高强预应力钢筋粘结性能试验研究及数值模拟

论文摘要

采用强度高、延性好、高质量的预应力钢筋作为配筋的预应力混凝土结构已成为大跨度、重荷载、结构性能优良的现代建筑发展的必然趋势。预应力混凝土用光圆钢棒、异形钢棒及螺旋肋钢丝就是近年来开发的高强预应力钢筋新品种。随着预应力钢筋强度的提高及钢筋外形的变化,加之抗震设计必须考虑的粘结退化,使得钢筋与混凝土之间的粘结锚固问题愈显突出。本文通过试验研究、理论分析和数值模拟,着重研究了光圆钢棒、异形钢棒和螺旋肋钢丝的粘结锚固性能,完成了以下工作: 1.通过6种不同外形钢筋的拉拔试件在单调加载下的拔出试验,研究了各种钢筋不同的粘结锚固破坏全过程,分析比较了各种不同外形钢筋与混凝土粘结性能的差异,并讨论了影响粘结锚固性能的主要因素。根据试验结果,给出了新型螺旋状高强预应力钢筋的粘结强度计算公式,公式计算结果与试验结果吻合良好。 2.对4种高强预应力钢筋在锚固长度较长的情况下进行了拔出试验研究,比较了各种不同外形预应力钢筋与混凝土的粘结性能,分析了锚固长度较长情况下各种因素对粘结锚固性能的影响,并在试验研究的基础上进行可靠度分析,给出了可供工程设计参考的螺旋肋钢丝和异形钢棒的锚固长度建议值,该值与《混凝土结构设计规范》的锚固长度设计值相比减少5d～20d。 3.针对异形钢棒和螺旋肋钢丝所特有的螺旋状外形,对两者在拔出过程中均产生的明显的转动现象进行分析,进而得出螺旋状预应力钢筋与混凝土之间的粘结作用机理。 4.通过光圆钢棒、异形钢棒和螺旋肋钢丝拉拔试件在重复荷载作用下的拔出试验,比较了3种不同外形高强预应力钢筋的粘结破坏特性的差异,并给出了3种高强预应力钢筋在等幅重复荷载作用下的特征荷载值与应力水平上限的关系式。 5.基于试验所确定的钢筋与混凝土基本力学性能指标,采用弹性接触问题有限元混合法,引入无厚度接触面计算模型,按空间轴对称方法模拟了钢筋与混凝土的粘结破坏全过程,数值计算结果与试验结果拟合较好。同时,利用该数学模型得到了钢筋与混凝土界面间的粘结应力分布情况。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 研究背景与意义
• 1.1.1 研究背景
• 1.1.2 研究意义
• 1.2 粘结的基本概念
• 1.2.1 粘结的意义
• 1.2.2 粘结的分类
• 1.2.3 粘结力的组成
• 1.2.4 粘结的破坏形式
• 1.3 钢筋与混凝土粘结性能研究的发展状况
• 1.3.1 钢筋与混凝土的粘结试验方法
• 1.3.2 影响钢筋与混凝土粘结性能的因素
• 1.3.3 粘结强度的计算公式
• 1.3.4 钢筋与混凝土的粘结.滑移本构关系
• 1.3.5 钢筋与混凝土粘结的有限元分析
• 1.3.6 材料及技术的发展与应用
• 1.4 本文的研究内容
• 2 高强预应力钢筋单调加载下的粘结性能试验研究
• 2.1 引言
• 2.2 试验概况
• 2.2.1 试验材料
• 2.2.2 试件设计与制作
• 2.2.3 试验装置和测试方法
• 2.3 不同外形钢筋单调加载下的试验结果与分析
• 2.3.1 光圆钢棒的典型荷载-滑移曲线
• 2.3.2 带肋钢筋的典型荷载-滑移曲线
• 2.3.3 螺旋肋钢丝和异形钢棒的典型荷载-滑移曲线
• 2.3.4 钢绞线的典型荷载-滑移曲线
• 2.4 锚固条件对平均粘结强度的影响
• 2.4.1 混凝土强度
• 2.4.2 保护层厚度
• 2.4.3 锚固长度
• 2.4.4 箍筋的配置
• 2.4.5 钢筋表面形状
• 2.4.6 钢筋直径
• 2.5 粘结强度的统计回归
• 2.6 劈裂抗拉强度与粘结强度的关系
• 2.7 小结
• 3 高强预应力钢筋的锚固可靠度分析及锚固长度设计建议
• 3.1 引言
• 3.2 试验概况
• 3.2.1 试验材料
• 3.2.2 试件设计与制作
• 3.2.3 试验装置和测试方法
• 3.3 试验结果与分析
• 3.3.1 光圆钢棒的荷载-滑移曲线
• 3.3.2 螺旋状预应力钢筋的荷载-滑移曲线
• 3.4 影响高强预应力钢筋粘结锚固性能的主要因素
• 3.4.1 钢筋表面形状对粘结性能的影响
• 3.4.2 锚固长度对粘结性能的影响
• 3.4.3 浇注混凝土时钢筋所处位置对粘结性能的影响
• 3.4.4 反复加载对粘结性能的影响
• 3.5 预应力钢筋的锚固可靠度分析
• 3.5.1 锚固极限状态方程
• 3.5.2 变量的统计资料
• 3.5.3 锚固的目标可靠指标
• 3.5.4 锚固长度的可靠度分析
• 3.6 预应力钢筋锚固长度的设计建议
• 3.6.1 锚固长度的确定
• 3.6.2 锚固长度的设计建议
• 3.7 小结
• 4 螺旋状高强预应力钢筋的外形特征及粘结机理探讨
• 4.1 引言
• 4.2 螺旋状高强预应力钢筋的生产技术
• 4.2.1 螺旋状预应力钢筋的生产方法
• 4.2.2 螺旋状预应力钢筋生产中的技术要求
• 4.3 螺旋状高强预应力钢筋的外形特征
• 4.4 螺旋状高强预应力钢筋的粘结机理分析
• 4.4.1 钢筋的粘结应力分布曲线
• 4.4.2 螺旋状钢筋的转角-滑移-粘结应力曲线分析
• 4.4.3 螺旋状钢筋的粘结拔出机理分析
• 4.5 对螺旋状预应力钢筋外形尺寸参数的改进建议
• 4.6 小结
• 5 高强预应力钢筋重复加载下的粘结性能试验研究
• 5.1 引言
• 5.2 试验概况
• 5.2.1 试验材料
• 5.2.2 试件设计与制作
• 5.2.3 试验装置和测试方法
• 5.3 不同外形钢筋重复加载下的试验结果与分析
• 5.3.1 等幅重复荷载下的试验结果与分析
• 5.3.2 变幅重复荷载下的试验结果与分析
• 5.4 小结
• 6 钢筋与混凝土粘结的数值模拟
• 6.1 引言
• 6.2 有限元模型
• 6.2.1 弹性力学空间轴对称问题
• 6.2.2 弹性接触问题的有限元方法
• 6.2.3 用有限元混合法求解弹性接触问题
• 6.3 钢筋与混凝土粘结的有限元计算
• 6.3.1 钢筋混凝土粘结的数学模型
• 6.3.2 钢筋混凝土粘结拔出过程的拟合
• 6.3.3 有限元计算结果
• 6.4 小结
• 7 结论与展望
• 7.1 结论
• 7.2 展望
• 参考文献
• 攻读博士学位期间发表学术论文情况
• 创新点摘要
• 致谢
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