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1、徐变的产生机理及对结构的影响土木四班 方煜 050748（一） 徐变的基本概念(1)长期荷载作用下的变形徐变：混凝土在一定的应力水平（如50%70%的极限强度）下，保持荷载不变，随着时间的延续而增加的变形称为徐变。徐变产生的原因主要是凝胶体的粘性流动和滑移。加荷早期的徐变增加较快，后期减缓。混凝土在卸荷后，一部分变形瞬间恢复，这一变形小于最初加荷时产生的弹塑性变形。在卸荷后一定时间内，变形还会缓慢恢复一部分，称为徐变恢复。最后残留部分的变形称为残余变形。混凝土的徐变一般可达30010-6150010-6m/m。 混凝土的徐变在不同结构物中有不同的作用。对普通钢筋混凝土构件，能消除混凝土内部温度
2、应力和收缩应力，减弱混凝土的开裂现象。对预应力混凝土结构，混凝土的徐变使预应力损失大大增加，这是极其不利的。因此预应力结构一般要求较高的混凝土强度等级以减小徐变及预应力损失。(2)在大体积混凝土生温阶段，混凝土内部因膨胀而引起相向变形（属于限制条件下的膨胀），但此时结构发育得还不够，塑性还较大。这种相向变形大部分为塑性变形荷徐变所消耗。因此限制膨胀所引起的混凝土密实作用，由于徐变而大大削弱。所谓 徐 变 是在持续荷载作用下，混凝土结构的变形将随时间不断增加的现象.一般徐变变形可达瞬时弹性变形的1-6倍。因此，在结构设计中徐变是一个不可忽略的重要因素。徐变对结构的影响有有利方面，也有不利方面。众
3、所周知，徐变可以引起预应力混凝土结构的预应力损失:在大跨度梁中，徐变增加了梁的挠度，这些都是徐变对结构的有害影响，故在这些结构中应尽量减小混凝土徐变。然而在大体积混凝土结构中，徐变能降低温度应力，减小收缩裂缝;在结构应力集中区和因基础不均匀沉陷引起局部应力的结构中，徐变能削减这类结构的应力峰值，这些都是徐变对结构的有利影响。因此，在这类结构中，在保持强度不变条件下，要设法提高混凝土的徐变。(3)其中包括两种现象：1混凝土在密闭条件下(以确保水分不外溢)发生的与时间相关的变形-基本徐变2若允许与外界的湿气交换发生的材料徐变-干徐变基本徐变仅受材料特性的影响，而干徐变和收缩还取决于环境和试件的尺寸
4、。实际情况可能是两种现象的组合，有时，一种会成为主导因素(二)徐变的产生机理(1)一般认为混凝土产生徐变的机理是由于水泥石的粘弹性和水泥石与骨料之间塑性性质的综合结果。具体来说主要由于持续荷载作用使凝胶体中水分缓慢压出，水泥石的粘性流动，微细空隙的闭合，结晶内部的滑动，微细裂缝的发生等因素的累加.(2) 混凝土的徐变机理也有许多种，如弹性徐变理论、老化徐变理论、继效徐变理论等等。作为工程裂缝控制的应用，我们只能应用其中主要的成果，以常系数的形式，考虑在弹性计算的结果中，从而简化了非线形分析。由于混凝土的徐变作用，给钢筋混凝土和预应力钢筋混凝土带来有利和不利两方面的影响。从不利方面看来，它可以造
5、成预应力损失，增加挠度，可以降低钢筋和混凝土的粘着力等。从有利方面看来，它可以使弹性的温度收缩应力大大的松弛，根据变形速率及混凝土龄期，它对应力降低的程度约0.30.8倍，保温保湿养护越好，降温越慢，松弛系数越小.(3) 解释混凝土徐变机理的理论很多，一般都以水泥浆体的微观结构为基础。这些理论主要有粘弹性理论、渗出理论、粘性流动理论、塑性流动理论、微裂缝理论及内力平衡理论3.1 粘弹性理论是把水泥浆体看成为弹性的水泥凝胶骨架，其空隙中充满着粘弹性液体构成的复合体。可用伏克脱单元(Voigt Element)流变模型来表示。加给水泥浆的荷载起初一部分被固体空隙中的水所承受，这样推迟了固体的瞬时弹
6、性变形。当水从压力高处向低处流动时，固体承受的荷载就逐渐加大，增大了弹性变形。荷载卸除后，水就流向相反方向，引起徐变恢复.与这过程有关的水，仅是毛细管空隙和凝胶空隙中的水，而不是凝胶微粒表面的吸附水。3.2渗出理论混凝 土 徐 变的渗出理论由利奈姆(C.GLynam)于1934年首先提出的。该理论认为混凝土徐变是由于凝胶粒子表面吸附水和这些粒子之间的层间水(在荷载作用下)的流动引起的。水泥浆体承受压缩荷载后，凝胶微粒之间的吸附水被挤出后，凝胶微粒承受的应力增加，而作用于水的压力相应减小，结果导致水渗出速度的减小。徐变是在凝胶与周围介质达到新的湿度平衡时的一种现象。因此，这里必须强调该理论渗出的
7、水是凝胶体(吸附水和层间水)，而不是毛细水和化学结合水。3.3粘性流动理论粘性 流 动 理论由托马斯(F.GThomas)于1937年首先提出。他认为，混凝土可分成两部分，一部分是在荷载作用下产生粘性流动的水泥浆体;另一部分是在荷载作用下不产生流动的惰性骨料。当混凝土受荷时，水泥浆体的流动受到骨料的阻碍，结果使骨料承受较高的应力，而水泥浆体承受的应力随时间而减小。由于水泥浆体的徐变与加荷应力成正比，因此，随着加荷应力逐渐从水泥浆体转移到骨料来承受，从而徐变速率将逐渐减小。3.4塑性流动理论该理 论 认 为，混凝土徐变类似于金属材料晶格滑动的塑性变形。当加荷应力超过金属材料的屈服点后，塑性变形就
8、发生。福格脱(F.Vogt)观测到混凝土变形某些方面类似于铸铁和其它易碎金属。金属材料塑性变形是晶格沿最大剪切面移动的结果，是没有体积变形的;而混凝土的剪切能力比拉伸能力强。因此，混凝土因剪切发生前的拉伸而破坏。混凝土徐变导致体积的减小，这与金属的塑性变形不同。3.5微裂缝理论在多 相 混 凝土组成材料的界面上，受荷前就有粘性微裂缝存在，这是由混凝土硬化过程中骨料沉降、拌合水析出及干缩应力引起的。对 正常 工 作应力范围，裂缝界面通过摩擦连续传递荷载，微裂缝仅稍微增加一些徐变。当荷载超过正常工作应力时，界面上粘结微裂缝就会扩展并逐渐产生新的微裂缝:当荷载再增加，还会产生少量穿越砂浆的裂缝、甚至
9、产生穿越骨料的裂缝，最后各种裂缝迅速发展并逐渐贯通。3.6内力平衡理论内力平衡理论认为水泥浆体的徐变是由于荷载破坏了开始存在于水泥浆体中的内力平衡状态，并达到新的平衡的变化过程。这时，内力包括凝胶微粒产生收缩的表面张力，凝胶微粒之间的力(主要是范德华力)，还有广泛而均匀地分布于凝胶微粒表面上的吸附水，在胶粒切点分离作用的压力，以及静水压力等。其中以吸附水的分离压力的作用最为重要。从以上介绍的几种解释徐变机理的理论来看，没有一种理论能得到满意的解释，但把几种理论结合起来解释可能会得到比较满意的结果。加荷初期，混凝土徐变速率很大，而后就随时间而减小，且产生可复徐变(迟后弹性变形)，这可用粘弹性理论
10、和粘性流动理论来解释。这期间还产生不可复徐变，这可用渗出理论来解释。继续加荷，主要产生不可复徐变，这可用粘性流动理论来解释。当加荷应力超过正常工作应力时，徐变速率又迅速增大，应力一应变呈非线性关系，这可用塑性理论和微裂缝理论来解释。不过，该阶段徐变在实际结构中很少发生，通常混凝土结构的徐变最终将趋于稳定。（三）徐变的表示方式一般以徐变系数来表示， =f/ （5-20）式中 f混凝土的徐变变形；混凝土的弹性变形；对于普通混凝土如取徐变变形最终值f=7610-5，弹性变形值=3310-5；=2.3（四）徐变的影响因素在混凝土硬化以后，在一段相当长的时间内，它的物理特性如强度、弹性模量、徐变等，与浇
11、筑后经历的时间的长短 龄期和加载龄期有关。影响混凝土徐变的因素很多，其主要因素有以下几点。(1) 混凝土在长期荷载作用下产生的应力大小当压应力较小时，徐变大致与应力成正比，各条徐变曲线的间距差不多是相等的，称为线性徐变。线性徐变在加荷初期增长很快，一般在2年左右趋于稳定，3年左右徐变即告基本终止。(2) 混凝土的组成和配合比混凝土中骨料本身没有徐变，它的存在约束了水泥胶体的流动，约束作用大小取决于骨料的刚度(弹性模量)和骨料所占的体积比。当骨料弹性模量小于70 GP时，随骨料弹性模量的降低，徐变显著增大。骨料的体积比越大，徐变越小。近年的试验表明，当骨料含量由60%增大为75%时，徐变可减少5
12、0%,混凝土的水灰比越小，徐变也越小，在常用的水灰比(0.4-0.6)范围内，单位应力的徐变与水灰比呈近似直线关系。(3) 加 荷 时混凝土的龄期加荷时混凝土龄期越短，则徐变越大，见图1所示。图1加载龄期与徐变的关系(4) 养护及使用条件下的温度与湿度混凝土养护时温度越高，湿度越大，水泥水化作用就越充分，徐变就越小。混凝土的使用环境温度越高，徐变越大;环境的相对湿度越低，徐变也越大，因此高温干燥环境将使徐变显著增大。当环境介质的温度和湿度保持不变时，混凝土内水分的逸失取决于构件的尺寸和体表比(构件体积与表面积之比)。构件的尺寸越大，体表比越大，徐变就越小，其关系如图2所示图 2 不同龄期硅的构
13、件尺寸与徐变的关系；(五)徐变对结构的影响(1)徐变对结构的影响有有利方面，也有不利方面。众所周知，徐变可以引起预应力混凝土结构的预应力损失:在大跨度梁中，徐变增加了梁的挠度，这些都是徐变对结构的有害影响，故在这些结构中应尽量减小混凝土徐变。然而在大体积混凝土结构中，徐变能降低温度应力，减小收缩裂缝;在结构应力集中区和因基础不均匀沉陷引起局部应力的结构中，徐变能削减这类结构的应力峰值，这些都是徐变对结构的有利影响。因此，在这类结构中，在保持强度不变条件下，要设法提高混凝土的徐变。(2) 在长期荷载或应力作用下，混凝土的徐变和收缩对结构的变形、结构的内力分布和结构内截面(在组合截面情况下)的应力
14、分布都会产生很大的影响。归纳起来为:结构在受压区的徐变和收缩会增大挠度;徐变会增大偏压柱的弯曲了由此增大初始偏心，降低柱承载力;预应力混凝土构件中，徐变和收缩将导致预应力损失;结构构件截面如组合截面(不同材料组合的截面如钢筋混凝土组合截面，或不同龄期混凝土组合的截面等)，徐变会使截面应力重分布;对于超静定结构，混凝土徐变将导致内力重分布，亦及徐变将引起结构的次内力;混凝土收缩会使较厚构件(或在结构构件截面形状突变处)的表面开裂。这种表面裂缝是因为收缩总在构件表面开始，但受到内部的阻碍引起收缩拉应力而产生。由于徐变 总应变可高达加载后产生的弹性变形的1-4倍。所以混凝土的徐变效应，在混凝土桥梁设
15、计中是必须考虑的。在超静定结构中由于徐变产生次内力，而应力变化的徐变及次内力计算较为复杂。现较常用的方法:狄辛格方法;TrostBazant法;采用位移法的有限元逐步分析法。狄辛格法当采用老化理论时，对后期加载的长期徐变效应估计过低，而对递减荷载的长期徐变效应又估计过高。由于狄辛格方法未考虑徐变中的“延滞弹性变形”，而延滞弹性变形部分8,，它可高达加载后产生的弹性变形的24%-44%。所以狄辛格方法计算的徐变效应有时与实际出入较大。随着计算机技术的进步和结构有限元方法的应用，根据Trost-Bazant按龄期调整的有效模量法与有限元法相结合，人们采用位移法的有限元逐步计算法，将使得徐变分析更逼
16、近实际。(六)徐变的计算所谓徐变计算理论，就是如何把常荷载下徐变试验结果用到变应力作用下的结构构件徐变分析中去的理论，也就是变应力下构件的徐变分析方法。徐变计算理论(方法)主要有有效模量法、老化理论(徐变率法)、弹性徐变理论(迭加法)、弹性老化理论(流动率法)及继效流动理论等。这些方法都假定徐变与应力关系是线性的，并都服从鲍尔茨曼CL .Boltzman)迭加原理对于 徐 变 函数J(t,r) ，目前国际上有两个学派，一个学派认为徐变函数与加荷龄期有关。另一个学派认为徐变由两种或两种以上变形成分组成，主要有迟后弹性变形(可复变形)与塑性变形(不可复变形)。假定迟后弹性变形与加荷龄期无关，而流动变形是一簇平行曲线，后者意味着任何龄期的徐变速率与加荷龄期无关。由于各种计算理论所用的徐变函数不同
