基于大型渡槽原型试验的混凝土徐变参数反演.pdf

文章编号:()收稿日期:基金项目:中铁十二局集团有限公司科技研发计划项目()作者简介:姚胜泉()男湖南益阳人高级工程师主要从事桥梁工程技术方面的研究:.引文格式:姚胜泉.基于大型渡槽原型试验的混凝土徐变参数反演.铁道建筑技术():.基于大型渡槽原型试验的混凝土徐变参数反演姚胜泉(中铁十二局集团第七工程有限公司 湖南长沙)摘 要:混凝土徐变对结构应力和变形有重要影响是结构设计关键参数之一 徐变参数通常通过在实验室开展试验后获取试验周期长、成本高尤其是受空间和试验加载能力限制试件尺寸通常较小不能充分反映实际情况 本文结合某大型预应力渡槽原型结构试验利用槽身纵向和环向布置的应变计配合温度计和无应力计观测数据建立混凝土应变分析模型分离各荷载作用并获取纵向和环向预应力荷载下混凝土徐变量据此反演混凝土徐变参数 结果表明反演分析模型得到的应变拟合曲线与实测应变曲线吻合度较高可有效反映混凝土应变变化规律关键词:渡槽 原型试验 徐变 参数反演中图分类号:.文献标识码:./.(.):.:引言混凝土徐变是指在应力保持不变的情况下混凝土应变随时间增长的现象 对于大型混凝土结构徐变有其有利的一面例如能够缓解大体积混凝土的温度应力降低开裂风险但也有不利的一面例如可能会损失部分预应力值导致结构开裂 因此混凝土徐变一直是设计和施工特别关注的参数 徐变参数通常通过在实验室开展试验后获取 受空间和试验加载能力限制试件尺寸通常较小有时不能充分反映实际情况且试验周期长、成本高 为此不少学者基于工程实测资料对混凝土徐变参数进行反演如:吴相豪结合沙牌拱坝坝体变形引起的测点位移资料采用可变容差法反演混凝土徐变度黄耀英基于应变计组及无应力计实测应变采用正反分析法反演混凝土徐变度八参数何一洋采用“正交设计 神经网络 细观有限元模型”方法结合实测纵、横向应变优化反演混凝土结构力学参数 上述研究主要围绕大坝混凝土结构强度等级相对较低不适用于高标号混凝土结构在徐变本构模型上国内使用较多的为指数形式的线性徐变模型 该模型不考虑环境相对湿度、混凝土强度等级等因素的影响因此试验结果一般适用铁道建筑技术 ()姚胜泉:基于大型渡槽原型试验的混凝土徐变参数反演于特定的混凝土 为了使徐变经验参数更好地反映实际情况国内外学者提出了多种计算模型其中国际结构混凝土协会()提出的 徐变模型在估算徐变量时考虑的因素较为全面对混凝土徐变计算提供了有益借鉴预应力渡槽是水利工程常见的混凝土输水建筑物结构形式和受力复杂 为了保证渡槽在施工期和运行期安全许多学者就渡槽原型试验展开相关研究徐合忠基于南水北调沙河渡槽原型试验监测数据分析各个典型工况槽身混凝土纵向及环向应力应变规律但忽略了徐变对结构应力应变的影响冯光伟将原型试验成果与槽体三维有限元数值模拟计算结果进行对比表明两者得到的槽身应力分布规律相同但由于有限元计算未考虑温度和徐变的影响实测得到的应变大于计算值本文结合某大型预应力渡槽:原型结构试验开展徐变参数反演分析 利用槽身纵向和环向布置的大量应变计配合温度和无应力计观测数据建立混凝土应变分析模型分离各荷载作用并获得纵向和环向预应力荷载下混凝土的徐变量并以 模型为基础反演混凝土徐变参数以期为理论研究和工程实践提供参考 大跨度预应力渡槽原型试验.原型试验概况某大型预应力 型渡槽设计流量/单跨跨度 单槽直径.净高.槽体总高.槽身直壁厚.如图 所示 于槽身布置纵向及环向预应力钢绞线其中纵向预应力钢绞线分为底部、腰部及上部 部分共 孔环向预应力钢绞线分为槽身标准段、端肋、渐变段及后浇带 部分共 孔如图 所示 为了解大型预应力 型渡槽施工期工作状态验证设计并指导施工开展渡槽 仿真试验 渡槽仿真试验槽于 年 月 日开始浇筑混凝土混凝土养护时间为 月 日开始张拉纵向及环向预应力钢绞线 月 日钢绞线张拉完成 月 日开始进行充放水试验图 渡槽整体结构图 渡槽预应力钢绞线布置.监测数据选择因渡槽为简支构件根据材料力学基本理论支座断面附近受剪应力影响应力情况较为复杂而跨中断面主应力方向接近水平为提高试验反演精度选择跨中及附近截面进行计算 渡槽顶部、中部及底部布置纵向及环向应变计共计 部监测仪器如图 所示 本次监测所采用的监测仪器均带有温度采集模块能够准确得到应变计所在区域局部混凝土内部温度图 跨中断面应变计布置.应变数据根据渡槽跨中截面 个应变计监测数据绘制持荷期间混凝土应变曲线如图 所示铁道建筑技术 ()姚胜泉:基于大型渡槽原型试验的混凝土徐变参数反演图 纵向及环向应变计应变曲线 基于神经网络的徐变参数反演方法.徐变计算模型影响混凝土徐变的因素包括内部因素和外部因素其中内部因素包括混凝土配合比、骨料力学性能、水泥类型、构件形状及尺寸外部因素包括加载龄期、荷载等级、养护条件、环境相对湿度等 为准确描述混凝土徐变国内外学者提出了一系列混凝土徐变计算模型但由于混凝土徐变问题的复杂性目前尚未存在一种模型得到学术界的一致认可 朱伯芳提出八参数徐变度公式在工程中得到了广泛应用但模型参数并不具有实际物理意义 美国 团队基于混凝土徐变数据库提出了基于微预应力固结理论的 模型加大了对温度、混凝土强度、组分和长期徐变数据的考虑力度 国际结构混凝土协会()在过去几十年对混凝土徐变模型进行了一系列研究并于 年提出了最新的 模型该模型考虑了计算时刻、加载龄期、环境湿度、理论厚度(体表比)、混凝土强度等级的影响 我国铁路桥涵钢筋混凝土和预应力混凝土结构设计规范()也基于 系列模型进行设计研究表明各影响因素对混凝土徐变度的影响从大到小为:计算时刻、混凝土强度、环境湿度、结构理论厚度及混凝土加载龄期 综合考虑各模型徐变参数及不同因素对混凝土徐变的影响本文基于 模型进行参数反演分析对于大跨度预应力渡槽槽身在施工期及运行期压应力不超过混凝土抗压强度的一半拉应力不超过抗拉强度的.倍 此时混凝土徐变与应力基本保持线性关系可按线性理论进行计算 在加载龄期 加载到计算时刻 时混凝土产生的徐变应变为:()()()()()()()式中:()为 时刻加载产生的瞬时弹性变形()为混凝土徐变系数即任意时刻下混凝土徐变变形与初始弹性变形的比值()为 时刻施加的应力 模型通过将名义徐变度与依时发展系数相乘来预测混凝土徐变:()()()式中:为名义徐变系数()为依时发展系数()()()().()()(.)()/.(/)/()()()().().(.)()式中:()为混凝土抗压强度影响系数()为加载龄期影响系数为环境相对湿度影响系数 为混凝土平均抗压强度 为环境湿度为构件截面积 为构件截面与大气接触的周边长度 为环境相对湿度及尺寸影响系数 为构件理论厚度通常取 /混凝土强度修正参数:.().测点处的应力及应变确定由于渡槽为简支结构跨中截面正应力可采用材料力学法计算纵向钢绞线 张拉对测点 产生的应力为:()式中:为纵向钢绞线 受到的张拉力 为横截面面积和 分别为纵向钢绞线 对截面主轴、产生的弯矩、分别为测点 到主轴、的距离和 分别为截面对于主轴、的惯性矩根据叠加原理可得到测点 的总应力为:()铁道建筑技术 ()姚胜泉:基于大型渡槽原型试验的混凝土徐变参数反演 混凝土应变包括由应力引起的弹性应变和徐变以及自身体积变形、温度变形和干缩变形 在时段 内产生的应变增量为:()式中:为弹性应变增量为徐变应变增量为自由温度应变增量为自生体积应变增量为干缩应变增量干缩应变因时间较短数值很小本文暂不考虑.测点应变统计模型受轴向预应力和环向预应力共同作用假设徐变仍满足叠加原理依据胡克定律弹性应变及徐变计算公式为:()()()()()()()()()()()()式中:为弹性泊松比 为徐变泊松比由于渡槽槽身布置了无应力计可通过现场监测数据求得混凝土自生体积变形 无应力计测值包括混凝土自生体积变形分量及温度应变分量 为了得到混凝土自生体积变形 对温度应变分量进行分离根据热力学基本原理混凝土温度应变与温度变化成正比 首先采用低通滤波器滤除高频部分保留低频部分剔除由日气温波动导致的混凝土应变其次采用无应力计测值建立应变回归分析模型反演混凝土热膨胀系数并分离自生体积变形统计模型计算公式为:()()()()()()()式中:()为回归系数 为无应力计温度测值 为常数在渡槽原型试验末期进行充放水试验此时测点应变还受到槽内水压影响本文采用多项式函数对水压分量进行拟合计算公式:()()综上所述对各分量进行组合即可得到测点应变统计模型其表达式为:()()()()()()()()()().徐变参数反演模型根据式()建立的测点统计模型结合现场渡槽实际尺寸参数和钢绞线张拉数据计算得到测点应变各分量计算值采用统计回归模型从应变计监测数据中分离出温度应变分量、徐变分量、水压分量及环向应变分量对各分量的实测值进行反演分析得到徐变分量反演系数 徐变参数反演模型:()式中:为反演参数为测点实测应变为计算弹性应变为 模型计算得到的徐变为测点对应的环向应变 徐变反演结果分析.自生体积变形分量分离为得到混凝土自生体积变形采用低通滤波器去除测点应变中日周期变化部分滤波前后测点应变如图 所示图 低通滤波结果采用逐步回归分析法获得混凝土热膨胀系数及自生体积变形分量回归分析实测值与拟合值的复相关系数为.反演得到无应力计统计模型为:().(.).(.).(.)()混凝土热膨胀系数为 ./反演得到的温度分量及自生体积变形分量如图 所示 在后续计算中直接对混凝土自生体积变形进行扣除图 回归分析结果铁道建筑技术 ()姚胜泉:基于大型渡槽原型试验的混凝土徐变参数反演.测点应力情况为了准确计算由应力引起的弹性应变及徐变对预应力钢绞线张拉期各测点应力情况进行汇总如图 所示图 张拉期测点应力根据每根预应力钢绞线张拉引起的测点应力增量采用叠加原理逐步计算测点施工期全过程弹性应变及徐变 以测点 为例应变各分量曲线如图 所示图 应变各分量曲线.优化反演成果分析由于渡槽顶部在施工期受到拉杆及环向钢绞线锚固的影响所处的应力应变环境较为复杂本文以渡槽跨中底部测点 及 为例对徐变分量进行参数反演根据建立的徐变参数反演模型计算应变各分量曲线如图 所示反演得到的计算参数如表 所示图 应变各分量参数反演模型表 徐变参数反演结果仪器温度分量徐变水压分量环向应变.由图 可以看出徐变参数反演模型得到的拟合曲线与实测应变高度吻合能够较好地反映实测应变的变化规律拟合值与实测值之间的复相关系数分别为.和.徐变参数反演结果显示测点 及 的徐变系数分别为.和.与采用 模型计算得到的徐变曲线相比现场原型试验实测反演得到的徐变测量值是前者的 倍综上分析 模型计算得到的混凝土徐变可以在工程实践中提供一定指导但计算值与实测数据拟合值存在一定误差 对于大型工程建议采用室内试验或结合现场原型试验来确定混凝土徐变值 结论()本文基于 模型对混凝土徐变进行了仿真分析 利用渡槽原型试验现场仪器监测数据和施工期预应力施加情况计算出不同测点温度应变分量、弹性应变分量、徐变分量、水深分量及环向应变分量 建立混凝土徐变参数反演模型对各分量进行反演分析得到了徐变分量反演参数()徐变参数反演模型得到的应变拟合曲线与实测应变曲线吻合度较高有效反映了混凝土应变的变化规律 反演得到的徐变值是 模型计算值的 倍 对于大型工程推荐采用室内试验或结合现场原型试验确定混凝土徐变大小参考文献 李洋波李翔黄达海.混凝土徐变度反演分析方法.三峡大学学报(自然科学版)():.刘路明方志刘福财等.室内环境下 的收缩徐变试验和预测.中国公路学报 ():.黄永辉刘爱荣傅继阳等.高强钢管高强混凝土徐变特性试验研究.工程力学 ():.张戎令郝兆峰祁强等.考虑温度变化的钢管混凝土徐变试验研究及预测模型.材料导报 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