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钢筋混凝土结构长期徐变收缩效应研究应用

作　者: 孙璨
导　师: 傅学怡
学　校: 哈尔滨工业大学
专　业: 结构工程
关键词: 徐变收缩结构温差长期效应长期观测试验钢筋影响效应
分类号: TU375
类　型: 博士论文
年　份: 2010年
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内容摘要

长期徐变收缩效应是混凝土的固有特性,并伴随着混凝土建筑结构及其构件自施工生成直至长期使用寿命内不断发展变化,对结构及构件的长期工作性能有着重要影响。国内外对混凝土长期徐变收缩性质的研究已有数十年,混凝土材料徐变收缩的成因机理、混凝土构件长期徐变收缩性质的预测分析模型及计算方法,以及桥梁、水工大体积混凝土结构设计领域中的长期效应分析等课题已积累了较丰富的研究成果。对于当前体量日益增大、体系日益复杂的工业及民用混凝土建筑结构,混凝土长期效应的分析研究相对结构其它研究领域的发展有所滞后,主要表现在:现有徐变应变的计算方法效率偏低;钢筋的影响作用缺乏系统研究;现行软件对建筑结构长期徐变收缩效应重视不足;工程设计实践中,混凝土结构及构件的长期效应问题常被忽视,或仅进行粗略简化分析,未能把握整体结构长期效应变化规律,例如,国外某实际超高层建筑,由于原标书设计不当,对混凝土长期效应考虑不足,将造成竖向构件长期压应力分布不均,引起结构长期倾斜变形显著,影响建筑正常使用,需进行调整设计研究。因此,针对混凝土结构及构件的长期效应进行系统的研究分析,提出较实用的计算方法,解决工程实际问题,显得尤为迫切且具有重要的现实意义。本课题主要研究内容及成果按照基本算法优化、构件分析(杆件、板壳)、整体结构分析(超长结构、高层结构)的顺序,循序渐进,层层深入。具体阐述如下:在归纳统一现有徐变、收缩应变分析模型及计算理论的基础上,应用混凝土徐变恢复性质构造了应力冲量持时函数,并建立了只需记录有限步应力历史的徐变应变全量递推方法,适应各类常见的徐变预测模型及加载模式,在满足精度基础上大幅提高徐变应变的计算效率。针对各类钢筋混凝土构件的长期徐变收缩效应的分析方法分别进行研究,包括:推导了轴压构件中钢筋长期影响作用的迭代计算公式,对比了平截面假定对计算结果的影响规律,提出了适于软件应用的等效方法,同时对钢筋的长期应力增长及相应的最小配筋率问题进行了探讨;建立了考虑裂缝影响的钢筋混凝土受弯构件长期挠度变形的通用分析公式,适于截面线性及非线性应力分布模式,提出了计算梁长期挠度增大系数的多参数修正系数法,较现有国内外规范计算公式考虑因素更为全面;研究了大、小偏压构件长期效应分析问题,并根据大、小偏压构件截面不同的应力分布状态采用了适合的计算方法,便于应用;对连续双向板在均布荷载作用下长期挠度变形进行了初步研究,应用塑性铰线及功能原理建立了考虑长期效应的双向板截面弯矩及转角关系方程;对剪力墙长期剪切变形计算方法进行了初步探讨,建立了混凝土构件长期剪切变形的简化分析方法。对钢筋因混凝土长期效应可能对构件产生的不利影响进行了研究,分析了不同情况下最大允许配筋率的计算公式及影响因素。本课题对混凝土墙体与棱柱体试块长期收缩、徐变性质差异进行了模型试验对比研究,初步探讨了现行国内外预测模型对薄壳型构件分析的适用性。在考虑混凝土徐变收缩性质的基础上,针对混凝土结构温度变化效应,推导了结构长期温差作用影响的简化分析方法;并进一步结合施工模拟全过程,建立了超长混凝土结构温差效应分析方法及其有限元计算公式。此研究方法直接指导应用于实际工程大型地下室的设计施工。推导了考虑施工模拟全过程分析高层结构长期效应的非线性有限元公式,并考虑钢筋的影响,与现行软件接口,采用FORTRAN程序语言编制了适用于分析高层结构长期效应的计算程序,弥补了现行软件的不足。对高层结构竖向构件长期变形及其差异变形引起的整体结构变形等基本规律进行了研究,提出了相应简化计算方法。本课题研究成果应用于国外某超高层结构长期效应研究,纠正了原设计重大隐患,确保了工程顺利建成,取得了良好的经济技术效益。

全文目录

摘要  3-5
Abstract  5-8
物理量名称及符号表  8-19
第1章绪论  19-35
  1.1 课题研究背景意义及来源  19-20
  1.2 国内外相关研究综述  20-30
    1.2.1 混凝土徐变收缩效应的理论模型及计算方法研究  20-24
    1.2.2 钢筋混凝土复合材料及构件徐变收缩效应研究  24-26
    1.2.3 混凝土整体结构徐变收缩效应研究  26-30
  1.3 现行通用及工程分析软件徐变收缩效应分析功能评价  30-31
    1.3.1 通用有限元软件  30-31
    1.3.2 常用工程分析软件  31
  1.4 本课题主要研究内容重难点及研究方案  31-35
    1.4.1 主要研究内容  31-33
    1.4.2 主要重难点问题  33
    1.4.3 主要研究方案  33-35
第2章混凝土徐变收缩模型统一及徐变全量递推算法  35-60
  2.1 引言  35
  2.2 徐变收缩效应预测模型优化统一  35-39
    2.2.1 徐变效应表达式与预测模型的优化统一  36-39
    2.2.2 收缩效应预测模型  39
  2.3 混凝土长期效应计算理论分类及选择标准  39-43
    2.3.1 基本计算假定  39-40
    2.3.2 计算理论的发展历史归纳及评价  40-42
    2.3.3 选择建立徐变计算方法的基本原则  42-43
  2.4 基于徐变恢复理论的应变全量递推表达式推导  43-49
    2.4.1 徐变恢复理论与应力变化过程结合  43-44
    2.4.2 应力冲量持时函数推导  44-45
    2.4.3 徐变应变全量递推表达式  45-49
    2.4.4 全量递推式物理意义及徐变统一理论的基本特征  49
  2.5 徐变应变全量递推表达式应用  49-59
    2.5.1 不同预测模型应用对比  50-52
    2.5.2 不同加载模式应用对比  52-56
    2.5.3 相关问题讨论  56-59
  2.6 本章小结  59-60
第3章钢筋混凝土构件长期徐变收缩效应研究  60-107
  3.1 引言  60-61
  3.2 基本计算假定和原理  61-64
    3.2.1 力学平衡方程  62-63
    3.2.2 物理方程  63-64
    3.2.3 几何方程  64
  3.3 轴心受力构件长期徐变收缩效应研究  64-77
    3.3.1 计算公式推导  64-68
    3.3.2 平截面假定问题讨论  68-70
    3.3.3 长期效应变化规律研究  70-76
    3.3.4 工程设计软件应用  76-77
  3.4 受弯构件长期徐变收缩效应研究  77-94
    3.4.1 受弯构件截面初始应力-应变分布  78-79
    3.4.2 长期徐变效应分析  79-81
    3.4.3 长期收缩效应分析  81-83
    3.4.4 受弯构件长期变形分析  83-85
    3.4.5 试验验证及主要影响因素分析  85-91
    3.4.6 工程设计中受弯构件长期变形预测方法优化应用  91-94
  3.5 偏压构件长期徐变收缩效应分析  94-105
    3.5.1 小偏压构件长期徐变收缩效应分析  94-99
    3.5.2 大偏压构件长期徐变收缩效应分析  99-105
  3.6 本章小结  105-107
第4章板壳及剪力墙长期变形和钢筋不利影响效应分析  107-131
  4.1 引言  107
  4.2 钢筋混凝土楼板长期徐变收缩效应分析  107-113
    4.2.1 双向板初始弯矩  107-109
    4.2.2 初始应力-应变分布  109-111
    4.2.3 长期徐变收缩效应分析  111-113
    4.2.4 计算方法讨论  113
  4.3 混凝土剪力墙长期徐变收缩效应分析  113-122
    4.3.1 水平荷载作用下剪力墙应力分布  114-115
    4.3.2 剪力墙简化计算模型  115-118
    4.3.3 剪力墙剪切变形分析  118-121
    4.3.4 计算方法讨论  121-122
  4.4 钢筋对混凝土构件长期不利影响效应分析  122-129
    4.4.1 钢筋对混凝土收缩的不利影响效应  122-125
    4.4.2 长期承压构件卸载后钢筋的不利影响  125-129
  4.5 本章小结  129-131
第5章混凝土墙体长期收缩徐变效应初步试验研究  131-149
  5.1 引言  131-132
  5.2 试验模型及试验方案  132-135
    5.2.1 试验模型及材料  132
    5.2.2 长期试验加载方案  132-133
    5.2.3 试验步骤及测量方案  133-135
    5.2.4 试验照片  135
  5.3 试验结果分析对比  135-147
    5.3.1 混凝土材料及环境基本参数  135-136
    5.3.2 墙体收缩效应分析对比  136-141
    5.3.3 墙体徐变效应分析对比  141-147
  5.4 本章小结  147-149
第6章考虑徐变收缩性质的混凝土结构温差效应分析  149-180
  6.1 引言  149
  6.2 结构构件局部温差效应  149-151
    6.2.1 构件局部温差应力  149-150
    6.2.2 构件局部温差变形  150-151
  6.3 结构整体温差效应简化分析  151-157
    6.3.1 竖向构件整体温差效应简化分析  151-155
    6.3.2 水平楼盖整体温差效应简化分析  155-157
  6.4 超长混凝土楼盖考虑施工全过程的温差收缩效应分析  157-178
    6.4.1 基本分析方法  157-164
    6.4.2 工程实例分析及应用  164-178
  6.5 本章小结  178-180
第7章高层建筑结构长期徐变收缩影响效应分析  180-222
  7.1 引言  180
  7.2 高层结构徐变收缩效应程序设计及软件二次开发  180-197
    7.2.1 现行软件应用中存在的问题  180-183
    7.2.2 软件二次开发接口程序设计  183-184
    7.2.3 分析程序设计  184-195
    7.2.4 分析应用实例  195-197
  7.3 高层结构竖向构件长期变形差异简化分析方法  197-206
    7.3.1 不考虑长期效应时竖向构件变形差异分析  197-199
    7.3.2 考虑混凝土徐变收缩效应时竖向构件变形差异分析  199-202
    7.3.3 典型实例分析  202-206
  7.4 高层整体结构侧移倾斜变形简化分析  206-214
    7.4.1 简化模型徐变效应计算分析  206-211
    7.4.2 高层框架结构影响规律研究  211-214
  7.5 高层结构长期徐变收缩效应分析应用实例  214-220
    7.5.1 原标书设计结构长期效应分析  216-217
    7.5.2 调整设计方案及分析  217-220
  7.6 本章小结  220-222
结论  222-224
参考文献  224-231
攻读博士学位期间发表的学术论文  231-234
致谢  234-235
个人简历  235-236

钢筋混凝土结构长期徐变收缩效应研究应用

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