混凝土单轴受压时的徐变损伤研究.pdf

2 0 1 2年第 1 2期 铁道建筑 Ra i l wa y En g i ne e r i ng 1 63 文章编号： 1 0 0 3 - 1 9 9 5 ( 2 0 1 2 ) 1 2 0 1 6 3 0 3 混凝土单轴受压时的徐变损伤研究 刘国军， 杨永清， 郭 凡， 李晓斌 ( 西南交通犬学 土木工程学院， 四川 成都6 1 0 0 3 1 ) 摘要 ： 混凝土徐 变是指混凝土在持续应力作用下， 应 变随时间而持 续增 长的特性 。一般认为 ， 混凝土徐 变产 生 的主要 原 因包括 混 凝 土裂 纹的扩 展 和水 泥 浆体 的 蠕 变 。应 力水 平较 低 时 ， 混 凝 土 的徐 变 以水 泥 浆体 的 蠕 变为主 ； 应 力较 高 时 ， 徐 变 由水泥 浆体 的蠕 变和 混凝 土材 料 内部 的损 伤 两者构 成 。本 文研 究 了 线性徐变、 非线性徐变、 破坏徐 变等的变形特征 ， 以及混凝土在持续高应力作用下的损伤徐 变规律 ， 给出 了简化的徐变损伤度 曲线。该损伤度曲线比较直观地给 出了在不同持续应力值下混凝土内部损伤的演 变规律 ， 可为混凝土材料的损伤机理研究提供 一定的参考。 关 键 词 ： 非线性徐 变 损 伤 曲线 中图分类号 ： T U 5 2 8 0 1 文献标识码 ： A D O I ： 1 0 3 9 6 9 j i s s n 1 0 0 3 1 9 9 5 2 0 1 2 1 2 4 7 变形的时效性是混凝土的重要 特性 时效性是指 变形是时间的函数 ， 变形随着时间的发展而逐渐变化 的性质。这种时效性包括两个方面 的变形特性 ： 一 是硬化水泥浆体长期 蠕变产生变形 ， 这部分变形不对 混凝土材料造成损伤 ； 二是随着变形发展 ， 材料内部的 损伤不断地发展 ， 混凝 土内部裂纹不断扩展。混凝土 的徐变在应力水平较低时 ， 以水泥浆体的蠕变为主； 而 当应力较高时 ， 以混凝土材料 内部的损伤为主。 对混凝土徐变的研究 表 明： 混凝 土持续应力较 低时( 小于 0 4 0 5倍 混凝 土强度 ) ， 徐变和应力呈 线性关系 ； 混 凝土持续应力较大时 ( 大于约 0 5倍 的 混凝土强度 ) ， 应力和应变之间将不再保持线性关系。 高虎等 开展 了混凝土双轴压缩徐变试验 ， 测定 了多轴混凝土徐变试件 的强度 ， 比较了同龄期混凝土 的受力强度 ， 研究了混凝土在双轴 压缩应力下微观切 片的裂缝发展情况 ， 认为低应力水平 以下压缩徐变试 件强度并不降低 ， 其压缩徐变变形 不以试件 的损伤为 代价 。 当持续应力超过 0 4 0 5倍 的混凝土极限强度 后 ， 处于非线性徐变 阶段。该 阶段混凝土 内部 的初始 微裂缝开始逐渐扩展 ， 并将产生新的微裂缝 ， 故非线性 徐变特性和线性徐变有本质 的区别 ， 此 时的徐变速率 将变大。因此 ， 单位应力作用下徐变度函数 ， 与线性徐 变 明显 不 同 。 对混凝土持续高应力状态下 的徐变研究 一 发现 收稿 日期： 2 0 1 2 - 0 2 - 2 7 ； 修 回日期 ： 2 0 1 2 - 0 9 - 1 0 作者简 介： 刘国军( 1 9 8 0 一) ， 男 ， 湖北仙桃人 ， 工程师 ， 博士研究生 。 各种混凝土 的长期强度约为瞬时强度 的 0 7 50 8 5 倍 ， 当长期持续的应力值高于长期强度时， 混凝土产生 徐变 破坏 。 1 非线性徐变 的机理 在高应力作用下 ， 混凝土非线性徐变的原 因是混 凝土材料 内部裂纹不断扩展 。主要特征为 ： 1 ) 非线性徐变阶段 ， 混凝 土既有微裂缝进一步扩 展 ， 因而徐变损伤相对于瞬时损伤有所增加 ， 徐变损伤 的演变又造成徐变值增加。当持荷应力超过混凝土的 长期强度 ( 约为 0 8倍 的混凝土强度) 后 ， 裂缝扩展迅 速 ， 徐变损伤的不稳定扩展将造成破坏。 2 ) 徐变损伤分为界面裂缝 的损伤 和砂浆 裂缝的 损伤 。当应力水平低于长期强度时， 砂浆裂缝可忽略 不计 ， 此时徐变变形值是收敛 的； 当应力高于长期强度 时 ， 砂浆裂缝不断扩展 ， 导致徐变损伤变形值发散 ， 在 短时间内将使材料破坏。 2 徐变损伤应 变研 究 林南熏等 建立了非线性徐 变方程 ， 混凝土的非 线性徐变 采用总应力函数， ( o r )计算 ， 其表达式为 8 6 ( t ， r ) = or) ( t ， ) ( 1 ) 式中， 是混凝土的极限强度 ； ( t ， 7 )是徐变度 。当 or R 2时 ， 厂 ( )：o r 。 混凝土的徐 变 由可逆徐 变 b和不可 逆徐变 c组 成 ， 可表示为 铁道建筑 6 ( t ， f )： ( ) b ( t ， Jr )+ ( ) c ( t ， r ) ( 2 ) 林南熏进行 了两组高应力下的徐变试验 ， 得 出可 逆徐变函数 ( )和不可逆函数 ( )的计算式。测 量出各级 应力 的弹性 后效变形 ， 作 为可逆徐 变变形 8 ( t ， ) ， 并测量 出各级应力的徐变变形 s k ( f ， ) ， 则 可得 出不可逆徐变为 s ( t ， )= 6 。 ( t ， )一 6 ( t ， ) ( 3 ) 根 据式 ( 3 ) ， 逐 步分 解 出各 级应 力 的不 可 逆 徐 变 值 。研究结果表明， 当应力级不超过混凝土 的长期强 度时 ， 应力与可逆徐变成线性关系 ， 前苏联专家 的研究 中也得 到 了相似 的结论 ， 因而有 ( ) = ( 4 ) 应力与不可逆徐变为非线性关系 ， 采用式 ( 5 ) 逼近 ( Or)= +m Or ( 5 ) 非线性徐变的关系式式( 2 ) 可改写为 ( ， ) =Or b ( t ， )+( +m Or ) c ( t ， ) = b ( t ， 7 )+c ( f ， r ) +mOr c ( t ， r )( 6 ) 在式 ( 6 ) 中 ， 等号右端第 1项为线性徐变 ， 是 由于 水泥胶凝体的蠕变产生 ， 第 2项为非线性徐变， 主要是 由于混凝 土微 裂缝 的扩 展 导 致 。 同时 可 以看 出 ， 混凝 土在低应力作用时， 也存在少量非线性变形 。 本文将非线性徐变按持续荷载值 ( t ) 与混凝土 强度 ( t 。 ) 的比值分为两种情况， 分别对徐变的损伤 应变进行计算 ， t 表示加载龄期 。 1 ) ( 。 ) ( t 。 ) 0 8， 且 ( 。 ) ( t 。 ) 的最 小 值在 0 4 0 6之间时， 在荷载的持续作用下徐变值会 趋于收敛 ， 最终稳定于极限值 。 林南熏将混凝土的不可逆徐变分为线性徐变和非 线性徐变两部分。非线性徐变是混凝土内部裂缝开展 导致的结果 ， 本文将不可逆变形中的非线性徐变定义 为徐变损伤 s ( t ， r ) ， 表示为 s ( t ， f ) =m C ( t ， ) ( 7 ) 2 ) 当 ( t 。 ) ( t 。 )0 8时， 混凝 土高应力荷载 作用下 ， 混凝土试件持续一段时间后将 因徐变 的发散 而破坏 。一般来说 ， 混凝土试件 的长期抗压强度约为 0 ( t 。 ) 。 李兆霞 通过在持续高压应力下的t 昆 凝土 徐变破 坏试 验 ， 研究 了混 凝土 徐变 破坏 的规 律 ， 研 究时 使用了 4组试件 ， 每组 2个试件 ， 4组试件分别加载的 应力水 平为 8 3 ， 8 5 ， 9 0 和 9 5 。4组试件徐变 破坏区域均发生在试件中间部位 2 0 c m的均匀应力区 范 围内 ， 试 验结 果见 表 1 。 B a z a n t 等 试验研究了在持续高应力状态下的徐 变破坏 ， 给出了在徐变状态下的混凝土试件 的持续寿 命 ， 见 表 2 。 可见， 当 ( 。 ) ( t 。 )0 8 ， 混凝土将在荷载作 用下发生徐变破坏。此时徐变破坏是因? 昆 凝 土内部裂 纹 扩展 导致 的 。 表 1 4组试件徐变破坏测试结果 。 表 2 混凝土在高应力持续荷载作用时 的寿命 种类 2 5 4 m ， 种 类 麓 3 x 1 5 x 4 5 0 普 通混凝 土 3 6 _ 0 1 6 9 O 2 o 0 3 3 0 8 50 3 1 2 0 3 2 90 3 0 O 36 01 6 50 3 1 54 70 22 O 0 31 2 03 2 50 3 3 0 8 70 1 4 21 普通混凝土 3 1 5 4 7 O 9 0 ( 】 3 6 0 1 6 7O 1 7 O 0 33 08 70 2 0 0 高 强 混 凝 土 ； 。12 5 0 x4 79 0。 2 98 。1 3 6 0 1 6 7 0 2 0 0 31 2 0 x 3 2 7 0 4 5 O 33 08 90 1 4 00 31 54 9 0 36 01 6 90 7 21 33 08 9 0 0 21 31 2 03 2 9O 7 00 注 ： 表示试验失败。 2 0 1 2年第 1 2期 混凝土单 轴受压时的徐变损伤研究 1 6 5 3 徐变损伤 的计算和存在 的问题 由以上分析得混凝土徐变损伤应变的计算公式为 当 o r ( t 。 ) ( t 。 )的最大值在 0 4 0 6之间时 d( ， T ) =0 ( 8 ) 当 ( t 。 ) ( f 。 )0 8， 且 ( t 。 ) ( t 。 ) 的最小值 在 0 4 0 6之间( 包括等于 ) 时 d( t ， r )= c m( t ， ( 9 ) 当 o r ( t 。 ) ( t 。 )0 8时 占 d ( t ， r ) = ( 1 O ) 式 中 ， 为 混凝 土 在一 次加 载破 坏 时 的极 限应 变值 。 假设非线性徐变公式 中系数 m c ( t ， J ) ：1 ，拟合 曲线见图 1 ， 横 坐标表示 持续荷载作用下的应力 与混 凝土极限强度的比值 ， 即 ( t 。 ) ( t 。 )； 纵坐标表示混 凝土的徐变损伤度 ， 徐变损伤度表示 混凝土损伤徐 变 的应变值 占 ( t ， r )与混凝土在 一次加载破 坏时 的极 限应变值 占 一 的比值。 $ 辑 枣 ( 图 1 徐变损伤 度曲线 徐变损伤度反应了混凝 土在非线性徐变 时， 混凝 土内部损伤的发展情况 ， 非线性徐变主因是混凝土 内 部微裂纹的产生和扩展 。 4结论与建议 1 ) 在应力较低 时， 混凝土的徐变变形属于线性徐 变阶段 ， 以水泥胶凝体 的流变 为主 ， 不以损伤 为代价 。 该阶段 ， 混凝土 内部微裂缝的发展可忽略不计 。因此 在线性 应变 阶段 ， 可 近似认 为混凝土 的徐 变损伤 度 为 0 。 2 ) 在应力较高 ， 处于非线性徐变 阶段且 应力低 于 混凝土的长期强度时 ， 混凝土徐变可分为线性徐变和 非线性徐变两部分。非线性徐变主要是 由于混凝土内 部 裂纹 的扩 展导 致 。此 阶段 ， 混凝 土 的裂缝 虽然 扩展 ， 但将达到稳定的平衡状态 ， 故该 阶段 的徐变变形值将 最终收敛。 3 ) 在应力大于混凝土的长期强度时 ， 最终混凝土 将徐变破坏 。该阶段 ， 混凝 土的徐变主要是 由裂缝 的 产生和扩展导致的 ， 且裂缝无法达到稳定状态， 故此阶 段混凝土的变形是发散的 ， 最终导致混凝土破坏。因 此在应力大于混凝土的长期强度时 ， 认为混凝土的徐 变损伤度为 1 。 在应力较高， 处于非线性徐变且应力低于混凝土 长期强度时， 损伤徐变量的计算方法仍需要大量的试 验研究 ， 本文依据文献 8 ， 并假设非线性徐变系数为 1时 ， 给出了简化的徐变损伤度曲线 ， 需要对该 曲线进 行更深入的研究 ， 例如要研究不同持续应力 、 不同加载 龄期、 持续不同时间的混凝土试件的损伤应变规律。 参 考 文 献 1 郭 少华 混凝 土蠕变损 伤分 析模 型 J 西安建 筑科技 大学 学报 ： 自然科学版 ， 1 9 9 5 ， 2 7 ( 3 ) ： 2 9 9 3 0 3 2 李兆 霞 混凝土非线性 徐变理论的研究 J 河海科 技进展 ， 1 9 91 ， 1 1 ( 2) ： 2 6 3 3 3 高 虎 ， 刘光廷 ， 陆风崎 混凝 土双轴压 缩徐变 试验 初步 研究 J 清华大学学 报 ： 自然科学 版 ， 2 0 0 1 ， 4 1 ( 1 1 ) ： 1 1 0 1 1 3 4 N E V I L L E A M， D I L G E R W H， B R O O K S J J C r e e p o f p l a i n a n d s t r u c t u r a l c o n c r e t e M L o n d o n ： C o n s t r u c t i o n P r e s s ， 1 9 8 3 5 S MA D I M M， S L A T E F O， N I L S O N A H H i g h - m e d i u m a n d l o w s t r e n g t h c o n c r e t e s u b j e c t t o s u s t a i n e d o v e r l o a d s - s t r a i n s J S t r e n g t h s a n d F a i l u r e Me c h a n i s ms ， 1 9 8 5 ( 9 ) ： 6 5 7 6 6 4 6 童智洋 混凝 土 收缩 徐 变对 连 续 曲线 箱 梁 桥 的受 力影 响 J 铁道建 筑 ， 2 0 1 0 ( 6 ) ： 1 4 - 1 5 7 林 南薰 混凝 土非 线性 徐 变理论 问题 J 土 木工 程学 报 ， 1 9 8 3( 1 ) ： 1 6 2 3 8 李兆霞 高压应力作用下混凝土的徐变和徐变破坏 J 河 海 大学学报 ， 1 9 8 8 ( 1 ) ： 1 0 9 I 1 2 ， 1 2 9 9 B A Z A N T z P ， X I A N G Y u y i n g C r a c k G r o w t h a n d L i f e t i me o f C o n c r e t e u n d e r L o n g T i me L o a d i n g J J o u r n a l o f E n g i n e e r i n g Me c h a n i c s ， 1 9 9 7， 1 2 3 ( 4)： 3 5 0 3 5 8 ( 责任 审编李付军)