温度与荷载共同作用下钢筋混凝土桩的细观损伤研究

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桩是高桩码头的主要组成部分,桩基既是高桩码头的下部结构,也是高桩码头的基础。桩的承载能力将直接影响到高桩码头的使用寿命。因此,要引出本文研究内容,可以从桩基承载能力主要由桩身承载能力和地基承载能力决定来确定,二者取其小者作为桩基承载能力。以往涉及桩基承载能力的研究也主要是从桩身材料特性确定的承载能力和地基特性确定的承载能力着手,很少考虑环境(如水环境、空气环境和温度环境等方面)对桩身材料性能的劣化影响进而影响桩身承载能力。然而桩被用于码头中时,长期暴露在自然环境中,随着时间的推移,不同环境因素对桩身材料特性的劣化影响而降低桩身承载能力已成为高桩码头安全健康使用的重要影响因素。由于环境影响因素众多,本文仅从温度影响因素着手,根据火灾、爆炸等可能会带来的工程实际中的高温作用,针对地上桩身部分,基于颗粒流离散元方法并结合室内模型试验,开展温度与荷载共同作用下钢筋混凝土桩的细观损伤研究,为后续考虑温度影响作用下桩的承载能力提供科学依据。主要研究成果如下:(1)通过物理试验获取了验证数值模型所需的荷载-应变曲线、主裂缝位置与材料弹性模量及混凝土抗压强度等结果。试验设计使用了一种易于制作与操作的水平加载装置对钢筋混凝土桩进行了水平分级加载试验,得到了桩底受拉荷载-应变曲线。(2)通过PFC3D研究了钢筋混凝土桩因温度升高而产生的应变与裂隙数量变化规律。首先建立了三维颗粒流离散元钢筋混凝土桩模型,并根据物理试验结果标定且验证了模型的力学性能合理性。构建了温度热管模型,通过分级加热,得到了500℃以内钢筋混凝土桩的横向拉伸应变、纵向压缩应变以及微裂缝生长数量随温度变化曲线。500℃以内,轴向压缩应变会随温度的增加而逐渐升高,且增速逐渐加快;横向拉伸应变也会随温度的增加而逐渐升高,但增速先上升后下降。500℃内的细观微裂隙数量会随温度的升高而增长,且200℃为钢筋混凝土桩开始萌生微裂隙温度值,随温度升高,微裂隙的增速逐渐加快,400℃后微裂隙数量进入迅速发展期。(3)通过PFC3D研究了不同粗骨料占比与强度等级对钢筋混凝土桩受热损伤的影响。基于原模型的60%粗骨料占比与C30强度等级,分别研究了不同混凝土粗骨料占比与强度等级对500℃以内的受热初始损伤的影响。研究发现粗骨料占比升高会使横向与轴向应变略微降低,裂隙数量增加,原因是粗骨料增大导致薄弱接触增加,更容易形成裂隙。强度等级的升高则会使横向与轴向的应变略微升高,同时大幅降低裂隙数量,原因是粘结强度升高,接触更加难以断裂形成裂隙。(4)通过PFC3D研究了钢筋混凝土桩在温度与水平荷载共同作用下的力学损伤。施加温度场的模型进行水平加荷后,得到的应力应变曲线结果表明,随着温度的升高,材料的宏观力学性能出现了不同程度的降低。峰值应力随温度的升高会产生近线性的降低;峰值应变随温度的升高表现为阶段性的降低;弹性模量随温度的升高降低的速率表现为逐步增大,而后又减缓。(5)通过建立损伤变量对钢筋混凝土桩受温度与荷载共同作用损伤规律进行了研究。结合前人经验,定义了基于模型微裂隙数量的损伤变量,并构建了损伤变量-轴向应变曲线,进一步分析了温度-荷载共同作用的损伤规律。结果表明:损伤演化临界值与损伤断裂临界值会随着温度升高逐步上升,钢筋混凝土桩在同样的受荷情况下会更早开始产生损伤,并且更容易出现断裂损伤。
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