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在重复荷载作用下,钢筋混凝土结构中无论是锚固端钢筋,还是裂缝面两侧的钢筋粘结区,由于钢筋拉应力的重复加、卸作用,粘结应力的分布不断地变化,促使粘结损伤的累积,相对滑移的逐渐增大,导致钢筋与混凝土间粘结的退化。粘结的退化对于钢筋混凝土构件在使用阶段的性能有影响,如钢筋粘结区的局部变形增大,受拉裂缝加宽,构件刚度降低,变形增大。有些构件在多次重复荷载作用下,可能因承载力下降而提前破坏。但是,目前国内外针对重复荷载下钢筋与混凝土粘结疲劳损伤、粘结滑移基本关系、粘结应力分布情况等问题研究很少。这些基本问题的研究对于进一步研究混凝土结构疲劳性能又是必不可少的。因此,有必要开展钢筋混凝土结构粘结疲劳性能的研究,并把粘结疲劳的影响引入重复荷载下混凝土结构各项性能中。
本文通过24个拉拔试件和6个梁式试件,采用试验研究和理论分析相结合的方法对钢筋混凝土结构粘结疲劳性能进行了研究,提出了重复荷载下锚同端和缝间粘结应力形状函数,幂函数形式的粘结滑移本构关系模型;基于上述粘结滑移基本关系,推导出静载和重复荷载下锚同长度和受弯构件裂缝宽度的计算公式,可为工程设计人员参考。最后,根据重复荷载下峰值滑移量和残余滑移梁的发展规律,定义平均损伤变量,提出了粘结疲劳损伤演化方程,并建立了考虑失效概率的粘结疲劳方程。论文主要研究内容和成果如下:
通过拔出试验研究了锚同端粘结疲劳性能。试验中考虑四个应力水平,并制作了四个混凝土对比构件。试验考察了重复荷载下粘结破坏形态、钢筋峰值应变和残余应变、自由端和加载端滑移发展特征,得出了重复荷载下钢筋与混凝土间平均粘结应力和自由端相对滑移曲线。研究结果表明:重复荷载下,自由端、加载端峰值滑移量和残余滑移量发展均符合疲劳破坏的三阶段特征。钢筋峰值应变由内凹向外凸发展。平均粘结应力和滑移在等量重复荷载下加、卸一次,构成一滞回环,除第一次和最后接近破坏几个滞回环外,中间滞回环上升段和下降段斜率变化不大。通过自行设计的梁式试验研究了缝间粘结疲劳性能。试验中考虑了三个应力水平,分别考察了重复荷载下裂缝位置(槽口)滑移发展特征、裂缝间钢筋峰值应变和残余应变、裂缝和挠度发展特征、荷载与滑移关系曲线。试验表明:重复荷载下,钢筋端部应力和滑移的滞回曲线在上升段斜率随着循环次数的增加而增加,接近破坏时,最大滑移量在0.2mm~0.3mm之间,可以认为重复荷载下钢筋与混凝土之间滑移量达到静载下钢筋屈服时对应的滑移量时,梁接近破坏。裂缝处钢筋滑移量的发展也表现出三阶段的疲劳破坏特征。裂缝间钢筋应变分布是中间大,两端小,随着循环次数的增加,裂缝中间位置钢筋应变峰值逐渐减小,导致应变梯度下降,反映出粘结性能的退化。
运用试验测定的钢筋应变,拟合了静载和重复荷载下锚固端、缝间粘结应力分布曲线,进而通过试验和理论相结合方法提出了重复荷载下两类情况的钢筋粘结应力形状函数。重复荷载下,锚固端粘结应力分布与静载下有本质区别,加载端附近和自由端附近分别形成了两个区域,随着重复次数、应力水平增加,加载端区域峰值粘结应力逐渐减小,自由端区域峰值粘结应力逐渐增大,粘结应力沿锚固长度出现明显的双峰现象。缝间粘结应力分布与静载基本相似,但随着重复次数的增加各点粘结应力逐渐减小,呈现三阶段的粘结性能退化规律。基于三个基本假定,拟合了重复荷载下锚固端三个阶段粘结应力形状函数。理论推导了静载下裂缝间粘结应力形状函数,根据循环荷载下粘结应力分布的变化特征,提出了考虑损伤演化的缝间粘结应力分布函数。
根据平均粘结应力和自由端滑移建立了静载和重复荷载下粘结滑移基本本构关系模型。首先试验数据回归出了峰值滑移量、残余滑移量、第一次峰值滑移量和残余滑移量之间关系的经验公式,进而根据粘结应力滑移变化特征,运用上述经验公式,建立起通过指数的变化来考虑粘结应力的增加速度的幂函数形式本构关系模型。该模型考虑到了应力水平和荷载重复次数,能从宏观上反映重复荷载下平均粘结应力和滑移基本关系。最后基于重复荷载下发生粘结疲劳破坏的条件是滑移量增加到静载下的最大滑移量的基本准则,理论推导了粘结疲劳寿命方程。
结合国内外已有的静载下局部粘结滑移基本关系,基于重复荷载下粘结滑移本构模型,理论推导了静载和重复荷载下临界锚固长度和裂缝宽度的计算公式,该公式和试验结果吻合较好。公式分析表明:在低应力水平下,重复荷载次数对锚固长度影响不大,在高应力水平下影响明显。重复荷载下,受弯构件由于残余滑移的累积,钢筋与混凝土间传递长度将随着重复次数的增加而降低,确定重复荷载下裂缝宽度需要考虑钢筋与混凝土间有效传递长度、裂缝附近的粘结应力、粘结滑移本构关系的变化。
根据试验结果,对钢筋混凝土粘结疲劳损伤演变规律和疲劳寿命预测进行了研究。由于自由端峰值和残余滑移量定义损伤变量的Dm,Dr的损伤发展规律相同,提出了考虑两因素的平均损伤变量。试验结果表明粘结疲劳损伤基本符合三阶段发展规律,第一阶段大概占整个寿命的10%,第二阶段占80%,第三阶段占10%,整体形状呈倒“S”型。基于修正的Miner准则和Chaboche基本理论,运用试验数据拟合出幂函数形式的损伤演化方程,并从试验上验证了该模型。本文还建立起考虑失效概率的粘结疲劳双对数方程。