冻融循环作用后圆钢管混凝土界面粘结性能研究

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钢管混凝土由于承载力高、抗震性能好等优点被广泛应用于实际工程中。近年来,我国北方发生的多起钢管混凝土构件低温破坏事故表明,深入研究冻融环境下钢管混凝土结构的力学性能对于保证寒冷地区钢管混凝土结构的安全至关重要。钢管混凝土的界面粘结滑移性能是钢管和混凝土间共同受力与协调变形的基础。目前,国内外对钢管混凝土界面粘结性能的研究主要集中于常温、高温环境下,对冻融环境下钢管混凝土界面粘结滑移性能的研究鲜有报道。已有研究表明,冻融循环作用后,混凝土的材料性能会发生一定程度退化,导致钢管混凝土构件界面粘结性能出现损伤,从而对构件的承载力产生较大的影响。基于以上背景,本文对冻融循环作用后钢管混凝土界面粘结滑移性能进行了试验研究、理论分析与数值模拟。主要工作和成果如下:(1)对21根圆钢管混凝土试件进行了冻融循环试验与反复推出试验。基于试验数据绘制了各试件荷载-滑移曲线及钢管外表面不同位置纵向应变分布曲线,展现了冻融循环后试件的宏观受力情况,以冻融循环次数、钢管壁厚、混凝土强度等级以及反复推出次数为主要参数,探究了各因素对荷载-滑移曲线趋势及粘结破坏荷载的影响。试验表明:冻融循环作用后的试件与未冻融试件的破坏形态与荷载-滑移曲线趋势均相似,P-S曲线均可划分为上升段、下降段和残余段;钢管外表面不同位置处纵向应变曲线大致呈指数分布;试件界面粘结性能随冻融循环次数增加而降低;提高钢管壁厚及混凝土强度等级可改善界面粘结性能,有效提高试件承载能力;反复推出加剧了试件界面粘结性能的损伤。(2)绘制了各因素与界面粘结强度与滑移关系曲线,总结分析了各因素对界面粘结强度、滑移的作用机理与影响规律。分析结果表明,冻融循环次数增加使界面粘结强度逐渐降低、粘结滑移逐渐增大;增加钢管壁厚、提高混凝土强度,界面粘结强度与粘结滑移均呈增大趋势。在此基础上,通过回归拟合的方式,分别获得了界面粘结强度、滑移与冻融循环次数、套箍系数的计算公式,进一步提出了粘结强度、滑移受冻融循环次数和套箍作用耦合效应影响的计算方法,该方法可以对试验结果进行较好的预测;通过分析试件第一次推出界面平均粘结应力与加载端滑移关系曲线,建立了冻融循环作用后圆钢管混凝土粘结滑移本构关系模型。(3)利用ABAQUS有限元软件建立了考虑冻融循环影响的圆钢管混凝土推出试件数值分析模型,采用内聚力模型及库伦摩擦模型相结合的方式模拟钢管与核心混凝土间的粘结作用。将模拟结果与试验结果进行对比,验证了数值分析模型的适用性。以该模型为基础,对冻融循环次数、钢管壁厚、核心混凝土强度、钢管屈服强度进行了参数分析,采用冻融折减系数描绘各参数对界面粘结性能的影响程度的差异,结果表明:影响界面粘结性能的主要因素为冻融循环次数,钢管壁厚次之,混凝土强度与钢管屈服强度的影响较小。
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