混凝土静动态粘弹性能研究

发布时间：2020-08-13 22:04

【摘要】：混凝土是土木工程领域使用最广泛的材料之一。与很多固体材料类似,混凝土的粘弹性是材料自身的基本性质,对徐变、阻尼和宏观力学性能等均有着重要影响。尽管混凝土的粘弹性已不断得到关注和研究,并在结构分析中加以考虑,但由于实际工程中荷载变化的复杂性,尚需要开展不同荷载条件下的混凝土静动态粘弹性能的系统研究。本文通过不同加卸载速率下的短期持荷/恢复试验和不同荷载频率下的轴压滞回试验进一步分析混凝土的静动态粘弹性能及其影响规律。基于试验数据,研究分数阶导数理论(导数阶数在0～1之间)在混凝土材料粘弹性能描述中的适用性,提出了相应的修正模型和参数识别方法,并探讨静动态粘弹性特征间的转换关系。主要研究内容如下:(1)基于混凝土徐变和徐变恢复研究方法,进行混凝土静态粘弹性能的试验研究。试验中重点考虑了加载速率、卸载速率和持荷时间三种因素对混凝土静态粘弹性能的影响,得到混凝土在持荷阶段的徐变、卸载后的徐变恢复和残余变形以及加卸载阶段弹性模量随加卸载阶段荷载速率的变化规律。为更好排除环境因素的影响,反映混凝土材料自身的粘弹性能,将持荷时间控制在分钟级别。(2)对混凝土静态粘弹性能进行分析。首先对比现有徐变模型对混凝土短期持荷阶段变形的预测效果,检查造成误差的原因;从徐变恢复和残余变形角度,分析了现有徐变恢复计算方法对卸载后混凝土滞后变形恢复的预测效果,提出了适合于短期徐变和徐变恢复描述的模型组合形式。然后从短期徐变和徐变恢复角度分析分数阶导数理论在混凝土静态粘弹性能计算中的适用性,提出考虑混凝土变形恢复特征的修正分数阶粘弹性模型,并结合试验数据给出不同工况下的模型参数取值。(3)针对混凝土动态粘弹性能,借鉴沥青材料动态模量试验方法,开展不同荷载频率下的混凝土轴压滞回试验。试验中主要考虑了外荷载频率对混凝土滞回耗能性能和动态弹性模量的影响,为进一步理解混凝土的动态粘弹性能提供了数据支撑。(4)从耗能-频率相关性和滞回曲线两个角度,综合研究分数阶导数理论在混凝土动态粘弹性能分析中的适用性。结合动态试验数据,给出经典粘弹性模型和分数阶粘弹性模型的参数取值。针对分数阶粘弹性模型中分数阶导数的识别问题,提出一种基于滞回曲线特征点方程和耗能-频率关系式的简化识别方法。通过与试验数据对比,验证了该方法的有效性。(5)基于粘弹性理论,进行混凝土材料静动态粘弹性特征(徐变柔量-复模量)的转换计算分析。首先基于分数阶粘弹性模型,分析静动态粘弹性特征间直接转换计算存在的问题。然后采用广义粘弹性模型,进行静动态粘弹性能特征间的转换计算分析。结合试验数据,验证广义粘弹性模型对混凝土静动态粘弹性单独描述的准确性。考虑到转换中存在的Laplace变换和Laplace逆变换增加了计算的复杂性,基于Volterra积分算子推导出近似转换公式。通过将转换计算结果和试验数据进行对比,验证该方法的可行性,为混凝土静动态粘弹性能分析提供一种新的参考。
【学位授予单位】：北京交通大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TU528
【图文】：

行了大量的试验研究［３４＿３６］、计算分析［３＞３９］和机理解释［４＜Ｍ２］。但正如美国西北大学逡逑Ｂａ２ａｎｔ教授所言，混凝土徐变至今仍没有被完全掌握［４３】。２０１１年，Ｂａ＾ａｎｔ教授在逡逑国际结构混凝土联合会（ＦＳｄｄｒａｔｉｏｎ邋Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌｅ邋ｄｕＢ６ｔｏｎ）研讨会上呼吁关注逡逑混凝土徐变和混凝土结构徐变效应问题［４４］。近年来，国内外学者从以下几方面对逡逑混凝土徐变进行了新的研究与分析：逡逑１．混凝土的长期徐变。尽管混凝土徐变在持续荷载作用下的前期发展快，３个逡逑月即可达到徐变终值的５０％￣７０％左右［１７］，但在荷载持续作用下的几十年间仍可观逡逑测到徐变现象［４５４８］。近年来有专家学者提出使建筑的设计寿命达到１００年［４９］，但逡逑针对混凝土徐变这一依时发展行为，由于试验条件、测试手段等多方面限制，现逡逑有几十年的长期测试数据相对较少％］。１９７７年竣工的帕劳共和国Ｋｏｒｏｒ－Ｂａｂｅｌｄａｏｂ逡逑预应力混凝土连续刚构桥曾因混凝土徐变等问题，导致跨中变形在１８年间下挠逡逑１．６１ｍ，并于１９９６年发生倒塌，如图１－１所示。２００８年，Ｂａ＾ａｎｔ教授通过对解封逡逑后的资料进行研宄发现，现有徐变模型对长期变形的预测均低于实际工程。通过逡逑收集１４００多组徐变数据、６０多座桥梁数据，Ｂａｉａｎｔ教授等人于２０１３年发布了最逡逑新的徐变数据库并于２０１５年提出了可以考虑长期变形的Ｂ４模型。ｆ５１＿５３］逡逑

北京交通大学博士学位论文期徐变数据对徐变模型进行校正，能够有效减小徐变模型的不确定性，型的预测精度［５３］。与此同时，混凝土长期徐变的组成和机理是十分复杂的，逡逑凝土协会２０９委员会（ＡＣＩ邋Ｃｏｍｍｉｔｔｅｅ邋２０９）邋［５４］中给出了混凝土长期测试组成，如图１－２所示。逡逑；＞邋Ｓｔｒａｉｎ逡逑＇邋＇

高模型的预测精度［５３］。与此同时，混凝土长期徐变的组成和机理是十分复杂的，逡逑美国混凝土协会２０９委员会（ＡＣＩ邋Ｃｏｍｍｉｔｔｅｅ邋２０９）邋［５４］中给出了混凝土长期测试中逡逑的变形组成，如图１－２所示。逡逑；＞邋Ｓｔｒａｉｎ逡逑１邋＇邋＇邋逦逦逦逦逦逡逑Ｉ逦＿逡逑§逦Ｘ逦§逡逑°逦／逦Ｉ邋，逡逑Ｉ°邋Ｉｆ逡逑／逦ｓｉ邋，１１逡逑—ｒ—邋逦这泛逡逑Ｉ岸逡逑｜逦｜邋Ｗ逡逑１逦１逡逑Ｃａｓ．ｒｃｔｌｒ＊逦￣逦逦逦伽咖哭－Ｉ＿邋．邋￣邋＇＿＿Ｌ逡逑！１邋Ｉ逡逑Ａ逦（Ｓｔａｒｔ邋ｏｌｄｉｙｉｎｇ）逦ｔ逦Ｔｉｍｅ逡逑Ｓｌｒｗｍ邋ｂｇｆｏｒ？邋／邋ｑ逦逦逦逦逦逡逑ｓｔａｒｔ邋ｏｆ邋ｃｔｙｉｎｇ逦Ｓｗｅｌｌｉｎｇ逡逑（ｎｏｔ邋ｒｅｃｏｒｄｅｄ）逦Ｃ逡逑ＩＱ逡逑§逡逑图１－２持荷过程中的混凝土应变组成ｌ５４】逡逑Ｆｉｇ．邋１－２邋Ｓｔｒａｉｎ邋ｃｏｍｐｏｎｅｎｔｓ邋ｏｆ邋ｃｏｎｃｒｅｔｅ邋ｕｎｄｅｒ邋ｌｏａｄ邋ｄｕｒａｔｉｏｎ逡逑图１－２中干燥徐变部分受外部环境的温度、相对湿度等影响较大，基础徐变部逡逑分受混凝土的内部组分和性能的影响较大。尽管针对混凝土材料的徐变已提出大逡逑量的机理解释和分析，如固结理论、塑性流动、孔隙中自由水的作用、微裂纹扩逡逑张等［５４，５５］，并建立了混凝土徐变随混凝土内部微观结构发展规律的模型［５６，５７］。但由逡逑于混凝土材料自身的老化［５８］，以及长期测试过程发生的混凝土收缩和外部环境改逡逑变［５９，《＞］等因素耦合作用均增加了研宄的难度。逡逑由于一般意义上的混凝土徐变中

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本文编号：2792586