高性能混凝土的徐变影响因素及模型优化.pdf

第3 2 卷 第1 2期 2 0 1 5年 1 2月 长 江科 学 院 院报 J o u r n a l o f Y a n g t z e R i v e r S c i e n t i fi c R e s e a r c h I n s t i t u t e Vo I 3 2 No 1 2 De c 2 0 1 5 d o i ： 1 0 1 1 9 8 8 c k y y b 2 01 4 0 5 1 0 高性能混凝土的徐变影响因素及模型优化 苏骏 ， 李威 ( 湖北工业大学 土木工程与建筑学院， 武汉4 3 0 0 6 8 ) 摘要：现有的高性能徐变预测模型， 各徐变影响因素多是根据试验数据统计 回归得到， 具有一定的局限性 ， 且在 实际施工中通用性较差。为了解决这一问题 ， 根据现有的徐变模型， 提出了标准状况下徐变预测公式， 并结合高性 能混凝土的特点， 通过将徐变影响因素参数化， 仅改变某一因素而将其他因素控制在标准状态的方法， 建立了适用 范围较广且预测精度较好的徐变模型。同时， 为了使参数更精确 ， 在徐变系数分析时， 采用了 自动寻参的遗传算 法。结果表明， 预测值与试验值吻合较好， 且适用于普通混凝土和高性能混凝土， 计算较为简便， 可为设计和工程 应用提供参考。 关键词： 高性能混凝土； 标准状态； 徐变模型； 徐变系数； 预测公式 中图分类号 ： T V 3 1 5 文献标 志码 ： A 文章编号 ： 1 0 0 1 5 4 8 5 ( 2 0 1 5 ) 1 20 1 2 0 0 5 1 研 究背景 徐变是混凝土材料 的固有时变性质 ， 对结构的 内力和变形产生不利影响。近年来 ， 在混凝土桥梁 结构中， 均出现了不 同程度 的截面开裂和跨 中挠度 过大的问题 。而混凝土徐变效应 ， 正是产生上述情 况的主要原因之一。 混凝土作为一种多相 、 多组分 、 多层次的非匀质 材料 ， 影响混凝土徐变的因素较多 ， 加上研究的侧重 点不同和试验条件 的局限性 ， 不 同的研究者提 出的 模型也 不 尽 相 同。 目前 国 际上较 成 熟 的模 型 如 ACI 2 0 9 ，CEB F I P ，GL 2 0 0 0 ，B 3 等大都基于 普通混凝土的试验数据统计 回归得到， 为半理论半 经验公式 ， 对普通混凝土徐变的预测结果较为准确 。 但因材料性质的不 同， 对于高性能混凝土的适用性 尚需进一步研究。高性能混凝 土具有强度高 、 密实 度高和水灰 比低等特点 ， 制成的构件与普通混凝土 相 比， 构件尺寸更小 ， 长度更长， 这就使长期徐变效 应的计算显得尤为重要 。高性能混凝土相对于普通 混凝土最大的不同体现在材料组成 ( 加入了水胶 比、 粉煤灰等) ， 徐变度 比普通混凝土稍低， 以及对 质量和骨料控制措施要求较高。现有国内研究成 果 中， 多集中讨论材料参数变化对高性 能混凝 土徐变效应方面， 尚未提出适用性较好 的公式。 根据 以上情况 ， 本文依照 S L 3 5 2 -2 0 0 6 ( 水工混 凝土试验规程 设定 了标准状况下的徐变系数计 算公式， 并用 G L 2 0 0 0模型建立了标准状况下的数 据样本 ， 针对不同材料因素和环境情 况对徐变效应 的影响， 采用各影响因素参数化 的形式修正标准模 型 ， 提 出了简化的高性能混凝土徐变的预测公式 ， 具 有较好的预测精度。 2 混凝土标 准状态 的设定 混凝土标准状态参照中国水利行业标准 s l J 3 5 2 2 0 0 6 ( 水工混凝土试验规程 设定， 并添加湿度参 数 。混凝土强度等级采用 C 3 0 ， 不掺加粉煤灰和外 加剂 ， 试件规格为 1 5 0 m m X 4 5 0 m m， 标准养护( 恒 温( 2 02 ) ， 相对湿度为 9 0 以上 ) 3 d后移人恒 温恒湿室内( 室温为( 2 02 ) o C， 相对湿度为 ( 6 0- 4- 5 ) ) 施加横 向受压荷 载 ， 加载采用试块破 坏荷 载 的 3 0 。 2 1 标准状态下的徐变 系数方程 因本文已经确定标准状况 的加载龄期 ， 所 以标 准徐变系数方程仅需考虑持荷时间即可， 具体公 式为 ( t ， t o ) 标 准= ( ， 3 ) 。 ( 1 ) 收稿 日期 ： 2 0 1 4 0 6 2 3 ； 修回日期 ： 2 0 1 4 0 81 4 基金项 目： 湖北省 自然科学基金资助项 日( 2 0 0 9 C D B 0 9 4 ) 作者简介： 苏骏 ( 1 9 7 1一) ， 男 ， 安徽六安人 ， 教授 ， 博士， 主要从事混凝土结构计算理论 、 工程结构抗震与加固 、 纤维混凝土结构 、 加筋土结构 计算理论等研究， ( 电话) 1 3 9 8 6 0 6 7 2 2 0 ( 电子信箱) s u j u n 9 3 0 1 6 3 o m 。 第 1 2期 苏 骏 等 高性能混凝土的徐变影响因素及模型优化 1 2 1 式中： ( ， 3 ) 为标准状况下 ， 加载龄期为 3 d ， 持荷 时间为 的徐 变系数 ； k 表示持荷 时间控 制系数 ； =t t o 代表持荷时间。 2 2基本模型 目前在国际上较成熟的混凝土徐变系数预测模 型有 B P 3 ， G L 2 0 0 0， C E B( 2 0 1 0 ) ， A C I ( 2 0 9 ) 等 ， 其 中， B P 3和 G L 2 0 0 0的预测效果较好。本文选取 G L 2 0 0 0 模型作为基本模型 ， 因为其预测结果准确 ， 作为基本 模型能最大限度保证标准模型的精度 。该模型的缺 点是仅考虑加载时间， 计算龄期、 相对湿度、 构件体 表比、 干燥开始龄期等 因素 ， 添加剂 、 养 护湿度等其 他因素的影响尚未详细考虑。但已考虑的因素均适 用于高性能混凝土 ， 加上其预测精度高 ， 模型公式简 洁， 整体上应用价值最高。 2 3 基于遗传算法的徐变 系数分析 利用标准状况下基本模型的计算结果来建立徐 变系数样本 ， 近似以 1 5 0 0 0 d的徐变系数为终值， 并 以 ( t ， 3 ) ( 1 5 0 0 0 ， 3 ) 的比值来描述 k 。本文采 用多种函数形式对样本进行数据拟合 ， 为 了保证公 式精度 ， 采用基于演化论的遗传算法对参数寻优。 其计算参数和选择策略为： 染色体采用浮点算法代 替二进制编码 ， 种群规模为 1 0 0 0个个体 ， 参数个数 由各自函数决定， 并使用实数编码策略； 采用多种遗 传算子来避免函数过早收敛 ， 算术 、 非均匀、 简单杂 交率参数分别为 0 4， 0 1 5 ， 0 4 ； 当在 2 0 0代仍未有 改进或演化代数 1 0 0 0时， 算法终止。拟合结果见 表 1 。 表 1 混凝土徐变 系数 拟合公式 T a b l e 1 F i t ti n g f o r mu l a o f c r e e p c o e ffi de n t o f c o n c r e t e 注 ： 目标 函数 为编制 遗传 算法程 序设 定 的辨 识公 式 ， 其结 果越小 表 示 函数 回归优越性越高 。 由表 1目标 函数结果可知 ， 对数 函数 的拟合结 果远好于其他函数 ， 得 到标准状态下徐变系数标 准 方程为 ( t ， t 0 ) 标 准= 0 4 7 1+ 0 0 5 5 1 n r。 ( 2 ) 3非标准状况下各因素对徐变系数的 影 响 影响混凝土徐变的因素主要分 内部因素和外部 因素。外部因素主要包括加载龄期 、 持荷时间、 环境 相对湿度、 构件的体表 比等； 自身因素主要指混凝土 的材料组分 、 水胶 比、 粉煤灰的作用等。因影响徐变 的混凝土 自身因素均涉及混凝土强度的相关 因素 ， 本文研究各影响因素对徐变影响时 ， 假设其相互独 立， 采用保持其他变量在标准状态不变仅变化这一 变量的方法 ， 简化多因素的非线性分析 。 3 1 加载龄期的影响 混凝土水化作用需要一定 的时间 ， 不 同的加载 龄期对应的混凝土水化情况直接影响后期的徐变结 果 。较早地加载将会产生较大的徐变度 ， 当其他影 响因素保持不变 ， 加载龄期持续增加时， 混凝土的徐 变速率和徐变度将逐渐收敛。表 2以基本模型计算 不 同加载龄期和时间的混凝 土徐变系数 ， 并 以标准 状况下 3 d加载龄期为基准 ， 得 出其他加载龄期下 的相对徐变系数 。 表 2不 同龄期和持荷 时间的混凝 土徐 变系数相对值 Ta b l e 2 Re l a ti v e v a l u e o f c r e e p c o e ffi c i e n t o f c o n c r e t e i n t he pr e s e nc e o f di ffe r e nt l oa di ng a g e s a nd l o a di ng dur a t i on s 由表 2可知 ， 加载 龄期 t 。相 同时， 徐 变 系数大小与持荷 时间 呈正 相 关 关 系 ； 而 在 相 同的持荷 时间 丁情 况下 ， 较 早 地 加 载 将 引起较 大 的徐变 。图 1根据 不 同加 载龄 期 t 。 的徐变系数平均值 ， 取相 对系数与加载 龄 图 1 加载龄期与相对 徐变 系数 的关 系 Fi g 1 Re l a t i o n s h i p b e t ween l o a d i n g a g e an d r e l a ti v e c r e e p c o e f fic i e n t 长江 科学 院院报 2 0 1 5正 期 t ， 表示不同持荷情况下相对徐变系数平均值随加 载龄期 t 。的关 系。通过计算 ， 相关系数 达N0 9 5 。 由此 ， 加载龄期确定的影响函数为 ( t o )= 2 0 4 t 0 加 一 0 6 7 3 2。 ( 3 ) 3 2 体表比的影响 体表 比决定了介质温度和湿度影响混凝土内部 水分溢出的程度， 较小的体表比其内部温度和水分 的发散较大 ， 影响混凝土的水化反应 ， 从而产生较大 的徐变。但当构件体表比较大( 超过 9 0 0 m m) 时， 混凝土与外界环境达到湿度平衡 ， 尺寸效应消失。 在标准状况下 ， 以同一持荷时间 t 一 一 o 情况下 的体表 比 。 ( v s ： 14 0 6 哪) 为 ： 。 表 3 粉煤灰徐变修正系数 Tabl e 3 Cr e ep c or r e c tio n c o e f fic i e nt仪| o f fly a s h 加载龄 不同粉煤灰掺量下的徐变修正系数 期 d 1 2 5 2 5 4 0 6 0 3 4环境相对湿度的影响 G L 2 0 0 0模型中已经考虑 了环境平均相对湿度 的影 响， 因此 可 直接 表 4混凝土强度影响系数 ( ) T a b l e 4 I n f l u e n c e c oeffi e n t o f c o n c r e t e r e n g t h ( ) 通过 Ma t l a b软件对数据高斯拟合 ， 相关系数达 到 0 9 8 ， 则 ( )=1 4 5 e 叭 u 一 2 B 。 ( 7 ) 3 6外加剂影响系数 为了改善和调节混凝土的和易性 、 节约水泥 、 提 高混凝土耐久性 ， 实际工程中 ， 混凝土常掺入适量 的 外加剂。外加剂的种类繁多 ， 各种外加剂 ， 尤其是减 水剂的应用最为普遍 。已有的研究 u中表明， 掺早 1 2 4 长江科 学院 院报 2 0 1 5正 n e s e ) ) 6 肖佳， 陈雷 ， 邢昊 掺合料和粗骨料对 C 6 0高性 能混凝土徐变性能 的影响 J 混凝土与水泥制品， 2 0 1 1 ， ( 1 1 ) ： 1 11 5 ( X I A O J i a ， C H E N L e i ， X I N G Ha o I n flu e n c e o f Ad mi x t u r e s a n d C o a r s e A g g r e g a t e o n t h e C r e e p P e r f o r ma n c e o f C 6 0 H i s h C o n c r e t e J C h i n a C o n c r e t e a n d C e m e n t P r o d u c t s ， 2 0 1 1 ， ( 1 1 ) ： 1 1 一l 5 ( i n C h i n e s e ) ) 7 S L 3 5 2 -2 0 0 6 ， 水工混凝土试验规程 S 北京： 中国水 利水 电出版社 ， 2 0 0 6 S L 3 5 2 -2 0 0 6， T e s t C o d e f o r H y d r a u l i c C o n c r e t e s B e i j i n g ： C h i n a Wa t e r P o w e r P r e s s ， 2 0 0 6 ( i n C h i n e s e ) ) 8 秦鸿根 ， 潘钢华， 孙伟 掺粉煤灰高性能桥用混凝土 变形性能研究 J 东南大学学报： 自然科学版， 2 0 0 2 ， 3 2 ( 5 ) ： 7 7 9 7 8 2 ( Q I N H o n g - g e n ， P A N G a n g h u a ， S U N W e i S t u d y o n t h e De f o r ma t i o n Prop e r t i es o f t h e Hi g h Pe r - f o rma n c e C o n c r e t e w i t h F l y A s h U s e d i n B ri d g e J J o u r n a l o f S o u t h e a s t U n i v e r s i t y( N a t u r a l S c i e n c e ) ， 2 0 0 2 ， 3 2 ( 5 ) ： 7 7 9 7 8 2 ( i n C h i n e s e ) ) 9 邹建喜 ， 李显金， 迟培云 粉煤灰混凝土的变形性能研 究 J 混凝土， 2 0 0 3 ， ( 6 ) ： 3 83 9 ( Z O U J i a n x i ， L I X i a n j i n ， C H I P e i y u n A R e s e a r c h o f D e f o rm a t i o n o f F l y A s h C o n c r e t e J C o n c r e t e ， 2 0 0 3 ， ( 6 ) ： 3 83 9 ( i n C h i n e s e ) ) 1 0 梁杰， 杨建新， 李天德 混凝土抗压徐变与强度关系 的研究 J 工程质量， 2 0 1 1 ， 2 9 ( 1 0 ) ： 5 35 7 ( L I A N G J i e， YA NG J i a n x i n ， L I T i a n d e S t u d y o f R e l a t i o n B e t w e e n C r e e p a n d S t r e n g t h i n C o n c r e t e J C o n s t r u c t i o n Q u a l i t y ， 2 0 1 1 ， 2 9 ( 1 0 ) ： 5 3 5 7 ( i n C h i n e s e ) ) 1 1 张异， 钱春香 ， 赵飞， 等 化学外加剂对t 昆 凝土徐变 的影 响 规 律 研 究 J 功 能 材 料， 2 0 1 3 ， 4 4( 1 1 ) ： 1 6 2 01 6 2 3 ( Z H A N G Y i ， Q I A N C h u n x i a n g ， Z H A O F e i ， e t a 1 I nfl u e n c e Re g u l a ri t i e s o f C h e mi c a l A d mi x t u r e s o n C r e e p a n d S t r e n gt h i n C o n c r e t e J J o u r n al o f F u n c t i o n a l Ma t e ri als ， 2 0 1 3 ， 44 ( 1 1 ) ： 1 6 2 01 6 2 3 ( i n C h i n e s e ) ) 1 2 郭磊， 朱岳明， 朱明笛， 等 高性能混凝土徐变系数 的公式设计 J 四川大学学报( 工程科学版) ， 2 0 1 0 ， 4 2 ( 2 ) ： 7 58 1 ( G U O L e i ， Z H U Y u e m i n g ， Z H U Mi n g d i ， e t a 1 Th e F o rm u l a De s i g n o f C r e e p C o e ffic i e n t f o r Hi g h P e r f o r ma n c e C o n c r e t e J J o u r n a l o f S i c h u a n U n i v e r s i t y ( E n g i n e e r i n g S c i e n c e ) ， 2 0 1 0 ， 4 2 ( 2 ) ： 7 58 1 ( i n C h i n e s e ) ) 1 3 陈志华， 彭少民， 蒋沧如， 等 荆州长江公路大桥主梁 高性能混凝 土徐变试验 J 中国公 路学 报， 2 0 0 6 ， 1 9 ( 4 ) ： 9 81 0 2 ( C H E N Z h i h u a ， P E N G S h a o m i n g ， J I A NG C h a n g ru ， e t a 1 T e s t o n Hi g h P e rfo r ma n c e Co n c r e t e C r e e p o f Ma i n Gi r d e r o f J i n g z h o u Y a n gtz e Ri v e r H i g h w a y B ri d g e J C h i n a J o u rna l o f H i g h w a y a n d T r a n s p o rt， 2 0 0 6， 1 9 ( 4 ) ： 9 81 0 2 ( i n C h i n e s e ) ) ( 编辑 ： 赵卫兵) I n flue n c i n g Fa c t o r s o f Cr e e p i n Hi g h- p e r f o r m a n c e Co n c r e t e a n d M o d e l Op t i mi z a t i o n s u J u n， L I We i ( C i v i l E n g i n e e ri n g a n d A r c h i t e c t u r e ， H u b e i U n i v e r s i t y o f T e c h n o l o g y ， Wu h a n 4 3 0 0 6 8 ， C h i n a ) Abs t r a c t： I n t h e p r e s e n t mo d e l s o f c r e e p p r e d i c t i o n i n h i g h p e r f o r ma n c e c o n c r e t e， i n f l u e n c i n g f a c t o r s a r e ma i n l y o b t a i n e d t h r o u g h r e g r e s s i o n o f m e a s u r e d d a t a ， w i t h l i mi t a n d p o o r a p p l i c a t i o n i n p r a c t i c al p r o j e c t s A c c o r d i n g t o t h e e x i s t i n g c r e e p mo d e l ， a f o r mu l a f o r c r e e p p r e d i c t i o n i n s t a nd a r d c o nd i t i o n i s p r e s e n t e d I n a s s o c i a t i o n wi t h t he c ha r a c t e r i s t i c s o f h i g h- p e r f o rm a n c e c o n c r e t e， a c r e e p mo d e l wi t h wi d e a p p l i c a t i o n fie l d s a n d h i g h p r e di c t i o n a c c ur a c y i s e s t a b l i s h e d t h r o u g h p a r a me t e r i z i n g i n flu e n c e e f f e c t s o f c r e e p I n t he mo de l ， o n l y o n e f a c t o r i s c h a n g e d a n d t h e o t he r s a r e u n d e r t h e c o n t r o l o f s t a n d a r d s t a t e Me a n wh i l e， i n o r d e r t o i mp r o v e a c c u r a c y o f p a r a me t e r ， we a n a l y z e c r e e p c o e f _ f i c i e n t b y u s i n g g e n e t i c a l g o ri t h m， a u t o ma t i c a l l y l o o k i n g f o r p a r a me t e r T h e r e s u h s o n t h e a c c u r a c y o f t h e mo d e l s h o w t ha t t h e p r e d i c t e d v a l ue s a r e i n g o o d a g r e e me n t wi t h t h e e x p e r i me n t a l v a l u e s， a n d i t c a n b e a p p l i e d n o t o n l y t o o r d i n a r y c o n c r e t e ，b u t a l s o t o h i g h p e r f o rm a n c e c o n c r e t e F u r t h e r mo r e ， t h e c a l c u l a t i o n i s s i mp l e a n d t h e mo d e l c a n p r o v i d e a r e f e r e nc e for t h e d e s i g n a n d e n g i n e e rin g a p p l i c a t i o ns Ke y wo r d s： h i g h p e rfo r ma n c e c o n c r e t e； s t a n d a r d s t a t e； c r e e p mo d e l ； c r e e p c o e ffi c i e n t ； p r e d i c a t i o n f o rm ul a