，徐变影响因素包括内部因素和外部因素，内部因素主要包括：水泥的品种等级、骨料、外加剂等；外部因素包括持荷大小、时间与龄期，构件尺寸大小，温湿度环境及养护条件等。

1963年苏联Rabotnov在其老师Kachnov得出金属材料断裂“连续因子”等概念的基础上，推出“损伤因子”的概念，其中损伤变量D的公式[4]为：

(1)

由式(1)分析可知，若D=0时，材料完好无损；若D=1时，材料断裂。本文研究的重点在0

2 混凝土结构梁裂缝问题

在混凝土结构建筑的新发展时期，裂缝控制问题将是混凝土结构面临的主要问题。在硬化过程中混凝土往往会发生收缩反应，若温度变化也就会产生热胀冷缩效应，这两种变化发生的同时自然会受到外界因素的约束，从而会造成内部产生收缩应力和温度应力。温度收缩产生的应力一旦超过混凝土结构的极限抗拉强度值，这时混凝土就会出现裂纹痕迹。在超长混凝土结构中，收缩应力与温度应力共同产生的温度收缩裂缝普遍比因收缩应力产生的收缩裂缝和温度应力产生的温度裂缝任何一个严重[5]。因此，采取何种有效措施和如何采取有效措施控制这类裂缝的产生才是重中之重。我国在裂缝控制方面取得了显著进展，主要采用裂缝控制技术为“抗放兼备、以抗为主”的方针策略，温度收缩裂缝发生在施工阶段，为消除或减小因温度差异与收缩变形引起的结构早期裂缝，可以从两个方面入手，首先将超长混凝土结构划分为多个数量段，在两段之间预留一定宽度的距离，这样可以有效释放每段内的混凝土温度应力和收缩变形产生的应力；其次将独立的整体浇筑，这样可以抵抗再次浇筑带来的温度应力和收缩变形(这也是后浇带的原理)[6]。

对于温度差异产生的混凝土结构缝隙问题，一般都是为控制裂缝的产生而设置伸缩缝的方法，这类方法是我国相应规范所规定的。为了降低温度差，可以合理选用高效保温混凝土结构材料，即符合建筑节能设计标准的要求；适当的提高结构内配筋率，同时合理的布置构造筋，也能对控制裂缝起到较好的效果。通过提前施加预应力对混凝土的方法也可以有效抵制裂缝的产生及进一步发展，这种方法不仅可以增强梁结构的刚度，还可以在结构内产生预压应力，此预压应力可以与由于温度差异和混凝土收缩产生的拉应力抵消。

面对混凝土结构收缩问题的处理时，普遍运用布置后浇带的方式，这种方式只是为了减少收缩裂缝，可以给浇筑好的混凝土结构自由伸缩的空间，这样就可以减少混凝土结构内收缩应力。自19世纪80年代末，补偿混凝土技术就大量运用在我国建筑工程中，对温度收缩裂缝的控制很有效，这种技术是利用内掺法，将数量膨胀剂掺入混凝土中利用产生的膨胀应力来抵抗收缩裂缝的发展[7]。收缩混凝土补偿的工作机理是利用化学反应即掺入混凝土中的膨胀剂与水泥的水化产物反应，生成一定量的膨胀源(钙矾石)，在混凝土结构内产生的膨胀自应力与裂缝产生的拉应力抵消。往往这种膨胀源受环境和施工条件的影响严重，不同含量或不同种类的膨胀剂产生的膨胀率也不同[6]。膨胀剂的补偿效果仅对混凝土硬化过程中的干冷缩有效，这就说明对于解决混凝土的温度收缩问题是无效的，膨胀剂一般不作提高混凝土抗拉强度的材料，若想解决温度收缩裂缝问题还需要膨胀剂配合其他方法。

3 混凝土结构徐变数值模拟分析

利用ANSYS有限元模拟分析持续荷载作用下试件梁的弯压徐变实验，其中混凝土采用无配筋的Sodlid65单元和钢筋采用Link8单元，建立模型见图1，试件梁受力见图2。

建立有限元梁模型之后，在梁实际加载点处输入参数，先通过模拟确定试件梁的开裂荷载和极限荷载，通过观察试件梁的裂缝云图，得出试件梁出现裂缝时相应的荷载和试件梁完全断裂破坏时相应的荷载(见表1，表2)。

表1 试验因素参数表

水平因素混凝土强度等级配筋率/%1C2502C300．63C401．3

表2 加载水平参数 kN

对相应的试件梁进行模拟持续荷载作用下变形情况分析，加载水平采用极限荷载的60%进行模拟加载。整理数据，绘制曲线图(如图3所示)，并分析结果。

通过模拟试件梁弯压徐变变形研究，结合变形曲线，可知，1号梁、4号梁及7号梁为素混凝土梁，开裂荷载即断裂荷载，素混凝土梁为脆性破坏；对这九组试件梁分析可知，在加载初期，位移变形较大，呈线性变化，加载一段时间后，位移变形增长缓慢，最后达到稳定状态，观察试件梁的裂缝云图，可知在加载初期裂缝开展较快，后期也达到稳定状态，直到最后试件梁结束使用寿命。通过逐一分析可知，混凝土强度越高，配筋率越大，混凝土结构梁变形越小，裂缝开展几率越小，因此，在建筑工程中，经济允许的情况下，合理提高配筋率和混凝土强度有利于建筑的安全性能。

[1] 李兆霞,钱济成.混凝土徐变损伤演变方程及其在非线性徐变理论中的应用[J].河海大学学报,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] 李轶鹤.非线性粘弹性本构理论及其求解方法的研究[D].湘潭：湘潭大学,2003.

[4] 刘海成,宋玉普,吴智敏.考虑温度影响的大体积混凝土应力场分析方法[J].大连理工大学学报,2005,45(1):121-127.

[5] 祝昌墩,陈 敏,杨 杨.高强混凝土的收缩和早期徐变特性[J].混凝土与水泥制品,2005(2)：1-4.

[6] 游宝坤.混凝土膨胀剂应用技术[J].中国建材科技,2004(6):8-15.

[7] 混凝土收缩徐变协作组.混凝土收缩与徐变的实用数学表达式的试验研究[J].建筑科学，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

刘君峰(1991- )，女，在读硕士； 郭 红(1992- )，女，在读硕士

TU312.3

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