钢筋混凝土粘结界面损伤演化及其对钢混结构响应的影响

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钢筋与混凝土粘结面上先天存在的缺陷及其损伤演化是导致钢混结构服役过程中性能劣化的主要因素之一。然而,传统的钢筋与混凝土粘结界面力学行为的研究是将粘结界面等效为一个面进行力学性能分析,缺乏对粘结界面上细观缺陷和演化过程的描述。为了克服传统方法的不足,本文重点考虑钢筋与混凝土粘结界面上客观存在的先天缺陷及其损伤演化的作用,将钢筋与混凝土之间的粘结界面等效为一个损伤等效层,应用连续性损伤力学理论,用连续损伤变量来描述粘结界面上的细观缺陷导致的损伤演化,在该粘结界面等效层上建立损伤演化方程。分析粘结界面上的损伤在钢筋混凝土构件拉拔过程中的演化及其引起钢筋混凝土构件损伤演化导致失效的机理。同时以钢筋混凝土简支梁桥为结构研究对象,建立了考虑粘结界面损伤的钢筋混凝土梁的有限元模型,分析粘结界面的损伤对简支梁整体结构力学性能的影响。具体而言,本文完成的主要工作和结论有:  在钢筋与混凝土的粘结界面层上,定义一个连续损伤变量来描述该界面上的细观缺陷对粘结界面力学性能的弱化作用;在此基础之上,建立了描述钢筋混凝土粘结界面损伤演化的方程。与传统的根据实测钢筋混凝土粘结应力-滑移关系反演得到的粘结损伤变量方程,以及根据连续损伤力学方法建立的粘结损伤增量方程对比,分析了三种方法各自的优劣。同时,根据建立的粘结界面等效层上的损伤演化方程,描述了粘结界面损伤演化规律。研究结果表明,所建立的粘结界面损伤演化方程,不但能够描述钢筋混凝土粘结界面上的损伤随粘结界面区的滑移量变化的情况,还能描述粘结界面上的损伤演化规律,因而能更好的揭示钢筋混凝土的粘结失效机理。研究结果表明:钢筋混凝土结构中的钢筋直径越小,其粘结界面上越容易发生损伤演化,粘结界面损伤演化速率也越快,更容易导致结构失效。粘结界面损伤-滑移量曲线清楚显示了钢筋混凝土粘结界面损伤演化过程的四个阶段:损伤萌生段、损伤迅速发展段、损伤缓慢发展段(滑移发展段)、损伤停滞发展段(结构破坏)。  分别将所建立的三种不同的粘结损伤演化方程耦合在所建立的钢筋混凝土拉拔构件的有限元模型中,通过有限元数值分析模拟了钢筋与混凝土粘结界面上的损伤演化过程,并对比分析了考虑粘结损伤和不考虑粘结损伤两种情况下的拉拔应力的计算结果。研究结果表明,在钢筋混凝土拉拔过程中,钢筋与混凝土之间粘结界面损伤不断积累和扩展,导致粘结性能逐渐劣化;粘结界面上的损伤演化加快了钢筋混凝土构件中的粘结失效过程。  应用本文建立的钢筋混凝土之间粘结界面损伤演化方程,进行了一钢筋混凝土梁桥的损伤案例分析。将该桥的主体部位简化为钢筋混凝土简支梁,根据有效应力概念建立了耦合损伤演化的梁结构响应分析方法,分别建立了考虑粘结界面损伤和不考虑粘结损伤两种情况的钢筋混凝土梁结构有限元模型,对比结构响应的分析计算结果,研究粘结界面上的损伤演化对结构响应性能的影响。研究结果表明,粘结界面上的损伤演化过程使该结构的性能逐渐劣化。由于梁端部区域的粘结界面应力最大,粘结损伤演化最先发生在梁的端部区域;随着荷载的增加,粘结损伤逐渐累积与向梁中间扩展,导致结构中钢筋与混凝土之间的粘结性能不断劣化。
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