多轴应力状态下钢筋与混凝土的粘结性能

钢筋与混凝土的粘结强度是结构设计的一个重要参数，而结构中钢筋与混凝土粘结部位的应力状态是影响其性能的重要因素。本项目拟采用试验和理论分析相结合，开展多轴应力状态下钢筋与混凝土粘结性能研究。在三轴试验机上，采用混凝土立方体拉拔试件研究多轴应力状态及不同应力比下钢筋与混凝土粘结强度的变化规律、与应力状态相关的粘结滑移本构模型。采用钢筋内贴片的方法研究多轴应力状态下粘结应力沿粘结长度的分布及粘结性能变化的内在机理。根据试验中粘结破坏的特点，引入I型及II型非线性断裂力学，建立多轴应力状态下钢筋与混凝土粘结破坏的断裂力学模型。根据试验获得的粘结-滑移曲线，建立基于粘结界面断裂参数的本构关系，采用非线性断裂理论推导锚固件发生粘结破坏时的承载力。该项目的研究成果不仅能揭示应力状态与粘结性能之间的关系，对粘结问题的本质认识也有重要意义，对复杂应力状态下的锚固工程也具有理论意义及工应用价值。

本基金项目主要采用试验研究结合理论分析的方法,开展在复杂应力条件下的光圆和变形钢筋与混凝土的粘结滑移性能的研究。首先，通过大量试验研究了光圆和变形钢筋在侧向压、拉以及拉压组合三种应力状态下的粘结性能。试验采用中心拉拔试件，考虑了钢筋直径、混凝土强度以及单/双轴复杂侧向应力的影响。试验中测得了复杂应力作用下的粘结应力-滑移曲线，选取了用以表征粘结性能的主要参数，并分析其与侧向复杂应力的关系。试验结果表明，施加侧向应力后，钢筋的粘结机理发生改变，而侧向应力对粘结性能产生极大影响。通过对试验数据的回归，提出了极限和残余粘结强度，以及峰值粘结应力对应的滑移量的经验表达式。当钢筋直径、混凝土强度以及侧向应力水平已知时即可确定以上粘结参数。试验中同时考察了自密实轻骨料混凝土在复杂压应力下的粘结性能，并对比其与普通混凝土的差别。其次，在试验的基础上，构造了可以同时描述光圆与变形钢筋在侧向压、拉以及拉压组合应力状态下粘结应力-滑移本构关系的模型。选取了合适的数学模型用以描述粘结应力-滑移曲线，并根据试验结果校准了相关参数。只要给定钢筋直径、混凝土强度以及侧向应力水平，即可确定钢筋与混凝土的粘结应力-滑移曲线。该本构关系可以为考虑复杂应力影响的钢筋混凝土构件的有限元分析提供参考。最后，借助弹性力学及断裂力学，对光圆和变形钢筋的粘结性能进行了理论研究。运用弹性理论，假定材料均匀与连续性，在粘结界面紧密接触的基础上解析推导了光圆钢筋在侧向复杂压应力及均匀拉应力作用下的粘结强度，并对影响计算结果的参数进行了敏感性分析。基于粘聚力的虚拟裂缝模型，对变形钢筋粘结试件的劈裂破坏进行了理论分析。假定虚拟裂缝面线性分布，同时假定内层混凝土开裂区满足等效弹性周向变形。粘结强度的理论计算结果与试验结果吻合良好。