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考虑时间因素的混凝土结构分析方法

周建民  
【摘要】:大跨度、高耐久性、使用性要求高等都是现代混凝土结构重要特征。为了保证这些结构在整个生命周期内安全使用,在设计时需要对其进行精致、全面的分析。无论是混凝土结构上的作用,还是结构本身都是随时间变化的。合理和较为精确的结构计算分析和设计必须考虑要时间因素的影响。本文对混凝土结构考虑时间因素影响的分析和设计方法进行了系统的研究。论文主要的研究内容和取得的研究成果可以归结为以下: 1.分析材料与时相关的性能,重点介绍混凝土各种变形的特点和计算表达公式,利用变分原理,建立了具有普遍适用性的材料本构方程; 2.系统介绍了徐变、收缩计算理论的历史演变,利用积分中值定理提出了新的时变计算模量法,并改进了逐步计算方法。最后给出了适用于简单结构和复杂结构的徐变有限元逐步计算方法和递推方法。 3.建立考虑时间因素的混凝土截面应力应变分析方法,提出截面时变计算刚度的概念和静定混凝土结构变形的计算方法,并编制相应的计算程序; 4.利用时变计算刚度概念,建立考虑时间因素的超静定混凝土结构有限元计算方法,并编制相应的计算程序; 5.在传热学基本原理的基础上,利用有限元理论,建立混凝土结构温度场和温度效应的时程分析方法。并提出便于工程实用的简化温度场分布和相应的温度效应计算方法; 6.本文根据混凝土材料构造特点,建立了能反映混凝土冻融循环损伤影响的二氧化碳和氯离子侵入模式,修正了传统的基于恒定碳化系数和恒定氯离子入侵系数的计算方法并提出了恶劣环境下混凝土结构耐久性使用年限的预测技术。对算例的数值模拟计算表明:对于海洋、寒冷地区等恶劣环境下的混凝土结构耐久性使用年限会明显降低,采用高性能混凝土并尽量增加混凝土保护层厚度取值是提高其使用年限的有效措施。 7.引入时变广义可靠度概念并建立相应的计算模式,提出了基于可靠性分析的耐久性优化设计方法。对十六米跨度铁路混凝土桥梁标准设计(图号:专桥1023)进行的耐久性优化设计结果表明:(1)影响耐久性的主要因素是气候环境,混凝土质量和保护层厚度;(2)应根据不同的环境情况,设计使用寿命划分不同的保护层厚度取值范围,选取允许的最大保护层厚度在经济上将是最优的设计方案。 8.结合我国首条磁悬浮列车、上海地铁线建设项目的研究,进行混凝土结构温度场和温度效应,泵送混凝土收缩、徐变基本特征值,混凝土梁时变变形等项目的试验研究。磁悬浮列车温度场和温度效应实测值与计算值吻合。高流动性泵送混凝土的收缩、徐变特性试验研究表明:1)收缩应变终极值的实测值大约要比规范计算值大一倍;2)徐变终极值的实测值与规范计算值比较接近;3)实测的收缩应变随时间的发展规律与规范比较接近,但徐变的发展规律在早期要比规范的发展规律快得多。对城市轨道交通用预应力混凝土梁长期变形试验研究表明:上


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