混凝土与约束混凝土柱尺寸效应研究

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(钢筋)混凝土的力学性能与其几何尺寸密切相关,随着大尺寸(钢筋)混凝土构件的广泛应用,系统地研究(钢筋)混凝土的尺寸效应具有重要的理论价值和工程意义。目前,对混凝土结构尺寸效应的研究有两个重要方向,即1)混凝土材料层次尺寸效应,以及2)钢筋混凝土构件层次尺寸效应。  混凝土材料尺寸效应受到骨料粒径、强度等级、试件形状等因素的影响。针对骨料粒径、强度等级对混凝土材料抗拉强度尺寸效应的影响机理,本文从试验角度入手,从材料层次开展混凝土劈裂拉伸和弯曲拉伸尺寸效应试验,揭示不同骨料粒径、强度等级下混凝土材料拉伸破坏行为及尺寸效应规律。  钢筋混凝土构件层次尺寸效应除了与混凝土材料本身的非均质性与力学非线性有关,还受到钢筋/混凝土相互作用影响,两者共同导致了钢筋混凝土构件层次的尺寸效应行为。鉴于此,从构件层次上整理分析箍筋约束混凝土柱尺寸效应的试验研究成果,对其尺寸效应规律进行系统分析,重点研究钢筋/混凝土非线性相互作用对箍筋约束混凝土柱轴心受压荷载作用下的损伤破坏行为及尺寸效应的影响机理。  最后,结合有限元分析及数值模拟手段开展混凝土和约束混凝土柱尺寸效应数值实验,从细观力学角度描述混凝土拉伸加载和约束混凝土柱轴心加载下的损伤破坏全过程,揭示细观组分构造对混凝土和约束混凝主柱损伤破坏及尺寸效应的影响机理,对混凝土和约束混凝土柱尺寸效应试验研究进行扩展和补充,研究内容如下:  一、混凝土材料尺寸效应试验和数值研究  针对骨料粒径及强度等级对混凝土材料抗拉强度尺寸效应的影响问题,开展混凝土劈裂拉伸尺寸效应试验(骨料最大粒径为10mm、20mm、30mm、40mm)和混凝土弯曲拉伸尺寸效应试验(骨料最大粒径为10mm、20mm、30mm),以及强度等级为C20、C40、C60混凝土材料劈裂拉伸尺寸效应试验。探索骨料粒径、强度等级对混凝土材料劈裂拉伸/弯曲拉伸损伤破坏力学行为及尺寸效应的影响规律。  混凝土材料的宏观力学行为由其微/细观组分决定,建立反映混凝土材料细观非均质性的2D及3D细观力学分析模型,从细观力学角度描述混凝土材料劈裂/弯曲拉伸加载下的损伤破坏全过程,揭示其尺寸效应规律;采用Voigt并联模型开展复合材料力学性能等效化,建立混凝土细观等效化模型,揭示混凝土材料强度尺寸效应的细观非均质机理。为更大尺寸混凝土试件的力学非线性及尺寸效应研究提供细观尺度数值计算方法。  二、约束混凝土柱尺寸效应试验分析和数值研究  基于箍筋约束混凝土柱轴心加载试验数据,深入分析体积配箍率、箍筋绑扎形式/强度、构件截面形式对约束混凝土柱轴心加载损伤破坏力学行为及尺寸效应的影响规律。  在试验结果整理分析的基础上,建立约束混凝土柱3D细观力学分析模型,开展箍筋约束混凝土柱尺寸效应数值理论研究。从细观力学角度描述箍筋约束混凝土柱损伤破坏的全过程,揭示其尺寸效应规律,旨在为更大尺寸箍筋约束混凝土柱的力学非线性及尺寸效应研究提供细观尺度数值计算方法。
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