粘聚力模型在裂缝扩展及锈蚀钢筋混凝土粘结滑移中的应用

摘要

钢筋混凝土结构是世界上使用最为广泛的结构形式之一，目前已成功应用于工业与民用建筑、桥梁、隧道、矿井、水利及海港等工程中。由于混凝土结构所用材料及所处环境的特点，使得混凝土结构不可避免地会出现开裂、性能劣化，最终产生耐久性问题。钢筋锈蚀会导致钢筋混凝土材料物理和化学性质的变化，并将最终影响钢筋混凝土构件的力学行为，钢筋锈蚀导致的混凝土构件力学性能退化是一个极其复杂的过程，如何评定不同锈蚀程度下混凝土构件的承载能力和延性等力学性能的改变具有重要的意义，但是目前关于导致钢筋锈蚀的劣化因素与混凝土构件力学性能改变之间的定量关系研究仍不足。故研究混凝土结构的破坏问题，特别是混凝土结构中的裂缝问题以及环境引起的混凝土结构耐久性问题十分有意义。以此为主线，基于扩展有限元与粘聚力模型研究了混凝土梁的受剪破坏过程，以及锈蚀混凝土梁受剪承载能力的变化情况。主要研究工作如下:
　　(1)基于扩展有限元法对混凝土梁剪压破坏进行了分析研究。尝试将扩展有限元法应用到钢筋混凝土梁的受剪破坏分析中，分析结果与已有研究吻合较好;基于混凝土受拉开裂的双折线模型推导出了粘聚力随裂缝张开位移的指数下降模型，更加符合混凝土开裂的实际情况;证明了扩展有限元法的适用性，可在分析混凝土构件的开裂问题中进一步推广应用;
　　(2)根据法拉第定律设计了三种不同锈蚀率的试件，对锈蚀钢筋混凝土梁进行了受剪破坏试验。观测了钢筋锈蚀引起混凝土保护层开裂的形式及裂缝宽度，研究了钢筋锈蚀对混凝土梁斜裂缝的形成、开展及构件承载性能等方面的影响，并通过回归拟合得到了锈蚀混凝土梁受剪承载力的计算公式;
　　(3)基于粘聚力模型，给出了锈蚀钢筋与混凝土间粘结-滑移的本构模型，计算得出了不同锈蚀率下混凝土梁的承载能力变化，并与试验结果进行了对比分析，表现出了良好的一致性，证明本模型能够很好地描述钢筋-混凝土界面的粘结-滑移关系。另外，还进行了参数分析，得到了模型参数对混凝土梁承载能力的影响规律，从界面层面上解释了钢筋锈蚀引起构件性能变化的原因。最后分析了钢筋纵向粘结强度非均匀分布的影响，证明了本模型的可扩展性。

目录

声明

致谢

摘要

第1章 绪论

1．1 研究背景及意义

1．2 国内外研究现状

1．2．1 扩展有限元(XFEM)的发展过程

1．2．2 钢筋锈蚀对钢筋混凝土构件产生的影响

1．3 本文研究目标及内容

参考文献

第2章 基于扩展有限元的钢筋混凝土梁剪压破坏分析

2．1 引言

2．2 粘聚力模型简介

2．3 扩展有限元法基本理论

2．4 钢筋混凝土梁的受剪破坏

2．4．1 与无腹筋梁试验结果对比

2．4．2 与有腹筋梁试验结果对比

2．5 小结

参考文献

第3章 锈蚀钢筋混凝土梁受剪承载力试验研究

3．1 引言

3．2 试验设计

3．2．1 试件设计

3．2．2 试件材料

3．2．3 试件制作成型

3．3 试验过程

3．3．1 钢筋加速锈蚀试验

3．3．2 试件加载

3．4 结果分析

3．4．1 锈胀裂缝

3．4．2 混凝土梁锈蚀破坏过程

3．4．3 钢筋锈蚀程度

3．4．4 试件荷载挠度曲线

3．5 锈蚀混凝土梁受剪承载力计算公式

3．5．1 有腹筋梁受力分析

3．5．2 实用锈蚀混凝土梁受剪承载力计算公式

3．6 小结

参考文献

第4章 基于粘聚力模型的锈蚀混凝土梁受剪承载力研究

4．1 引言

4．2 材料参数

4．2．1 混凝土本杓关系

4．2．2 锈蚀钢筋的力学性能

4．3 粘结滑移的数值模型

4．4 试验验证

4．4．1 与无腹筋梁结果对比

4．4．2 与有腹筋梁结果对比

4．4．3 参数分析

4．5 小结

参考文献

第5章 结论与展望

5．1 本文主要结论

5．2 本文主要创新点

5．3 研究展望

附录

作者简历及学习期间完成的科研成果