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钢筋混凝土结构长期徐变收缩效应研究应用

孙璨  
【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。


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