装配式混凝土结构新旧混凝土界面连接静动态性能研究

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装配式混凝土结构是当前国家建筑业发展方向。建设工程在服役过程中,除受到自重荷载等准静态荷载外,还可能会受到车船撞击、重物冲击、自然灾害袭击等动力冲击荷载作用。因此,在发展装配式结构建设工程的同时,需要充分考虑其在动载作用下的安全性能。本文针对装配式混凝土结构中后浇混凝土与原混凝土结构部件之间存在着的新旧混凝土交界面,通过试验研究结合数值模拟的方法研究其动态力学性能,这对拓展装配式混凝土结构在动力环境下的应用具有较重要的意义。本文主要研究内容和成果如下:(1)考虑新旧混凝土界面的倾斜角度、界面粗糙程度、混凝土强度等级、是否植入钢筋等因素,对28种不同类型的试件分别进行了三组重复静态抗压强度试验,共84个试件。结果表明,当新旧混凝土界面倾角为20°时,大部分试件会出现界面粘结破坏,而倾角为40°或60°的大部分试件会出现混凝土强度破坏;在未植入钢筋的情况下,界面倾角40°的静态抗压强度值比20°和60°的分别大30%和10%左右;界面倾角为20°时,静态抗压强度值随凹槽数目增大而变化的幅度较大,而其他角度变化较小;当试件平均凹槽深度从2mm增大到4mm,静态抗压强度平均增大10%左右;当试件植入钢筋后,试件的静态抗压强度会增大,其中当试件的界面倾角为20°时,植入钢筋对试件的静态抗压强度的影响最大。(2)在静载参数的基础上,设定五个不同等级的冲击气压,对14种不同类型试件在每个等级的冲击气压下进行三组重复分离式霍普金森压杆(SHPB)试验,共210个试件。试验结果表明,冲击气压、界面倾角和植入钢筋等因素对试件的破坏模式具有显著影响。随着应变率增大,各类型试件的峰值应力、动态抗压强度放大系数DIF值逐渐增大。从整体而言,大部分试件的动态峰值应力都比静态的大。随着应变率增大,界面倾角为40°下的新旧混凝土试件的动态峰值应力的提高程度大于20°或60°的;适当增大新旧混凝土试件的平均凹槽深度,有利于提高峰值应力水平;在应变率较小时,适当增多凹槽数目也有利于提高峰值应力水平;植入钢筋对试件动态峰值应力的提高程度不及静态抗压强度的大。与静载类似,动载作用下,界面倾角为40°的剪切强度比20°和60°的大;混凝土强度等级组合为C30/C50和C40/C50的试件剪切强度接近,均比C30/C40的更大。根据新旧混凝土试件交界面的剪切应力τf与法向应力σn的关系,对粘聚力c和内摩擦角φ与应变率ε的关系曲线进行研究。(3)选用ANSYS/LS-DYNA建立与试验相匹配的有限元模型,在此基础上进行了参数化分析。结果表明随着应变率的增大,试件峰值应力的增大呈现出放缓的趋势。界面倾角对试件峰值应力的影响是非线性的,随着界面倾角的增大,峰值应力呈现出先增大后变小的趋势。基于试验和有限元结果,对各类型试件在不同应变率下的应力-应变曲线进行拟合,得出应力-应变模型的公式。
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