侧向拉/拉压组合应力状态下钢筋与混凝土的粘结性能

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在钢筋混凝土结构中,可靠的粘结是保证应力传递及钢筋与混凝土协同工作的基础。在结构设计或评估中,粘结强度是确定钢筋锚固或搭接长度的重要指标,而粘结滑移本构关系又是结构变形验算中的必要参数。当考虑地震作用以及爆炸、冲击荷载等影响时,钢筋混凝土结构内部应力状态极其复杂。此时,钢筋的粘结性能将受到周围混凝土复杂应力场的影响。当受力钢筋处于侧向拉或拉压组合应力下时,侧向应力会降低钢筋与混凝土之间的粘结强度。目前针对这两种应力状态对钢筋粘结性能影响的研究较少。因此,本文主要通过试验和理论手段研究了钢筋在侧向拉/拉压组合应力状态下的粘结性能。主要研究内容和结论如下:(1)通过中心拉拔试验,对侧向拉应力作用下光圆钢筋的粘结性能进行了研究,得到了主要粘结参数的预测模型。结果表明,在侧向拉应力作用下,光圆钢筋拉拔试件发生拔出破坏。随平均侧向拉应力的增大,相对粘结强度呈指数降低,随单轴侧向拉应力增加,相对滑移量先增大后保持不变;而当双轴平均侧向拉应力增大时,相对滑移量先增大后减小;(2)对侧向拉应力作用下光圆钢筋的粘结性能试验研究的结果表明,在相同的侧向压应力作用下,相对粘结强度和滑移量分别随侧向拉应力的增大表现出降低和增大的趋势,而当侧向拉应力保持不变时,随侧向压应力的增大,相对粘结强度和滑移量分别增大和降低。根据规律,提出了用以粘结参数的预测模型;(3)通过中心拉拔试验,研究了侧向拉应力对变形钢筋粘结性能的影响,提出了预测粘结参数的计算模型。结果表明,对于非对称月牙肋钢筋,侧向拉应力相对于肋的方向对变形钢筋的粘结性能有很大影响。当材料参数保持一定时,侧向不利拉应力水平pw越大,试件越可能发生劈裂破坏。若试件发生拔出破坏,其极限和残余粘结强度随pw增大而降低,但二者的比值基本保持恒定。相对粘结强度降低的速率随混凝土强度的增大而提高。同时,峰值粘结应力对应的滑移量随pw增大而减小。若试件发生劈裂破坏,混凝土强度、c/D以及pw共同影响极限粘结强度。当pw保持不变时,c/D越小,相对极限粘结强度降低越迅速。峰值粘结应力对应的滑移量的变化规律与粘结强度类似;(4)通过试验研究了侧向拉压组合应力作用下变形钢筋的粘结性能。结果表明,侧向拉压组合应力的施加方向影响变形钢筋的粘结性能。粘结破坏形态主要受混凝土强度、c/D以及拉压组合应力耦合水平ξ(=pt/ft+pc/fcu)影响。在拔出破坏形态下,极限和残余粘结强度随ζ增大而降低,但二者的比值基本保持恒定。相对粘结强度降低的速率随混凝土强度增大而提高,最大粘结应力对应的滑移量随ζ的增大而减小。若试件发生劈裂破坏,混凝土强度、c/D以及ζ共同影响极限粘结强度。ζ相同时,相对极限粘结强度的降低速率随c/D减小而增大;峰值粘结应力对应的滑移量主要与c/D以及ζ有关,其变化规律与极限粘结强度类似。根据规律,提出了用以预测粘结参数的计算模型;(5)在试验基础上,提出了同时适用于光圆钢筋和变形钢筋的局部粘结滑移本构关系。只要给定钢筋直径、保护层厚度、混凝土强度以及侧向应力状态,即可确定钢筋与混凝土的粘结滑移曲线。对比结果显示,预测结果与试验结果吻合良好。(6)基于线弹性理论,推导了均匀侧向拉应力作用下光圆钢筋的极限粘结强度。当考虑化学附着力影响时,预测结果与试验结果吻合良好。此外,通过参数分析研究了混凝土收缩应变、界面摩擦系数、锚固长度以及侧向应力作用半径与钢筋半径的比值对光圆钢筋粘结强度的影响。
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