多轴侧压作用下再生混凝土与变形钢筋的粘结性能研究

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实际工程中的混凝土结构承受单一应力状态的构件较少,大多处于主动或被动约束应力状态。如带箍筋的梁、承受弯剪作用的梁端部、梁-柱节点、剪力墙以及预应力构件锚固端的局部受压区等都处于多轴受力状态。钢筋与混凝土在粘结区域的应力状态较为复杂,直接影响了钢筋与混凝土的粘结性能。另外,随着再生混凝土的应用越来越广泛,研究再生混凝土在复杂应力状态下与钢筋的粘结锚固性能显得十分必要。针对这些问题,本论文从试验、理论分析及数值模拟三个层面研究多轴侧压作用下再生混凝土-钢筋间粘结性能,最后根据锚固长度可靠度分析,提出了设计建议。论文主要研究内容和结果如下:(1)根据再生粗骨料特性,经过试配得到了同强度等级的不同再生粗骨料取代率混凝土的配合比。根据试验的特点和加载设备的特点设计制作拉压反力加载装置,对再生混凝土的基本力学性能进行测试。对同抗压强度等级设计的不同粗取代率的再生混凝土进行轴心受拉及轴心受压试验,研究再生粗骨料取代率对的再生混凝土强度、弹性模量、泊松比的影响,并得到应力-应变曲线。试验结果表明:采用同抗压强度等进行配合比设计时,再生混凝土抗压强度及抗拉强度随再生粗骨料取代率的变化不明显,但相应的峰值应变和弹性模量与天然骨料混凝土略有差别。经过分析,建议再生混凝土泊松比采用0.18。再生混凝土的单轴受压和单轴受拉本构模型可以采用《混凝土结构设计规范》GB50010-2010中相应的本构模型,但相应的材料参数需要调整。(2)通过中心拉拔试验,以再生粗骨料取代率、相对保护层厚度、配箍率、单向侧压应力水平、双向侧压应力水平为研究参数,分别制作了 45个带箍筋试件和21个无箍筋试件、60个单向侧压作用试件、96个双向侧压作用试件。并根据试验和加载设备的特点设计制作了加载装置,研究了再生混凝土试件的粘结性能、破坏形态和延性性能,提出了粘结-滑移曲线方程。结合损伤力学的概念,推导出相对损伤滑移方程,分析了界面损伤的发展阶段以及界面损伤的发展速度,并进行能量分析。试验结果表明:设置箍筋、提高相对保护层厚度、施加侧向压力能有效提高粘结性能,改善试件的破坏形态、延性性能及损伤发展速度。在同强度条件下,箍筋和侧向压力的作用下再生混凝土试件的相对粘结强度随再生粗骨料取代率的变化不明显,而再生混凝土在滑移值和界面破坏总能量方面与天然骨料混凝土略有差别,但随着约束的增大,各取代率试件间的偏差随之减小。建立了粘结强度和和滑移值等粘结参数与侧向应力场之间的定量关系,依据各参数间的定量关系,提出多轴侧压作用下的再生混凝土粘结强度公式。(3)首先,从平面模型中研究了劈裂和拔出两种破坏模式下钢筋与再生混凝土的粘结强度理论,推导了箍筋约束作用下的粘结强度计算公式。其次,根据钢筋与再生混凝土界面处径向变形与滑移之间的关系建立了劈裂和拔出两种破坏模式的粘结-滑移曲线方程。最后将粘结强度及粘结-滑移曲线方程与试验数据进行对比,发现理论值与试验值吻合良好。为进一步研究在多轴侧压作用下的粘结理论,从空间模型出发,采用再生混凝土多轴强度破坏准则计算相应的特征强度,根据理论计算结果,推导出实用化的粘结强度计算公式。(4)从平面模型及空间模型两个角度出发进行数值模拟,首先从平面模型中分析了侧向压力作用下混凝土与钢筋界面的力学行为,验证由理论分析得到的不同侧压作用下钢筋与混凝土界面处的平均应力。其次,从空间模型入手,基于接触分析功能,采用再生混凝土的相应参数,实现了再生混凝土粘结-滑移问题的数值模拟,并验证多轴侧压作用下钢筋与再生混凝土的破坏模式、破环机理、粘结-滑移曲线和粘结参数,最后进行参数分析。(5)首先结合本文试验数据及部分统计数据,建立包含再生混凝土强度、锚固长度、相对保护层厚度、配箍率、横向压力等因素的再生混凝土锚固极限状态方程。其次,对多轴侧压作用下的钢筋与再生混凝土的锚固长度进行可靠度分析,并提出设计建议。
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