多尺度模拟与分析：钢筋混凝土粘结界面损伤研究

2023-08-26 理论教育版权反馈

【摘要】：，I九个小图是钢筋与混凝土的有效粘结范围内的界面细观损伤状态，分别对应粘结性能系数与自由端滑移曲线中的A～I九个宏观性能状态点。

依据前述建立的钢筋混凝土拉拔试件的细观损伤分析模型，模拟计算拉拔试验过程中的粘结界面损伤演化直至试样拉拔失效过程，并对拉拔试样的粘结性能劣化进行分析。

1.拉拔力与自由端滑移之间的关系

模拟得到的拉拔试件失效过程中的拉拔力与自由端滑移曲线如图6.20所示。图中Fm为拉拔力峰值，sm为拉拔力峰值对应的自由端滑移，s0为拉拔力线性增长与非线性增长的自由端滑移临界值，为曲线上任意点的割线斜率。

pagenumber_ebook=187,pagenumber_book=177

图6.20　拉拔力与自由端滑移曲线

拉拔试件性能劣化导致失效的过程可以分为以下几个阶段：①随着自由端滑移的增长，拉拔力线性增长；②拉拔力达到其峰值的50%以后，随着自由端滑移的增长，拉拔力增长呈现出增幅不断减小的非线性；③拉拔力到达其峰值以后，随着自由端滑移的增长，拉拔力逐步减小。

将模拟得到的拉拔力与自由端滑移曲线与拉拔试验得到结果对比，可以发现两者在拉拔力到达峰值之前吻合得较好。拉拔力到达峰值后，模拟得到的曲线中的拉拔力随着自由端滑移增长不断下降，而拉拔试验中的拉拔力小幅下降后趋于稳定，这可能是由于模拟中未考虑界面局部脱粘后钢筋与混凝土之间的摩阻力导致的。综上所述，可以认为模拟结果较好地反映了粘结界面性能劣化过程。

2.粘结性能系数与自由端滑移之间的关系

上述模拟的拉拔力与自由端滑移曲线上每一点与原点的割线斜率随着自由端滑移的增长呈现出一种逐渐减小的趋势，这种趋势直观反映了界面粘结性能的劣化。以拉拔力与自由端滑移曲线上各点与原点的割线斜率作为拉拔试件失效过程中界面粘结性能的评价指标，称之为粘结性能系数，表示抵抗自由端单位滑移量所需的粘结力。那么粘结力F、滑移量s与之间存在以下关系：

根据拉拔力与自由端滑移曲线得到的粘结性能系数与自由端滑移曲线如图6.21所示。

pagenumber_ebook=188,pagenumber_book=178

图6.21　粘结性能系数与自由端滑移曲线

粘结性能系数与自由端滑移曲线可分为三个阶段：①粘结性能系数平稳段，对应拉拔力与自由端滑移曲线中的线性增长段，这一阶段可认为界面的粘结性能没有劣化；②粘结性能系数随自由端滑移大幅下降阶段，对应拉拔力增长到峰值和在峰值稳定的阶段，这一阶段界面的粘结性能开始衰减；③粘结性能系数随自由端滑移小幅下降阶段，对应拉拔力峰值后不断下降的阶段，这一阶段界面的粘结性能不断丧失。

3.钢筋混凝土界面细观损伤演化分析

拉拔试件粘结性能劣化主要是由钢筋与混凝土之间粘结界面上的细观损伤演化造成的。分析粘结性能系数与自由端滑移曲线中不同状态点所对应的粘结界面细观结构状态及其损伤分布情况，可深刻认识由细观损伤演化导致粘结性能劣化的机理。

拉拔滑移过程中粘结界面细观结构演化过程见图6.22。图中A，B，…，I九个小图分别表示拉拔滑移过程中九个细观构造状态，分别对应于粘结性能系数与自由端滑移曲线（图6.22中左下小图）上的A～I九个宏观性能状态点。从图中可以看出，粘结性能系数与自由端滑移曲线平稳段中A点时的细观结构状态中，粘结界面区内基本没有失效细观单元；在曲线大幅下降段中的B～E点时的细观结构状态中，失效细观单元的范围从加载端沿钢筋轴向往自由端扩展，主要分布在钢筋表层；从状态点E到F点时粘结性能系数由大幅下降段过渡到小幅下降段，对应的细观状态中，失效细观单元的范围由粘结界面区长度的40%增大到60%；曲线小幅下降段中F～I点时细观结构状态中，失效细观单元的范围逐步扩展至整个粘结界面，分布在钢筋表层的同时还在局部区域沿钢筋径向扩展，并且在H与I图中可以观察到失效单元的分布是不贯通的。

根据上述分析，可将拉拔过程中粘结界面区失效细观单元范围的扩展归纳为：失效细观单元范围的主扩展路径为从加载端沿着钢筋轴向在钢筋表层的砂浆细观单元往自由端扩展，在长度超过粘结界面区长度60%后，局部出现沿钢筋径向扩展与轴向扩展不贯通的现象。最终失效单元的分布与试验中钢筋混凝土拉拔试件发生钢筋拔出破坏时的情形是一致的，即钢筋上附着少量砂浆被拔出，界面区以外的混凝土看起来基本完好。

同时由图6.22可见，失效细观单元主要分布在砂浆细观单元中，基本上避开了粗骨料单元，这说明在模拟钢筋混凝土粘结界面损伤失效中考虑混凝土细观尺度上的多相性是必要的。

pagenumber_ebook=189,pagenumber_book=179

图6.22　拉拔滑移过程的粘结界面细观构造演化过程

上述界面失效单元分布和粘结性能系数与自由端滑移曲线的对应分析体现出粘结界面细观损伤演化对粘结性能有一定影响：当界面中无失效单元时，粘结性能系数不变，随着失效单元范围的不断增大，粘结性能系数逐步减小，说明失效单元范围沿钢筋轴向的扩展降低了界面的粘结性能。这是对粘结界面细观损伤演化对粘结性能的影响的一个初步结论。

下面对界面区的细观损伤演化过程进行更深入分析，进一步探讨界面细观损伤演化对拉拔试样宏观粘结性能的影响。钢筋混凝土试件拉拔滑移过程中界面细观损伤演化过程如图6.23所示。

图6.23中的A，B，…，I九个小图是钢筋与混凝土的有效粘结范围（长度80mm，参见图6.16）内的界面细观损伤状态，分别对应粘结性能系数与自由端滑移曲线中的A～I九个宏观性能状态点。对比图6.22与图6.23可以看出：界面损伤区的主要扩展方向与失效单元范围的一致，在粘结性能系数与自由端滑移曲线大幅下降段中的B～E点时的细观损伤状态中，界面损伤区与失效单元一样基本分布在钢筋表层的砂浆细观单元中，只是在钢筋轴向的范围大于失效单元范围，并且已损伤的细观单元损伤变量的值均是由0.7开始增长的，根据2.1.2节中砂浆细观单元弹性损伤本构关系中拉伸型损伤方程中的残余强度系数为0.7，当单元中的损伤为拉伸型时损伤变量的值不会小于0.7，可以猜测A～E点时的损伤区中界面中的细观单元损伤均为拉伸型；曲线小幅下降段中的F～I点时的界面损伤区的范围不仅在钢筋轴向大于失效单元范围，在钢筋径向比失效单元范围延伸的更多，并且在失效单元范围是不贯通的H与I点时的损伤区状态中可以观察到未脱粘区出现损伤变量值小于0.7的砂浆细观单元，可以判断这部分单元的损伤为压剪型。下面对脱粘过程中界面区的主应力分布情况进行分析，来验证上述猜想与判断。

pagenumber_ebook=190,pagenumber_book=180

图6.23　拉拔滑移过程的粘结界面细观损伤演化过程（彩图见附录）

图6.23中损伤区在状态B时对应的界面区主应力分布如图6.24所示。由图可知加载初期靠近加载端的界面区中应力较大，随着与加载端的距离增加第一主应力与第三主应力均迅速降低。图中黑色线框内为损伤区的范围，可以发现损伤区正是第一主应力最大的区域，该区域的第一主应力的最大值为10MPa，第三主应力的最小值为－4MPa，根据2.1.2节中细观单元双轴应力状态时的损伤类型判断准则，该区域的细观单元损伤类型为拉伸型。

pagenumber_ebook=190,pagenumber_book=180

图6.24　在状态B时的损伤区和对应的界面区主应力分布（彩图见附录）

图6.23中的状态E时损伤区及对应的界面区主应力分布如图6.25所示。由图可知，加载中期界面区中第一主应力较大的区域为未脱粘界面的加载端，即损伤区，而第三主应力绝对值较大的区域为已发生脱粘的区域和界面区的自由端，而损伤区中的第三主应力绝对值并不是最大的。损伤区中的第一主应力的最大值为10 MPa，第三主应力的最小值为－8 MPa，该区域的细观单元损伤类型为拉伸型。

pagenumber_ebook=191,pagenumber_book=181

图6.25　在状态E时的损伤区及对应的界面区主应力分布（彩图见附录）

综合上述对图6.24与图6.25的分析，可以发现粘结性能系数与自由端滑移曲线大幅下降段中钢筋混凝土界面未脱粘区中的加载端始终是第一主应力较大的区域，但不是第三主应力绝对值较大的区域，所以该区域为拉伸型损伤区，这也决定了这一阶段界面损伤区的扩展方向，即从加载端沿钢筋轴向往自由端扩展。

pagenumber_ebook=191,pagenumber_book=181

图6.26　在状态F时的损伤区及对应的界面区主应力分布（彩图见附录）

图6.23中状态F的损伤区及对应的界面区主应力分布如图6.26所示。由图可知，粘结性能系数与自由端滑移曲线中F点是粘结性能系数小幅下降段中的点，曲线小幅下降段对应的损伤区出现沿钢筋径向扩展和沿钢筋轴向无法贯通的现象，故分析此时的主应力分布来解释上述现象出现的原因，从图中还可以看出H损伤状态图中导致损伤发展不贯通的砂浆细观单元在此时第一主应力小于3 MPa，而第三主应力的绝对值大于15MPa，有发生压剪型损伤的趋势。由于砂浆单元的抗压强度约为其抗拉强度的十倍，故压剪型损伤砂浆单元的存在提高了剩余粘结区的承载力，使得粘结性能系数下降的幅度降低。

有关钢筋混凝土拉拔过程中混凝土与钢筋粘结界面区损伤演化的更多分析，有兴趣的读者可参阅参考文献［31］。

多尺度模拟与分析：钢筋混凝土粘结界面损伤研究

相关推荐