1、混凝土结构时变效应分析研究现状与展望摘要：参考相关文献，对混凝土结构时变效应分析研究现状进行系统归纳和总结，在此基础上提出今后急需解决的关键性问题。 关键字：混凝土结构；时变性能；综述 中图分类号：TU375 文献标识码：A 文章编号： 1.引言 混凝土结构之所以复杂，材料性能是首要原因。而其复杂的材料性能中，随时间变化的特性为其它材料少有，由此造成的结构性能随时间的变化就更显得复杂。正是因为对混凝土结构时变效应分析和利用的偏差，才造成了混凝土箱梁桥病害。而随着高强、高性能混凝土普遍使用在大型混凝土结构中，这种情况就显得更为突出。 时变效应可以分为三个层次：材料的时变性、结构的时变性和作用的时
2、变性。材料的时变性包括材料强度的发展、弹性模量的发展、徐变、收缩、碳化、内部开裂等。结构的时变性是指由于组成结构的材料具有时变性，或者使其产生效应的作用具有时变性，或者这二者兼有之，造成了结构的性能（如承载能力、使用性能等）随时间发生变化，具体可表现为如应力分布、结构线形等随时间发生变化。作用的时变性是指对结构产生影响的作用，其本身随时间的变化会发生作用大小、作用位置、作用频率、作用方式等方面的变化，例如风荷载、温度荷载、车辆荷载、地震荷载等都是典型的时变性作用。 2.研究现状 2.1.混凝土材料的时变性能研究 随着国内高强、高性能混凝土广泛应用，对其材料的强度、弹性模量等力学性能，特别是对其
3、时变性能的研究成为了热点，这些研究，大多直接依托重点工程项目，进行针对性地研究，为项目提供理论数据。归纳起来，从材料层面进行的研究主要包括： (1) 施士异1对普通混凝土及高强混凝土的抗剪强度、静力及动力弹性模量和剪切模量进行了实验研究。研究表明，不同的微观结构可作为高强混凝土的力学性能之所以不同于普通混凝土的解释理由。 (2) 刘尚和文翠翠2试验研究了粉煤灰掺合料、龄期及强度对高性能混凝土弹性模量的影响，结果表明，高性能混凝土弹性模量较同期未掺粉煤灰的混凝土弹性模量均低，但随着龄期的增加其差值越来越小。与混凝土结构设计规范 （GB50010-2002）给出的同等级混凝土弹性模量相比仍然偏低;
4、弹性模量随时间的增长，3d、7d 时分别达到 28d 弹性模量的 76%和 95%;弹性模量随强度的增加而增加，呈对数关系。 (3) 吕德生、汤骤3结合某水库工程研究了高强混凝土弹性模量与抗压强度的相关关系，并讨论了硅灰掺量、水胶比及骨料含量对弹性模量的影响。研究表明，高强混凝土的弹性模量与抗压强度的平方根呈线性相关关系；当硅灰掺量大于 20%时，弹性模量随硅灰掺料增加而降低，当硅灰掺量小于 20%时，弹性模量随硅灰掺料增加而增加；高强混凝土的弹性模量随水胶比的减小而增加、随骨料含量的增大而增大。 (4) 张竞男等4提出了一种测量混凝土试件受压变形的新方法，并采用该方法对粉煤灰混凝土的弹性模量
5、进行了试验研究。研究表明，粉煤灰的掺入可改善混凝土的弹性模量。 2.2.混凝土结构的时变性能研究 材料的时变性，连同结构体系的变化，以及周围环境及荷载作用变化的影响，共同导致了混凝土结构的时变性。结构的时变性能是一个复杂的系统，内部因素和外部因素相互影响、相互制约，共同作用，比如预应力混凝土结构，随着混凝土弹性模量、收缩、徐变的变化、钢束的松弛，导致了预应力损失，应力变化，继而导致开裂、跨中下挠、钢束锈蚀等损伤积累，损伤的积累又对应力状态继续产生影响。所以，对桥梁结构时变性能的分析和掌握，结构时变性是关键，材料和作用的时变性是基础。 通过以往研究发现，混凝土结构(特别是预应力混凝土结构)结构的
6、时变性能始终贯穿于桥梁的建造、运营、老化等整个服役期，归纳起来主要体现在以下几个方面： (1) 导致配筋构件中混凝土和钢筋应力、应变均随时间而变化 作为配筋混凝土结构，无论是静定还是超净定结构，随时间而变化的混凝土的徐变、收缩受到内部配筋的约束将导致应力的重分布。混凝土与钢筋之间的应力重分布不仅与截面配筋率、钢筋的布置、随时间而发展的混凝土弹性模量和预应力钢筋的松弛、混凝土截面是否开裂及裂缝扩展的进程等因素密切相关，且与混凝土的徐变特性、桥梁施工方法、截面尺寸特征、工作环境等相关，是一个十分复杂的问题。 (2) 导致叠合梁内力重分布 无论是钢梁与混凝土顶板相结合的“钢与混凝土的叠合梁” ，还是
7、预制混凝土梁与现浇混凝土板相叠合的“混凝土叠合梁” ，由于二者具有不同的收缩和徐变，随时间的流逝，将产生相互错动的趋势。为了抵抗这种错动，二者之间将产生一种相互作用的力，从而导致了内力重分布。 (3)导致超静定结构的内力重分布 一般有这几种情况：在分阶段施工过程中发生结构体系转换时;结构各组成部分的混凝土徐变、收缩的特性互斥时；发生外加约束，如支座不均匀沉陷时。虽然这些导致内力重分布的类型不同，但是它们的基本原因是相同的，产生的内力变化都是为了保持结构的连续性，因此求解的基本条件和方法也是相通的。 (4)对结构长期变形性能的影响 预应力混凝土桥梁在自重及预加应力作用下，截面通常长期承受不均匀压
8、力，混凝土的徐变导致截面曲率的绝对值依时而递增（但增长率依时而递减） ，梁体的挠度或拱度亦随时间而增长。 (5)对结构混凝土的开裂过程及结构的脆性破坏产生影响 在预应力钢筋锚固部位附近的高应力区域或者应力集中处，徐变极可能促使混凝土裂缝的提前出现或加速裂缝的扩展。 因为改变了梁体长期受载下的应力状态，徐变还将间接地影响叠加活载作用下的应力峰值，从而影响梁体的脆性破坏。比如在短期超载作用下，徐变极可能改变梁体破坏的安全富裕度。正确地预测混凝土结构中的时变效应、防止时变造成的损伤，其准确性依赖于两个方面，即对结构中素混凝土时变特性的准确描述和可靠的结构时变性能分析。 2.3.作用的时变性能研究 作
9、用的时变性是一个非常宽泛的概念。所有对桥梁结构具有影响的都可称之为作用，包括了各类荷载、环境等等。绝大多数作用是具有时变性的，比如:活荷载、风荷载、地震力等。 计算结构可靠度时，结构抗力和荷载效应的统计分析，是重要的两个方面。对于各类桥梁来说，其所承载的各类活载中，最重要的就是车辆荷载。车辆荷载不同于建筑结构中的活载，车辆活载无论在时间和空间上都具有不同的变化特点和分布规律。而且，引起车辆荷载变化的原因数不胜数，车辆荷载是一个随时间和空间而变化的随机过程。经过各国多年的研究，可以用这些方式对桥梁结构的影响来模拟这个随机过程对桥梁结构的影响：可以用单个的均布荷载和单个的集中荷载精确地表示真实的随
10、机荷载；可以用一组均布荷载和集中荷载预测最大弯矩和最大剪力；随着跨径增加（加载长度的增加）均布荷载减小；随着跨径增加（加载长度的增加）集中荷载增加;最大荷载出现在交通静止状态，因此最大荷载不需要考虑冲击的影响;随着重现期的不同，均布荷载和集中荷载会变化；为了考虑冲击或一个动荷载的补偿量，常常是增加一定数量的交通静力，增加的量取决于桥面粗糙度、车辆的动力特性、桥梁的动力特性、车辆的速度、桥上的车辆总数等因素。 温度作用中的年温差、截面温度梯度等，其实质亦是反映一种时变作用，即温度随时间的变化。 3.结语与展望 上述国内外的研究尽管数量不少，也取得了一些成果、指导了一些重大工程的建设。但是，在混凝
11、土基本时变性能、材料及结构的非线性时变性能以及复杂变形下的时变性能等方面存在着研究不足，包括以下几个方面： (1) 就现行的国内规范而言，基本都是基于常规混凝土试验研究数据的预测模式，尽管在上述近期的研究中提出了一些针对高强度、高性能混凝土的修正，但是，数据量偏少，规范未正式采纳。然而，现在大量工程应用的混凝土普遍是有矿物质掺料、高效添加剂、低水灰比、高强度、高性能混凝土（或者称之为准高性能混凝土） ，对这类混凝土的材料时变研究数量还是偏少，需要试验研究数据来补充。 (2) 在上述己有的混凝土时变性能研究中，出于可比性强的目的，多采用标准环境（标准试件、标准养护环境、标准加载时间等）的试验为基
12、础，然后在温度、湿度、混凝土强度等级、初次加载混凝土龄期等多方面给出修正。而实际结构不可能存在于标准环境中，都是在自然环境下浇注、养护和使用的。从近年来的研究发现，对这些重要参数的修正很值得商榷。 (3) 研究表明，影响混凝土时变性能的参数非常多，影响的机理亦十分复杂，所以重大工程项目进行一些基于本工程的混凝土基本时变性能试验是非常必要的。但是，上述研究中的试验设计明显不适合于工地进行。 (4) 在结构时变性能的研究中，己有一些结合重大项目建设，研究收缩徐变效应对结构性能影响的。但是这些研究往往和材料时变性能脱节，没有针对材料强度、弹性模量、收缩徐变等时变性能变化导致结构应力分布、预应力损失、
13、挠度、开裂等损伤积累等时变性能变化的系列化研究。 (5) 正是因为大量混凝土桥梁结构中出现意料之外的病害，才激发了人们对混凝土材料时变性能的研究。但是，上述研究中，缺少根据病害情况，研究时变性能对造成病害风险的影响，以及依据时变性能对病害桥梁结构进行损伤评估、加固设计。 主要参考文献 1 施士异，混凝土的抗剪强度、剪切模量和弹性模量，土木工程学报，1999，32（2） ，4752 2 刘尚，文翠翠，高性能混凝土弹性模量试验研究，商品混凝土，2009，4，3637 3 吕德生，汤骤，高强混凝土弹性模量与抗压强度的相关性试验研究，混凝土与水泥制品，2001，6，2021 4 张竞男，胡晓波等，粉煤灰高性能混凝土弹性模量的试验研究，混凝土，2003，11，4244 作者简介：尹晨霞，女，1979 年 10 月生，河北承德人，硕士，工程师，中国市政工程华北设计研究院工作，从事市政工程设计。
