关键词： 桥梁工程   预应力混凝土梁   徐变效应   变荷载   修正叠加法  

摘要： 为探索复杂变荷载作用下预应力混凝土（Prestressed Concrete-PC）梁的徐变效应理论分析方法，进一步阐明PC梁桥开裂下挠机理，本文首先对混凝土徐变影响因素、发展机理及理论预测模型进行归纳分析，并基于L. Boltzmann叠加原理提出多因素影响下的修正叠加法。其次，开展阶梯变应力作用下大比例尺PC梁模型试验，得到不同荷载工况下模型PC梁不同部位的徐变效应试验测试数据。最后，通过对试验测试数据及理论计算结果的对比分析，验证了修正叠加法的计算精确性，并进一步分析了修正叠加法对连续变应力工况徐变效应计算的适用性。结果表明：阶梯递增应力及递减应力作用下试验PC梁的徐变应变持续增加，在阶梯波动应力作用下试验PC梁的徐变应变出现波动但整体呈增加趋势。在阶梯变应力工况下，修正叠加法所得徐变理论计算结果与试验测试数据发展规律相同，相对误差为5.2%～8.3%，误差较小；在连续递增应力工况下，修正叠加法计算结果与叠加法理论计算结果吻合较好；在连续递减应力工况下，修正叠加法计算结果与弹性老化理论计算结果误差为0.95%。综上，本文构建的修正叠加法可在考虑实际因素附加影响下精确预测变荷载工况下的徐变变形，进一步揭示复杂工况下混凝土的徐变开展机理，为处于复杂荷载工况下的PC梁桥长期徐变效应分析预测提供技术支撑。

关键词： 高层建筑   施工过程   混凝土结构   收缩徐变   位移差  

摘要： 为了解决高层建筑结构在长期荷载作用下收缩徐变的不利因素,以山东省济南市某酒店式公寓为研究对象,运用数值分析的手段,考虑施工过程的影响,研究结构施工完成后、使用20年和使用50年的位移变化规律。结果表明,施工阶段由于收缩徐变引起的高层建筑结构变形在平面上分布不均,建筑平面两端尖角位置的位移发生量较大,最大位移达到-75mm;施工阶段结束后,随着楼层高度的增加,节点位移的变化趋势大致相同,呈现逐步增加,并在30层以后趋于稳定的变化趋势;结构使用20年和50年后,随着楼层高度的增加,节点位移的变化趋势大致相同,呈现近线性增加的趋势;节点位移差呈现分段式变化趋势;时间因素是影响高层建筑收缩徐变变形的重要因素之一,结构的最大位移均随着时间的增加而不断增加,结构使用时间越长,结构的收缩徐变越大,对结构的受力和变形越不利。

关键词： 紧密堆积理论   弹性模量   徐变   CEB-FIP(1990)模型   微观结构  

摘要： 为降低连续刚构桥跨中下挠幅度,针对弹性模量与徐变2种影响因素,提出一种基于骨料紧密堆积理论的配合比优化控制方法,并对比原配合比研究了优化控制方法对不同龄期与环境下的弹性模量与徐变的影响;结合SEM(scanning electron microscope)与MIP(mercury intrusion porosimetry)试验,从混凝土微观层面分析优化机理,以CEB-FIP(1990)模型为基础,提出考虑弹性模量成熟度的修正模型.结果表明:优化控制方法对早龄期混凝土弹性模量具有明显的控制效果,但界面过渡区面积的增加限制了后期弹性模量的发展;相同条件下,优化后混凝土徐变系数较原配合比降低了12%~23%;环境对混凝土徐变影响与优化控制方法相比占主导作用,不同环境下混凝土徐变变化幅度在45%~60%;混凝土徐变随加载龄期延长而减小,且优化后混凝土在较小加载龄期时,徐变仍比较大加载龄期的原配合比混凝土徐变降低3%~13%;优化后混凝土早龄期内部孔隙与微裂缝数量减少,改善了混凝土内部结构;修正后的CEB-FIP(1990)模型对徐变预测精度更高.

关键词： 大体积混凝土   早龄期   多物理场   损伤   徐变   龄期效应  

摘要： 受水化放热的影响,大体积混凝土在早龄期阶段涉及多个物理场作用,极易发生损伤、开裂等不利行为,会对结构服役期内的耐久性和安全性产生严重的影响。针对此问题,该文基于经典损伤理论框架,发展了一类适用于早龄期大体积混凝土的化学-热-力多场耦合模型,综合地反映了早龄期混凝土的开裂、徐变、温度变形、自收缩变形和龄期效应。通过将水化反应方程与热传导方程联立建立了化学-热场耦合作用模型。进而,基于弹塑性损伤理论框架搭建本构关系,引入考虑损伤影响的微观应力-固化理论以刻画混凝土的线性徐变和非线性徐变,根据温度和水化度的变化求解热膨胀变形和自收缩变形,并考虑了随龄期变化的混凝土力学性能的影响。结合相应的显式求解算法,将上述多场耦合模型应用于Maridal涵洞早龄期力学行为的模拟分析,并探究了混凝土徐变变形的影响。计算结果表明:该文模型可以实现对早龄期大体积混凝土开裂过程的准确模拟,对早龄期混凝土受力性能和开裂行为的研究具有一定的参考意义。

关键词： 钢管混凝土   徐变   短柱   轴压   承载力影响  

摘要： 将持久荷载引起的钢管应力增量作为初始应力,提出徐变应力度的概念,根据极限平衡理论推导了钢管混凝土(CFT)短柱在持续轴压荷载作用之后的截面强度计算公式,并将该计算结果与试验测得的值进行比较。结果表明,本文考虑持久荷载之后的截面强度折减率与试验测得的值比较接近,并具有较小的离散度。分析了持久荷载作用之后钢管约束效应发生的时间点变化对CFT轴压短柱截面强度变化的影响机理和规律,结果表明:套箍系数和徐变应力度对持久荷载作用之后的CFT轴压短柱截面强度变化起关键作用,与未施加持久荷载的构件相比,持久荷载作用之后的CFT短柱其钢管产生约束效应的时间点更迟。在钢管混凝土拱桥实际工程常用参数范畴内,持久荷载作用之后CFT轴压短柱的截面强度变化范围不大,可以忽略其影响;对于其他结构类型,可参考本文的算法建议。

关键词： 混凝土   徐变   水化产物迁移   徐变模型   影响因素  

摘要： 准确预测混凝土徐变对预应力混凝土结构设计和长期性能分析具有重要的意义。尽管混凝土徐变已经得到广泛的关注和研究,但是到目前为止,尚未有一种理论可以解释混凝土徐变的所有现象。本文提出了一种新的混凝土徐变机理——水化产物迁移理论,旨在揭示混凝土徐变的本质,准确预测混凝土徐变。当溶液达到过饱和度时,离子会从中自动析出并生成结晶(水化)产物。当有外力作用在结晶产物上且其处于潮湿环境时,晶体会发生溶解,引起基体产生额外的变形。水化产物迁移理论揭示了水化产物的溶解-扩散-重结晶过程是混凝土徐变的根源,建立了水化产物迁移理论,并推导出了基体徐变的计算公式。基于该理论,建立数值模型来定量分析混凝土徐变,并通过典型的徐变试验结果来验证该模型的可行性。最后,结合水化产物迁移理论和徐变试验来分析加载龄期、应力水平和水灰比等因素对混凝土徐变的影响。主要的研究结论如下:(1)基于结晶动力学,建立了水化产物迁移理论,该理论可以系统地分析混凝土徐变及徐变恢复的行为特征,利用水化产物溶解过程的动力学特性推导出了基体徐变的计算公式。(2)由水化产物迁移理论数值模型计算的徐变值与试验值基本吻合,验证了该模型的可行性。随着徐变增加,晶体上受到的应力减小,晶体的溶解速率降低,最终达到平衡,这一过程与徐变过程一致,说明了水化产物受压溶解是混凝土产生徐变的根源。(3)随着加载龄期的增长,水化产物增多,单个产物上的应力随之减小,水化产物的溶解量减小,徐变度逐渐减小;随着应力水平的提高,水化产物上应力增加,溶解量增大,徐变随之增大;随着水灰比的增加,单位应力下作用在水化产物上的应力增加,水化产物的溶解量也增大,徐变度随之增加。(4)温度升高加快水化产物的溶解和扩散过程,使混凝土的徐变速率和徐变增大;混凝土浸泡在不同的介质中时,水化产物溶解度和溶解速率不同,水化产物溶解量越多,徐变越大。

关键词： 混凝土收缩、徐变   深度学习   收缩、徐变预测   长期变形预测  

摘要： 混凝土因其出色的力学特性和相对低廉的材料成本,成为土木工程领域中用量最大、用途最广的工程材料。但同时,由于混凝土表现出收缩、徐变的时变特性,对结构的长期性能有着较大的影响,因此对收缩、徐变机理的充分认识,以及对混凝土时变发展的精确预测,有着重要的意义。至今为止,国内外学者基于不同的试验数据和理论基本假设,建立了许多具有不同适用性和预测精度的收缩、徐变预测模型。但该类模型依然存在泛化性较差、预测精度较低等问题,有待进一步深入。近年来,随着深度学习的飞速发展,各种机器学习手段在数据挖掘和回归分析上表现突出,因此本研究结合深度学习理论,开展了混凝土收缩徐变行为预测与分析的研究,主要内容如下:（1）依据收缩、徐变数据库（NU-ITI Database for Concrete Creep and Shrinkage）,对收缩、徐变影响因素进行主成分分析（Principal Component Analysis,PCA）,以探究在时变效应影响中,各特征参数的独立性和重要性;并对现有典型的混凝土收缩、徐变预测模型进行归纳、总结和对比。（2）基于收缩、徐变数据库中的数据,结合人工智能方法,分别搭建了BP神经网络（Back Propagation Neural Network,BPNN）和LSTM深度网络（long short-term memory,LSTM）两个预测模型,并与现有计算模型进行了预测对比,结果表明,人工智能方法由于其强大的特征挖掘和自适应能力,其预测精度较传统计算模型更高。同时,由于LSTM深度网络还在时间维度上进行特征的挖掘和学习,具有较BP神经网络更好的预测表现。（3）依托国内某特大跨预应力连续刚构铁路桥,通过Midas有限元软件及LSTM深度网络模型,进行该桥的有限元模型建立。并采用响应面方法（Response surface methodology,RSM）,对不同时间工况下,材料参数和结构变形的隐性响应关系进行描述,再通过蒙特卡洛方法（Monte Carlo Method,MCM）,对变形随机性进行简要分析,结果表明,变形预测结果的离散性会随时间的推进而逐渐增大。（4）利用（3）中建立的不同时间工况下的响应面关系式,结合蒙特卡洛重要抽样方法,采集大量用于变形预测模型训练的样本,以建立基于LSTM深度网络模型的桥梁长期变形预测模型;此外,还探究了不同量级的短期实测数据特征对该模型预测精度的影响,结果表明,更多的短期数据作为模型特征,对预测效果有积极作用。

关键词： 混凝土徐变行为   数值模拟   多尺度徐变模型   徐变损伤耦合模型   微预应力固化理论  

摘要： 水工混凝土材料作为水利水电工程结构的主体材料,针对其机械力学性能展开深入研究尤为重要。作为典型的具有多尺度随机特征的复合材料,混凝土在持续荷载的作用下展现出明显的徐变特征。混凝土的徐变对建筑结构内的应力应变分布调整有重要影响,深入研究水工混凝土材料的徐变行为及工程特性,对水利水电工程建设及水工建筑物的运行评价有重要意义。 影响混凝土徐变的因素众多,基于传统实验手段,不少学者进行了大量的实验研究。在标准温湿度环境内,低应力水平下测量密封试件得到的徐变结果为混凝土的基本徐变。然而,在工程实际中,建筑结构的局部承载应力可能超过线性徐变范围,材料会展现出非线性徐变特征,在较高的应力水平下,甚至可能发生徐变破坏现象。此外,建筑结构的真实服役环境和实验室标准温湿度环境相差甚远,复杂服役环境下温湿度对混凝土徐变行为的影响也应该引起足够的重视。 传统的徐变实验费时耗力,发展高效可靠的混凝土徐变模型和计算理论,可以作为实验研究的有益补充,对水利水电工程建设和安全评价有重要意义。发展高效可靠的徐变模型和计算理论,研究混凝土材料复杂的徐变行为,已经成为国内外工程界、材料科学界的前沿热点问题。本文致力于应用和发展徐变模型和计算理论,采用理论分析和数值模拟相结合的方法研究混凝土材料复杂的徐变行为,主要研究成果如下: (1)对当前主流的混凝土徐变模型和计算理论进行了总结,系统地回顾了当前混凝土徐变研究的热点和难点问题,讨论分析了当前针对混凝土徐变研究方面存在的若干关键技术问题和不足之处,基于此提出本文的主要研究内容。 (2)针对混凝土材料龄期老化的粘弹性特征,借助有限元软件Comsol Multiphysics基于方程建模的特点,提出了采用类比微分方程的方法对微分型式的粘弹性本构方程进行数值求解。系统地回顾和讨论了均匀化理论在混凝土粘弹性计算中的应用,为混凝土多尺度徐变均匀化模型的搭建打下了基础,也为其他粘弹性复合材料有效力学行为的研究提供参考。 (3)构建了混凝土多尺度徐变均匀化模型,用于估算普通硅酸盐水泥混凝土的基本徐变。分析了普通硅酸盐水泥的水化反应机理,对混凝土材料的多尺度微观结构特征进行了合理划分,利用水化模型模拟了材料微观结构及各相材料组分的演化过程。参照文献中的混凝土基本徐变实验结果,将多尺度徐变均匀化模型的计算结果和现有广泛应用的徐变模型计算结果进行了充分地对比验证和讨论分析。 (4)在细观尺度上构建了考虑损伤率效应的徐变损伤耦合模型,模拟了中高应力水平下混凝土非线性徐变和徐变破坏现象。将模型计算结果与已有文献中的实验结果进行了充分地对比分析和讨论。研究表明考虑材料损伤的率效应对正确地认识材料的徐变损伤耦合机理有重要影响。在中高应力水平下,材料的初始损伤是由于内部骨料和砂浆间的应变不协调导致的,损伤会增大材料的徐变,材料的徐变会进一步地促进损伤的发展。 (5)利用固化微预应力(Microprestress solidification theory,MPS)理论研究了复杂环境温湿度对混凝土徐变行为的影响。系统地回顾了MPS理论的发展,指出了MPS理论存在的不足。改进了原始MPS理论在刻画混凝土干燥徐变尺寸效应和瞬态热徐变湿度依赖性方面存在的不足。将改进后的MPS理论计算结果与实验结果进行了充分的对比分析,证明了改进MPS理论的正确性和实用性。

关键词： 超高层结构   外伸桁架   CEB-FIP-90   fib   MC2010   GL2000   非线性施工分析   施工补偿   竖向变形  

摘要： 对比了在超高层结构分析中较常采用的CEB-FIP-90,fib MC2010以及GL2000模型收缩徐变理论在相同假设条件下的结果,有助于工程师了解欧美混凝土收缩徐变理论的最新发展方向。相较于国内在工程中采用较多的CEB-FIP-90模型,GL2000以及fib MC2010模型已经将混凝土徐变细分成基本徐变和干燥徐变。fib MC2010模型更进一步将混凝土收缩细化成基本收缩及干燥收缩。以南宁某带有外伸桁架的巨柱外框超高层地标塔楼为例,按不同混凝土收缩徐变理论进行非线性施工分析,对施工期间的竖向构件的竖向补偿提出建议,并预测了施工完毕后若干年的核心筒和巨柱的竖向变形、轴力随时间的变化,以及与时间相关的楼板系统的倾斜变化趋势。