材料性能变化对混凝土梁受剪性能影响的数值模拟研究——以AAR劣化混凝土梁和FRP筋混凝土梁为对象

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钢筋混凝土(RC)梁的受剪破坏呈危险脆性,如何合理评价其受剪性能仍是一个被持续关注的研究课题。RC梁的受剪承载机制复杂,目前国内外规范基本上还是沿用半经验半理论的方法评价其受剪承载力。材料性能的经时劣化预测以及新型耐久性混凝土补强材料的开发是材料层面耐久性研究的两个主要课题。材料性能劣化给RC梁受剪问题增加新的不确定性,同时新型补强材和普通钢筋的性能差异更加大了受剪问题的复杂性。碱骨料反应(AAR)是RC结构的主要的劣化现象之一。众多研究表明,AAR除了对混凝土造成损伤以外,产生的膨胀力还可能导致箍筋弯曲部脆断以及断裂处局部黏结失效,这必然降低箍筋的锚固性能及其和混凝土的协同工作能力,进而改变承载机制、降低受剪承载力。目前,还未完全揭示箍筋端部断裂梁的承载机制,也无定量评价其受剪承载力的合理方法。FRP筋作为新型补强材代替钢筋可以解决传统RC结构的钢筋锈蚀问题。和普通钢筋相比,FRP筋具有低弹模,无明显塑性、横向抗剪弱,弯曲部强度弱化等特点,因此FRP筋混凝土梁的受剪性能必然和普通RC梁有显著差异。虽然多国规范提出了 FRP筋梁受剪承载力评价公式,但基于各评价式的评价结果离散性较大且多偏于保守。鉴于以上背景,本文以模拟AAR箍筋端部锚固退化梁(箍筋弯曲部脆断及侧肢局部黏结失效)、FRP筋混凝土梁为研究对象,在前期试验研究的基础上,通过数值模拟分析揭示其承载机制,并结合数据回归和理论推导提出合理准确的受剪承载力评价公式。在本文研究范围内得出以下结论:1.箍筋端部锚固退化梁受剪性能(1)和完好梁相比,刚度和受剪承载力Vu随箍筋下端弯曲部脆断及断裂处局部黏结失效长度的增加而减小。箍筋抗剪贡献Vs的降幅随箍筋侧肢脆断及脆断处局部黏结失效长度的增加而增大;侧肢下端部脆断降低了混凝土抗剪贡献Vc,但局部黏结失效长度的大小对Vc无明显影响。(2)箍筋弯曲部脆断及侧肢局部黏结失效长度的增加导致的Vu下降率随着截面尺寸的增加而趋于平缓。从承载机制角度分析,由于尺寸增大使脆断箍筋侧肢保有的残余有效黏结长度增加,增强了剪跨区内箍筋整体的抗拉作用,所以Vs下降率随着截面尺寸的增加趋于减小,而Vc的下降率并不受截面高度的影响。(3)基于箍筋下端弯曲部劣化程度,提出箍筋端部锚固退化梁受剪承载力评价方法;通过引入已发表的试验结果,验证了该方法的合理性和有效性。2.FRP筋混凝土梁受剪性能(1)FRP筋混凝土梁的剪压破坏模式主要有两种:剪压区混凝土压溃和箍筋弯曲部拉断。当力学系数k=ρv×fbend/(?)(ρv、fbend、f’c分别为配箍率、箍筋弯曲部抗拉强度、混凝土抗压强度)较小时,发生箍筋弯曲部拉断破坏,当k较大时,发生剪压区混凝土压溃破坏。(2)模拟梁的Vu随着相对轴向刚度ρl×El(ρl、El分别为纵筋的配筋率和弹性模量)的增加而增大。从承载机制角度分析,当发生剪压区混凝土压溃破坏时,Ve随ρl×El的增加而提高,而Vs随ρl的增加而减小,但随El的增加而提高。当发生箍筋弯曲部拉断破坏时,Vc随着ρl×El的增加而显著提高,但Vs提高幅度有限。(3)FRP筋模拟梁的Vu随着ρv×Ev的增加而增大。随着ρv的增加,Vs逐渐增大,但Vc变化幅度不大;箍筋弯曲部拉断的破坏模式下Vc提高幅度高于混凝土压溃的破坏模式,随着纵筋El的增加,增加Ev对Vc的提高幅度趋于降低;Vs的提升效果和破坏模式、El均无密切相关。与普通RC梁相比,纵筋使用BFRP筋、箍筋为普通钢筋的试件梁在破坏时的挠度进展更大、更显延性和韧性。(4)发生剪压区混凝土压溃破坏时,Vu、Vc和Vs均随着f’c的增加而提高,Vs的提高幅度受纵筋类型和fbend影响,而Vc的提高幅度和两者相关性不大;当纵筋为低弹模的BFRP筋时,Vs的提高幅度较小且不受fbend影响;当纵筋为高弹模的普通钢筋时,对于fbend较高的系列梁,增加f’c对Vs的提升效果更为显著。(5)基于试验及数值模拟结果,提出了基于破坏模式并综合考虑诸多变量的FRP筋混凝土梁受剪承载力评价公式。通过对已发表文献127根试验梁的结果进行验证,并与其他评价公式的计算结果进行对比分析,确认了本论文所提评价式的合理性、精确性和适用性。
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