高温后单向侧压作用下混凝土与钢筋黏结-滑移性能研究

高温后混凝土与钢筋间的黏结性能影响钢筋混凝土结构的安全评估,实际工程中钢筋混凝土常承受侧向约束作用。为此,该文以高温温度和侧压力为参数,完成了48个钢筋混凝土试件的中心拉拔试验,分析侧压力对高温后试件破坏形态、峰值黏结应力、峰值滑移、残余黏结强度的影响规律,建立了峰值黏结应力随高温温度和侧压力变化的经验公式。将侧压下钢筋-混凝土黏结应力场简化为肋前混凝土挤压力和侧压力的线性叠加,并基于微观传力模型及高温后混凝土的多轴强度破坏准则推导计算了无侧压及单向侧压下的黏结强度理论。研究结果表明:侧压作用和高温温度直接影响试件破坏形态;随着侧压力增加,高温后混凝土与钢筋间的峰值黏结应力、残余黏结强度、峰值滑移逐渐增大,但温度达到500 ℃后,有侧压试件峰值滑移较无侧压试件小;黏结强度理论计算值与实测值较为吻合,能较好地预测高温后混凝土与钢筋间的黏结强度。     

高应力率下混凝土动态黏结性能试验技术与数据处理方法

在分离式霍普金森压杆装置基础上开发了一套钢筋与混凝土动态黏结性能试验加载装置;该装置由反力框、承力装置及固定支座等组成,该装置能够实现高应力率下钢筋与混凝土的黏结性能试验。利用该装置对冲击气压为1.0 MPa,混凝土强度分别为C30,C40和C50的3组共15个试件进行动态拔出试验;试验结果发现:黏结应力率越高,钢筋与混凝土之间的极限黏结强度越大,且达到极限黏结强度对应的滑移量越小;混凝土强度越大,极限黏结强度增大,但极限黏结强度对应的滑移量无明显变化。得出了合理的试件安装、荷载施加、数据采集和处理方法,最终形成了规范的动态黏结性能试验操作步骤,并得到了高应力率下黏结应力-滑移全过程曲线。     

高应变率荷载作用下钢筋与ECC的黏结滑移关系研究

采用水泥基复合材料(engineering cementitious composite, ECC)替代混凝土可以提高结构在偶然荷载作用下的抗连续倒塌性能,但在悬链线大变形阶段钢筋与ECC间可能会出现黏结滑移破坏。基于分离式霍普金森压杆(SHPB)试验装置,进行了钢筋与ECC的动态黏结滑移性能试验,分析了ECC强度等级、应变率、钢筋直径对极限黏结强度、刚度和滑移量的影响规律,获得了高应变率下钢筋与ECC的平均黏结滑移曲线,得到其黏结滑移破坏模式。并与静态黏结滑移试验进行对比,得到了动态黏结强度增强因子。进一步,通过钢筋开槽内贴应变片法,获得不同锚固位置的黏结应力及相对滑移的分布规律,提出黏结位置函数。最后,根据试验结果得到钢筋与ECC平均黏结滑移本构,进而乘以黏结位置函数得到考虑锚固位置影响的动态黏结滑移本构,为ECC结构构件设计及有限元分析提供试验依据和理论参考。     

高温下混凝土动态压缩行为细观数值研究

结合混凝土细观非均质性,考虑高温下细观组分力学性能退化效应及率效应的影响,建立了高温作用下混凝土动态压缩破坏行为及应变率效应研究的细观尺度数值分析模型。首先对混凝土热传导行为进行模拟,进而将"结果输出"作为"初始条件"对混凝土动态力学行为进行细观模拟,模拟与已有试验结果的良好吻合验证了数值方法的可行性及准确性。在此基础上,研究了高温加热后混凝土动态单轴压缩破坏行为及细观破坏机制,揭示了高温作用对动态压缩强度放大系数的影响规律。结果表明:高温加热后,混凝土动态冲击破坏集中在力学性能薄弱的加载端;相比于应变率效应,温度退化效应对混凝土力学性能（如强度、割线模量）影响更为显著。     

低应变率下混凝土动态拉伸破坏尺寸效应细观模拟

在混凝土静态破坏尺寸效应方面已取得了较完善的成果,而在动态破坏尺寸效应方面,包括其产生机制及对应的尺寸效应律的研究则非常匮乏。为探讨动态荷载作用下混凝土尺寸效应行为,从细观角度出发,结合混凝土细观结构特征,考虑动态加载下细观组分应变率效应的影响,建立了混凝土破坏行为研究的细观力学分析模型与方法。以双边缺口混凝土试件为例,对其在低应变率（10-5 s-1~1 s-1）下混凝土动态拉伸破坏行为及尺寸效应进行细观数值模拟,并分析了应变率效应对动态破坏尺寸效应的影响。最后,结合应变率效应对强度及尺寸效应的影响规律—“强度增强效应”与“尺寸效应削弱效应”,在静态破坏尺寸效应律的基础上,建立了混凝土拉伸强度的“静动态统一”尺寸效应理论公式,并验证了理论公式的准确性和合理性。     

骨料粒径对混凝土动态拉伸强度及尺寸效应影响分析

骨料粒径是影响混凝土力学性能及破坏机理的重要因素。从细观角度出发,将混凝土看作由骨料颗粒、砂浆基质及界面过渡区组成的三相复合材料,考虑细观组分的应变率效应,建立了混凝土动态拉伸破坏行为研究的细观力学分析模型,模拟研究了不同骨料粒径下混凝土动态拉伸破坏行为,并揭示了动态拉伸强度的尺寸效应规律。研究表明:低应变率下骨料不发生破坏,骨料粒径对混凝土动态拉伸破坏模式及拉伸强度影响显著,且拉伸强度的尺寸效应随骨料粒径的减小而削弱;高应变率下裂缝将贯穿骨料,骨料粒径的大小对混凝土动态拉伸强度及尺寸效应影响可忽略。最后,结合应变率效应的影响机制,建立了混凝土拉伸强度的"静动态统一"尺寸效应理论公式,该公式可以较好描述各骨料粒径下混凝土动态拉伸强度与试件尺寸的定量关系。     

考虑应变率效应的混凝土单轴压缩统计损伤本构模型

基于统计损伤理论,建立考虑应变率效应的混凝土单轴压缩统计损伤本构模型。考虑细观断裂和屈服两类损伤模式,将临界状态作为均匀损伤阶段向局部破坏阶段过渡的转折点,且滞后于峰值应力状态。在动态荷载作用下,混凝土内部细观结构的力学性能发生变化,同时微裂纹的扩展形态、路径和和数量较准静态发生显著改变,进而改变了两类细观损伤模式的演化过程,可由5个特征参数来表征。开展混凝土单轴压缩动态力学性能试验,获得了10-5～10-2/s应变率范围内的应力-应变曲线。利用6组试验数据对模型进行验证,结果表明：模型预测曲线与试验曲线吻合良好,表征细观损伤机制的特征参数随着应变率的提高显示出明显的规律性。该模型可以较好地描述混凝土的动态力学行为,在应变率效应机理、细观损伤机制、宏观非线性本构行为之间建立起有效的联系。     

钢筋混凝土框架结构梁柱中节点动态力学性能试验研究

受材料率敏感性的影响,钢筋混凝土构件具有率敏感效应,其受力性能在不同应变率水平下均有所不同。以往的研究多数集中于混凝土和钢筋材料率效应的研究,有关梁柱节点试件快速加载下的研究相对较少。研究了15个梁柱中节点在不同轴压比下的动态力学性能。运用二项式逻辑回归模型,预测了梁柱节点组合体的破坏形式,发现:随着应变率的提高,节点组合体内的裂缝数量不断减少,更倾向于单一主裂缝破坏;轴压比增大后,节点核心区的剪切变形以及斜裂缝与竖向轴力的夹角减小,应变率或轴压比增大后,节点组合体严重损伤部分发生转移;应变率的提高,对钢筋黏结强度起不利影响,钢筋滑移量随应变率的提高而增大。对比不同规范对节点抗剪承载力的计算公式发现,ASCE SEI 41-06规定的节点剪切强度因子偏高,ACI 352R-02规定的节点剪切强度因子较为合理,但ASCE SEI 41-06和ACI 352R-02都没有考虑轴压比对节点抗剪承载力的影响,相比之下GB50010-2010考虑了轴压比的影响,计算结果更合理。在拟静态设计公式中采用材料动态强度的方法计算其承载力,往往会过高估计梁柱节点的抗剪承载力,是偏于不安全的。通过多元线性回归分析,得到了不同应变率及轴压比下节点水平抗剪承载力增大系数的经验方程。     

基于细观模拟的轻骨料混凝土动态压缩破坏及尺寸效应分析

轻骨料混凝土由于其轻质及保温隔热性能好等优点,越来越多被应用于实际工程结构。采用细观数值模拟方法,将轻骨料混凝土看作由骨料颗粒、砂浆基质及两者间界面过渡区组成的三相复合材料,采用塑性损伤本构关系模型,考虑应变率效应的影响,建立了对应的细观随机骨料模型,研究了轻骨料混凝土在动态压缩作用下的破坏行为及尺寸效应规律。发现:随着应变率的增加,惯性效应逐渐成为主导效应,动态压缩强度的尺寸效应逐渐被削弱,达到临界应变率时,尺寸效应被完全抑制。此外,结合率效应影响机制与规律,揭示了轻骨料混凝土动态压缩强度的尺寸效应机理,建立了“静动态统一”的尺寸效应半经验-半理论公式。     

结构尺寸对混凝土双轴动态破坏行为影响细观分析EI北大核心CSCD

为研究结构尺寸在不同动态双轴工况下对混凝土破坏行为的影响,建立了考虑混凝土材料非均质性的细观力学分析模型,对不同尺寸的立方体混凝土试件在不同应变率(10-5 s-1、10-2 s-1和1 s-1)和不同侧应力比(0、±0.25、±0.50、±0.75、±1.00和-∞)工况下进行了细观数值模拟。研究了混凝土的动态双轴压缩和压缩-拉伸力学行为以及应变率和侧应力比两个因素对混凝土动态双轴强度及其尺寸效应行为的影响规律,分析与讨论了不同工况下结构尺寸对混凝土动态双轴强度的影响机理。研究结果表明:动态双轴压缩工况下,结构尺寸对混凝土动态双轴压缩强度的影响随应变率增大逐渐被削弱,随侧应力比增大先被削弱而后增强;动态双轴压缩-拉伸工况下,随应变率增大,结构尺寸对混凝土动态主轴压缩强度和动态侧轴拉伸强度的影响均被削弱。随侧应力比增大,结构尺寸对混凝土动态主轴压缩强度的影响被增强,而对混凝土动态侧轴拉伸强度的影响被削弱;逐渐增大的应变率会削弱侧应力比对混凝土双轴强度尺寸效应的影响。     

加载速率及其突变对混凝土压缩破坏影响的数值研究

混凝土动态力学行为具有明显的率相关性,探讨了加载速率及其突变对混凝土压缩破坏模式及宏观力学性能的影响。考虑混凝土细观结构非均质性的影响,从细观角度出发将混凝土看作由骨料、砂浆基质及过渡区界面组成的三相复合材料。采用耦合应变率效应的塑性损伤本构关系模型来描述砂浆基质及界面的动态力学行为;认为骨料不产生断裂破坏,为弹性体。采用Monte Carlo法建立了混凝土二维随机骨料模型,首先对Dilger等混凝土动态压缩试验进行数值模拟,数值与试验结果的良好吻合证明了方法的可行性及细观参数选取的准确性。进而探讨了细观组分应变率效应的影响,对比了混凝土非均质模型与宏观均匀模型的应变率效应,最后分析了软化阶段加载速率突变对混凝土破坏模式及宏观应力-应变关系的影响,并得到了一些有益结论。     

应变率突增对混凝土动态拉伸破坏影响的细观模拟

实际工程中混凝土结构往往遭遇多次动态荷载作用或在承受一定初始损伤荷载基础上再承受不同应变率的动态荷载.建立了哑铃型混凝土三维细观数值模型,模拟不同名义应变率单独作用下混凝土材料的单轴动态拉伸破坏行为,又分别对混凝土单轴拉伸应力应变曲线上升段和软化段的应变率突增行为开展了细观模拟,初步分析了应变率突增行为对动态拉伸破坏强...     

基于细观模拟的混凝土动态压缩强度尺寸效应研究

在混凝土静态破坏尺寸效应方面开展的研究已经较为完善,而在动态破坏尺寸效应方面的研究还远没有形成一个统一的认知。混凝土尺寸效应根源于内部组成的非均质性,从细观角度出发,考虑材料非均质及细观组分的应变率效应,将混凝土看作由骨料、砂浆及界面过渡区组成的三相复合材料,建立了混凝土动态破坏行为研究的细观数值分析方法,对不同应变率（1×10-5 s-1~2×102 s-1）及不同尺寸方形混凝土试件单轴压缩破坏行为进行模拟与分析。数值结果表明:混凝土动态与静态加载下压缩强度尺寸效应规律存在明显差异,在动态压缩强度尺寸效应规律中,存在一个临界应变率（约为1 s-1）,即:低于临界应变率时,应变率增大时,压缩强度随试件尺寸增大而减小,且尺寸效应逐渐被削弱;达到临界应变率时,混凝土动态压缩强度与尺寸无关,尺寸效应被完全抑制;高于临界应变率时,应变率增大时,压缩强度随试件尺寸增大而增大,尺寸效应逐渐增强。最后对混凝土动态强度尺寸效应的产生机理进行了分析与讨论。     

锈蚀钢筋混凝土梁动态抗弯性能细观数值研究EI北大核心CSCD

为研究锈蚀对钢筋混凝土(reinforced concrete,RC)梁动态力学性能的影响,考虑钢筋锈蚀和应变率效应及混凝土内部结构的非均质性,建立锈蚀钢筋混凝土梁两阶段三维细观尺度数值模型。钢筋的非均匀锈蚀膨胀以施加非均匀径向位移的方式模拟,并以保护层开裂“最终状态”作为之后混凝土梁动载模拟的“初始输入条件”,获得锈蚀后的动态力学行为。在验证了数值模型合理性的基础上,分析了钢筋锈蚀引起的保护层锈胀开裂行为及不同应变率下构件力学性能的变化。结果表明:钢筋锈蚀使混凝土梁产生了明显的纵向裂缝,梁的承载力随钢筋锈蚀率增加而降低;高应变率下,混凝土梁发生冲切破坏,梁的承载力显著提高;锈蚀混凝土梁承载力损失与锈蚀后梁频率降低系数(反映刚度损失)近似呈线性规律,且低应变率下的承载力对频率变化更加敏感。最后,基于模拟结果回归分析,发展建立了考虑锈蚀及应变率耦合影响的混凝土梁动态抗弯承载力预测公式。     

混凝土动态双轴压缩强度准则细观研究

由于物理试验设备和条件限制，目前对混凝土动态双轴压缩强度准则的研究仅停留在低应变率范围(10^-5 s^-1～10^-2 s^-1)。针对这些强度准则在更高应变率范围内是否适用，该研究建立了细观随机骨料模型，对边长100 mm的混凝土立方体试块开展了动态双轴压缩细观模拟分析。研究了应变率和侧应力比对混凝土动态双轴压缩破坏模式及压缩强度的影响，建立了适用于更高应变率的动态强度准则。研究结论：相同侧应力比下，随应变率增大，混凝土内部损伤区域增多，动态压缩强度增大；相同应变率下，随侧应力增大，混凝土破坏模式由柱状压裂变为片状劈裂，动态压缩强度先增大后减小。现有的混凝土动态双轴压缩强度准则在应变率为10^-5 s^-1～1 s^-1时很难适用，而该研究建议的强度准则适用于更高的应变率范围，并且得到了不同物理试验的初步验证。     

混凝土结构中考虑滑移效应的钢筋本构模型研究

以钢筋混凝土（reinforced concrete,RC）结构中的钢筋滑移效应为研究对象,通过黏结应力分布简化模型,得到了钢筋应力-滑移关系,基于已有拉拔试验数据验证了该钢筋滑移关系的可靠性。结合塑性铰长度模型建立了可考虑滑移效应的钢筋应力-应变理论关系,分析了混凝土强度、钢筋直径和塑性铰长度等参数对该关系的影响,提出了考虑滑移效应的双线性钢筋本构模型。基于OpenSEES有限元平台,将该模型用于纤维截面的宏观单元模型中模拟RC柱的侧向荷载-位移反应,通过与已有试验结果、不考虑钢筋滑移效应的纤维模型计算结果及考虑钢筋滑移效应的零长度纤维模型计算结果进行对比分析,验证了本文模型的精度和可靠性,并对其适用范围进行了讨论。结果表明,基于本文钢筋本构的纤维模型可以更为准确地计算RC柱的荷载-位移曲线,且能够考虑由钢筋滑移变形引起的柱顶附加水平位移。     

基于细观单元等效化方法的混凝土动态破坏行为分析

混凝土材料具有明显的应变率效应,对其力学性质增强机理的认识还不统一。在细观随机骨料模型基础上,采用特征单元尺度划分试件网格,推导了考虑材料拉/压强度应变率效应的细观单元等效本构关系,建立了非均质混凝土材料的细观单元等效化数值模型。基于二维模型对Dilger等混凝土动态压缩试验进行了数值模拟,获得的数值结果与试验数据及随机骨料模型结果吻合良好,证明了细观单元等效化方法的准确性;进而对三维混凝土试件动态单轴拉伸和压缩破坏模式及宏观力学性质的加载速率效应进行了研究。数值结果表明:随着加载速率的增加,混凝土裂纹(损伤)数量增大,混凝土破坏将耗散更多的能量,是混凝土动态强度提高的主要原因。     

玄武岩纤维布约束高温损伤混凝土方柱轴压力学性能试验

对36个玄武岩纤维布增强聚合物基复合材料（BFRP）约束的高温损伤混凝土方柱和15个不同高温损伤的对比试件进行了轴压试验。试验表明,玄武岩纤维布横向约束能改变高温损伤后混凝土方柱的破坏形态,显著提高混凝土方柱的轴压强度和变形能力。其中三层玄武岩纤维布包裹的200℃、400℃、600℃和800℃高温损伤混凝土方柱轴压强度分别提高了48%、130%、206%和389%,轴向变形分别提高了433%、344%、319%和251%。采用典型的纤维增强聚合物基复合材料（FRP）约束常温未损伤混凝土轴压力学性能的设计模型预测FRP约束高温损伤混凝土的轴压强度和变形时存在较大的偏差。通过构建柱状膜结构静水压力平衡模型和约束混凝土方柱与FRP体积应变能平衡模型,分别改进了FRP约束混凝土方柱轴压极限应力和极限应变计算模型的基本形式。基于该基本形式和试验数据,分别确定了BFRP约束高温损伤混凝土方柱轴压极限应力和极限应变计算中与温度相关的参量,提出了适用于高温损伤混凝土方柱的轴压极限应力和极限应变的设计模型。      

高温下混凝土SHPB动态力学性能试验研究

采用霍普金森压杆(Split Hopkinson pressure bar,SHPB)试验装置和高温炉进行了高温下普通混凝土的抗冲击性能试验研究,通过比较实测动态强度和应力-应变曲线,揭示了温度和应变率对高温下混凝土动态力学性能的影响规律.试验结果表明:除200℃~300℃范围外,高温下混凝土具有显著的应变率效应,且温度越高动态应变率效应越显著;温度和应变率对混凝土归一化应力-应变关系曲线上升段的形状影响很小,可采用统一的函数形式.200℃~300℃低温区混凝土不仅无明显动态效应,且存在静力强度衰减现象,此特性需引起注意并有待进一步研究.     

钢筋混凝土柱纯扭破坏尺寸效应数值分析

在地震作用下,钢筋混凝土柱时常会受到扭矩的作用,而扭矩的存在会改变钢筋混凝土柱的破坏模式。为探究钢筋混凝土柱纯扭破坏的尺寸效应行为,采用三维细观数值模拟方法,考虑了混凝土细观组分的非均质性及钢筋与混凝土间的粘结滑移作用,建立了钢筋混凝土柱的纯扭作用数值模型。模拟分析了结构尺寸、纵筋率、配箍率和截面形状对钢筋混凝土柱抗扭破坏的影响。结果表明：钢筋混凝土柱扭转破坏表现为脆性特征,名义抗扭强度表现出明显的尺寸效应;纵向配筋对扭转强度尺寸效应影响不大;方形截面柱比圆形截面柱具有更强的尺寸效应;箍筋可以提高扭转强度,且可以削弱名义抗扭强度的尺寸效应。最后,修正了Ba?ant尺寸效应律,建立了全结构尺寸范围内的名义抗扭强度预测公式。