界面性质及加载速率对钢筋混凝土梁影响的三维数值模拟研究

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钢筋混凝土结构在我国建筑工程领域中得到了广泛应用。钢筋混凝土是一种由基体、骨料、钢筋以及钢筋与基体之间的界面过渡区域组成的非均质多相复合材料,其中界面过渡区是钢筋与基体能够协同工作的关键,它作为基体与钢筋之间应力传递的桥梁,将性质有极大差异的钢筋与混凝土复合为一个整体,是钢筋混凝土的重要组成部分,工程实践表明,界面过渡区往往是钢筋混凝土构件首先产生破坏的区域,所以界面性能的好坏在很大程度上影响着材料的整体宏观性能和损伤机理。在实际工程中,钢筋混凝土构件不可避免的会受到具有持续时间短、峰值高等特点的冲击荷载的作用。由于在动荷载作用下钢筋混凝土构件的应力、应变及破裂机理十分复杂,而且界面存在于材料内部、性质特殊并且尺寸微小,在全面揭示界面性质对材料开裂破坏机理影响的研究方面,物理实验方法存在一定的局限性,目前的相关研究成果较少,而数值模拟方法可以很好的弥补物理实验方法中所存在的局限性,利用数值模拟方法研究动荷载下钢筋混凝土的损伤机理及界面力学行为对于结构的安全具有重要意义。本文针对界面强度、界面弹性模量与动态加载速率对钢筋混凝土梁力学性能的影响,在考虑钢筋混凝土梁各相材料细观非均匀分布的前提下,利用RFPA3D-Dynamic分析软件模拟了三点、四点弯曲梁在三维动载情形下的物理力学性能特征,实现了试件从裂纹萌生、扩展直至失稳破坏的全过程模拟,进行了界面弹性模量、界面强度以及动荷载加载速度变化对钢筋混凝土梁相关性能影响的数值模拟研究。(1)以界面过渡区的弹性模量为变量,建立了基于界面控制下的钢筋混凝土梁三点弯曲三维计算模型,研究了钢筋混凝土梁在动荷载作用下,其界面弹性模量对钢筋混凝土梁性能的影响。研究结果表明,界面弹性模量的变化对试件的最终破坏模式和破坏过程产生了显著的影响,随着试件界面弹性模量的增大,试件的破坏模式从以弯曲裂纹为主的弯曲拉裂破坏逐步变化为以斜裂纹为主的剪切破坏。同时界面弹性模量的变化也导致了试件声发射行为的变化,即试件耗能能力的变化,试件的耗能能力呈现先增大后减小的规律。试件在破坏过程中的峰值荷载也随着界面弹性模量的增大呈现先增大后减小的规律。(2)以界面过渡区的强度为变量,建立了基于界面控制下的钢筋混凝土梁四点弯曲三维计算模型,研究了钢筋混凝土梁在动荷载作用下,其界面强度变化对钢筋混凝土性能的影响。研究结果表明,界面强度的变化对试件的最终破坏模式和破坏过程产生了很大的影响,随着试件界面强度的增大,试件的破坏模式从以弯曲裂纹为主的弯曲拉裂破坏逐步变化为以斜裂纹为主的剪切破坏。同时随着界面强度的增大,试件的最大累计声发射能量呈现先增大后减小的规律,峰值荷载随界面强度的增大而增大,界面强度增大到基体强度附近时,试件的峰值荷载不再随之增加,逐渐趋于平稳。(3)以动荷载加载速率为变量,建立三组四点弯曲动态加载的数值模型,分别模拟了在不同的界面强度下,动态荷载的加载速率对钢筋混凝土梁试件力学性能的影响。研究表明,在不同界面强度下加载速度的影响可能不同,在低界面强度下加载速率的变化对试件的破坏模式产生的影响有限;而在中、高界面强度下的试件,加载速率对其破坏模式产生的影响较大,其中对中界面强度试件的影响更加明显。加载速率的变化对三组试件的破坏速度都产生了影响。试件的峰值荷载随加载速率的增大呈现先增大后减小的规律,但不同界面强度的试件达到最大峰值荷载时所对应的加载速率不同。累积声发射能量随加载速率的增大而增大,界面强度越低的试件产生的累计声发生能量越大。
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