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循环荷载下混凝土徐变特性的宏细观分析 陈松等 1 5 3 循环荷载下混凝土徐变特性的宏细观分析 陈松 k ， 王岩 ， 宁聪 ( 1 重庆交通大学河海学院， 重庆 4 0 0 0 7 4 ； 2 重庆市水库大坝安全监测中心， 重庆 4 0 1 1 4 7 ) 摘要 为研究循环荷载加大混凝土徐变的内因， 以循环荷栽和恒荷载下混凝土徐变试验结果为基础， 基于多 孔介质理论的混凝土徐变模型， 编制 了 徐变模拟分析程序， 在细观尺度下模拟 了受循环荷载作用的混凝土内部骨料、 砂浆与水的耦合过程， 得到了宏观尺度下模型内部节点位移过程 图、 细观尺度下水分流速分布图、 孔隙压力消散过程 图、 等效应力变化图。研究结果表明： ( 1 ) 数值模拟方法可以描述细观尺度下混凝土内部骨料、 砂浆、 水分的运动规 律 ； ( 2 ) 与恒定荷栽相比， 循环荷栽通过影响水分的运动， 加快了骨料与砂浆的内力重分布速度， 推进 了混凝土固相的 受力均 匀化 的过程 ， 从 而加 大混 凝土徐变 。 关键词 混凝土徐变宏细观数值模拟循环荷载 中图分类号 ： T U3 7 5 文献标识码 ： A D O I ： 1 0 1 1 8 9 6 j i s s n 1 0 0 5 0 2 3 X 2 0 1 6 1 2 0 3 3 M a c r o - M e s o An a l y s i s f o r Fe a t u r e s o f Co n c r e t e Cr e e p Un d e r Cy c l i c Lo a d CHEN S o n g ，W ANG Ya n ，NI NG Co n g ( 1 He h a i Co l l e g e ，Ch o n g q i n g J i a o t o n g Un i v e r s i t y ，Ch o n g q i n g 4 0 0 0 7 4 ； 2 Re s e r v o i r Da ms S a f e t y Mo n i t o r i n g Ce n t r e o f Ch o n g q i n g ，Ch o n g q i n g 4 0 1 1 4 7 ) Ab s t r a c t I n o r d e r t o e x p l o r e t h e c o n c r e t e c r e e p r u l e u n d e r c y c l i c l o a d 。 t h e c o n c r e t e c r e e p mo d e l b a s e d o n t h e t h e o r y o f p o r o u s me d i a wa s s u p p o s e d t O c o mp i l e t h e c r e e p a n a l y s i s p r o g r a m， t h e p r o g r a m s i mu l a t e s t h e i n t e r a c t i o n b e t we e n a g g r e g a t e ， mo r t a r a n d wa t e r a t me s o - l e v e 1 Th e n o d e d i s p l a c e me n t r u l e a t ma c r o - l e v e l a n d t h e d i s t r i b u t i o n r u l e o f l i q u i d f l o wi n g r a t e ， p o r e p r e s s u r e ， e q u i v a l e n t s t r e s s f r o m n u me r i c a l s i mu l a t i o n we r e a n a l y z e d b y c o mp a r i n g t h e l a b o r a t o r y t e s t d a t e wi t h n u me r i c a l s i mu l a t i o n r e s u l t s Th e r e s u l t s s h o w t h a t t h e f i n i t e e l e me n t p r o g r a m wh i c h c o mb i n e d t h e o r y i s c a p a b l e o f d e s c r i b i n g t h e mo v e me n t r u l e o f a g g r e g a t e ， mo r t a r a n d wa t e r i n s i d e t h e c o n c r e t e a t me s o - l e v e l ； Co mp a r e d wi t h n u me r i c a l s i mu l a t i o n r e s u l t s u n d e r s t a t i c l o a d ， t h e s p e e d o f wa t e r ， a g g r e g a t e a n d mo r t a r a p p e a r s mo r e f a s t e r i s t h e ma i n c a u s e f o r i n c r e a s i n g c o n c r e t e c r e e p u n d e r c y c l i c 1 o a d Ke y wo r d s c o n c r e t e c r e e p，ma c r o - me s o ，n u me r i c a l s i mu l a t i o n ，c y c l i c l o a d 0 引言 徐变效应是大跨度预应力混凝 土结构下扰的重要原 因 之一 ， 同时徐变效应贯穿于大跨度混凝土结构的建造和服役 期， 日照及施工过程中大跨度预应力混凝土结构会产生循 环 荷载效应 ， 循环荷载作 用会 明显加大预应力混凝土 的徐变。 已有研究表 明可蒸发 的水分 是影 响混凝 土徐变 的主要 因 素- 1 ， 而以数值模拟方法研究混凝土细观结构的演变过程与 宏观性能关系的细观力学方法已得到发展 2 ， 因此有必要 综合考虑循环荷载、 水分、 骨料及砂浆等因素 的影响 ， 研究细 观徐变机理与宏观徐变现象之间的联系。 赵启林等 5 开展了循环荷载作用下高强混凝 土标准试 件徐变收缩性能试验 ， 研究表明早期施工循环荷载是造成徐 变预测模 型的预测值小于实测值的重要原因。唐云清等 开展了高强混凝土小梁收缩徐变试验研究 ， 研究表明加卸载 过程具有 明显的非线性特征 ， 且在循环荷载作用下混凝土 内 部孔隙减少、 颗粒受 到压缩是弹性模量 提高的原 因。陈松 等 7 , 8 3 基于多孔介质理论提出了徐 变有 限元模型 ， 该模型能 够解释混凝土内部可蒸发的水分对宏观徐变的影响 ， 并建立 了高强混凝土徐变的细观力学模型 ， 在细观尺度下研究 了长 期恒定荷载下的高强混凝土砂浆一 骨料体系的应力分布变化 规律。然而 ， 在细观尺度研究循环荷载作用下混凝土徐变机 理的文献 尚未见报道。 混凝土作为典型的多孔介质 ， 本研究将混凝土视为由骨 料 、 砂浆、 水分组成的三相复合材料 。考虑水分流动对骨料 与砂浆应力分布的影响， 开展循环荷载下混凝土徐变特性 的 数值模拟。基于多孔介质理论 的徐变模 型编制 了徐变模拟 分析程序 ， 模拟了受循环荷载作用 的混凝土徐变运动过程， 尝试在细观尺度下从骨料、 砂浆 、 水 分三者 之间的耦合作用 解释循环荷载加大混凝土徐变的原因。 *重庆市 自然科学基金计划项 目( c s t c 2 0 1 2 j j A0 0 0 2 5 ) 陈松： 男， 1 9 8 0年生， 博士， 副教授 ， 高级工程师， 研究方向为水工结构 E - ma i l ： c h e n s o n g 6 2 1 0 0 2 1 6 3 c o rn王岩： 男， 1 9 8 9年生， 硕士生， 研究方 向为水工结构E - ma i l ： 1 1 1 4 1 7 4 6 5 0 q q c o m 循环荷载下混凝土徐变特性的宏细观分析 陈松等 1 5 5 C( t ， r )一 C1 ( 1 + 9 2 O 。 ) ( 1 e - O - ) + C， ( 1+ 1 7 0 r - o ) ( 1一 e - O - 。 。 ) ( 1 2 ) 式中： C 1 0 2 3 E o ； C 2 0 5 2 E o ； E o 一 1 0 5 E ( 3 6 0 ) 。 2 2 程序验证 为验证程序的可靠性 ， 分别将恒定荷载 1 0 9 MP a 及循 环荷载 ( 1 0 9 - 4- 0 5 )MP a 作用下模拟计算 的徐变系数 与试 验值 。 进行对比分析 。徐变系数对 比见图 2 ， 由图 2 可见 ， 无 论是恒定荷载还是循环荷载作用， 模拟计算和试验得出的徐 变系数除少部分区域离散性较大之外 ， 其他大部分 区域吻合 情况较好， 程序可以很好地模拟恒定荷载和循环荷载下混凝 土徐变过程。 1龋 持续时间t d ( a ) 恒定荷载作用下模拟计算与实验徐变系数对比 持续 时间t l d ( b ) 循环荷载作用下模拟计算与实验徐变系数对比 图 2 徐变系数对比图 Fi g 2 C o mp a r i s o n c h a r t o f c r e e p c o e f f i c i e n t 徐变系数对 比结果 验证 了徐 变模拟 分析程序 的 可靠 性 ， 可 以利用程序模拟循 环荷载下 混凝 土 内部 骨料 、 砂 浆 及水分的运动过程 ， 尝试从宏观现象人手研究细观尺度下 混凝土徐变机理 。为解释循环荷载加大徐变的原因 ， 深入 开展 了恒定荷载和不 同循 环荷 载下混凝 土徐 变的模 拟计 算 。 3 计算成果的宏细观分析 3 1 计算成果的宏观分析 3 1 1 固相位 移 变化 为研究循环荷载下计算模型内固相位移 的变化规律 ， 计 算了模型在循环荷载( 1 0 9 0 5 ) MP a 作用下的固相位移 ， 并记录了模型在 9 O天时的网格变形 图， 如 图 3 所示 。A点 在 3 6 0 天内的弹性位移变化过程 如图 4 所示 ， 3 条 曲线分别 为循环荷载的最大 、 中心及最小荷载对应 的位移连线 ， 中心 荷载对应的位移连线包络于最大、 最小位移连线之 间， 且 3 条 曲线的位移发展趋势相 同， 但不同的是加载与卸载时的弹 性位移增量并不相等。 为说明这种不等关系， 用图 5 记录加卸载时刻 A点产生 的弹性位移增量， 可见荷载从 1 0 9 MP a 加载至 1 1 4 MP a 0 0 0 5 0 1 图 3 循环荷载下混凝土 9 O天网格变形图 F i g 3 Gr i d d e f o r ma t i o n c h a r t o f c o n c r e t e i n t h e 9 0 d a y s u n d e r c y c l i c l o a d 吕 吕 簿 坦 掣 霰 图 4 模拟计算 A点位移 Fi g 4 Di s p l a c e me n t o f p o i n t A b y s i mu l a t i o n 昌 g 被 O 0 l 0 O O5 0 -0 0 0 5 目 l 1 ： 铀 lu ， 工 V JJ l i 哟编 1 0 0 2 0 0 3 0 0 4 q 荷载变化 1 0 9MP a fl 载至1 1 4MP a 1 0 4 MP 曲 载至 1 0 9 MP a 1 1 4 MP a 卸载至 1 0 9MP a 1 0 9 M P枷 载 1 0 4 MP a 表 2 加卸载总位移增量及位移增量 平均值 Ta b l e 2 To t a l d i s p l a c e me n t i n c r e me n t a n d i t s a v e r a g e v a l u e u n d e r l o a d i n g a n d u n l o a d i n g 盯 ： 兮 仇 0 O O 0 0 O 0 0 O