（固体力学专业论文）钢条混凝土粘结滑移关系的试验及有限元分析研究.pdf

北方交通大学硕士论文 见仍p 一摘要 回 本文研究钢条混凝土有限元分析中的粘结滑移模型。通过对s t e v i n 实验室利用全息干涉法研究的钢条混凝土粘结滑移特性的分析和总结， 利用大型非线性有限元软件d i a n a ，建立了两种基于不同的力学概念 的钢条混凝土粘结滑移计算模型。其目的是为了更好地了解加载过程中 钢条混凝土粘结界面的滑移脱落过程，以及钢条混凝土试样的局部及全 场应力应变状态。 实验部分，为了测定钢条混凝土界面粘结滑移的局部效应， 我们设计了钢条曝露在混凝土表面上的试样。钢条混凝土界面某 处的滑移量可以通过全息干涉法记录下来。试样受拉时的钢条端部滑移 量与荷载的关系用x - 一y 记录仪记录下来。这一拉伸试验是在s t e v i n 试验室完成的。实验结果表明：全息干涉法可以给出钢条混凝土粘结滑 移性能的定性研究的重要信息，可以从全息图上直观地看到钢条的脱落 位置；要定量地进行应力、应变分析，从条纹图上直接获得是可能的， 但是非常费时。 有限元分析模拟部分，是在s g i 工作站上利用大型非线性有限元 软件d i a n a 进行的。有限元模型是在与实验模型完全相同的几何模型 基础上建立的，该模型分析受拉钢条与矩形截面混凝土试样之间的相互 作用。有限元分析计算滑移脱落过程，是基于两种不同的力学概念建立 起的滑移准则基础上进行的，一种是基于极限应力状态，即最大剪应力 准则，另种是基于弥散裂纹概念的断裂力学准则。 用这两种计算模型得到的数值计算结果与全息干涉试验得到的试 验数据进行比较，得出的结论是：通过选择适当的输入参数，用有限元 分析的方法得出了与实验结果类似的载荷位移曲线；最大载荷出 现在界面完全分离前后；以断裂力学准则进行的有限元分析模拟更为合 理。 实验和借助商用有限元软件分析，这两种方法的结合使用，不仅 可以相互证明其合理性、f 确性，而且实验中定量分析费：c 费时甚至难 以达到的不足在有限元分析中迎刃而解。有限元分析可以提供比实验更 详尽更经济的有关信息，可以代替部分实验，是当前科学研究、 i 程应 北方交通大学硕士论文 摘要 用分析必不可少的有力的分析工具。 v 矣键词：全息干涉法 有限元分析钢条混凝土 粘结滑移模型 界面线接触单元 a b s t r a c t n e b o n d - s l i p m o d e lo f s t e e l c o n t r a c t h a s b e e ns t u d i e d i n t h e t h e s i s ，f i r s t ， h o l o g r a p h i ci n t e r f e r o m e t r ys t u d yo f t h es t e e l c o n t r a c tb o n di np u l l o u tt e s t i n g h a v eb e e np e r f o r m e di nt h es t e v i nl a b o r a t o r y s e c o n d ，b yt h ea n a l y s i sa n d s u m m a r yo ft h e s er e s u l t so ft h ee x p e r i m e n t s ，a c c o r d i n gt ot h eb o n d s l i p c h a r a c t e r i s t i e sb e t w e e ns t e e la n dc o n t m c t ，t h ei n t e r a c t i o nb e t w e e nap r i s m a t i c c o n t r a c ts p e c i m e na n das t e e ls t r i ps u b j e c t e dt oap u h o u tl o a d i n gh a sb e e n a n a l y s e dw i t ht h ef e mc o d eo ft h ed l a n ap a c k e t t w oc r i t e r i ah a v eb e e n e m p l o y e dt od e t e r m i n ed e b o n d i n gi nt h ef i n i t ee l e m e n ta n a l y s e s t h eg o a li s t oo b t a i nab e t t e ri n s i g h ti nt h ed e b o n d i n gp r o c e s su n d e ri n c r e a s i n gl o a d s ，a n d i nt h es t r e s ss t a t ei nt h ec o n c r e t es p e c i m e ni nw h i c ht h es t e e ls t r i pi s e m b e d d e d f o r 妣e x p e n m e n l s ，t or e n d e rp o s s i b l et h em e a s u r e m e n to fl o c a le f f e c t s ， s p e c i m e n sw e r ed e s i g n e dw i t has t e e ls t r i p se x p o s e da tt h ec o n c r e t es u r f a c e t h es t e e ls t r i pr e p l a c e st h er e i n f o r c e m e n tb a r i nt h i sc a s e t h es t e e l c o n c r e t e i n t e r f a c ei sa c c e s s i b l ef o r1 0 c a lm e a s u r e m e n t s l o c a ls l i pa tt h es t e e l c o n c r e t e i n t e r f a c ec a nb er e c o r d e db ym e a n so f t h eh o l o g r a p h i ci n t e r f e r o m e t r ym e t h o d n e p u l l r o u te x p e r i m e n t sh a v eb e e np e r f o r m e di nt h es t e v i nl a b o r a t o r y 丘t hr e s p e c tt ot h ec o m p u t e rs i m u l a t i o n t h ei n t e r a c t i o nb e t w e e na p r i s m a t i cc o n t r a c ts p e c i m e na n das t e e ls t r i ps u b j e c t e dt oap u l l o u tl o a d i n g h a sb e e na n a l y s e dw i t ht h ef e mc o d eo ft h ed i a n ap a c k e ti nt h es g l s t a t i o n t w oc r i t e r i ah a v e b e e ne m p l o y e dt od e t e r m i n ed e b e n d i n gi nt h ef i n i t e e l e m e n ta n a l y s e s 1 1 1 ef i r s ti sb a s e do nam e c h a n i c a ll i m i ts t a t ei n v o l v i n g d e b o n d i n gt ot a k ep l a c ew h e nt h es h e a rs t r e s si na ne l e m e n ts u r r o u n d i n gt h e s t e e is t r i pw i l le x c e e dt h eb o n ds t r e n g t h t h i si sa t t r i b n t e da st h em a x i m u m 北方交通大学硕士论文摘要 s h e a rs t r e n g t hc r i t e r i o n t h eo t h e ri sb a s e do naf i a c t u r em e c h a n i c sc o n c e p to f s m e a r e dc r a c k i n g t h ed e b o n d i n gp r o c e s si ss i m u l a t e da c c o r d i n gt ot h e s et w o d i f f e r e n tm e c h a n i c a lc o n c e p t s ac o m p a r i s o no ft h en u m e r i c a lr e s u l t so ft h e s et w oc a s e sw i t ht h e e x p e r i m e n t a ld a t ao b t a i n e di nh o l o g r a p h i ci n t c r f e r o m e l r y i n v e s t i g a t i o n s s h o u l dl e a r nw h i c ho f t h et w om e c h a n i c a lc o n c e p t sw o u l db em o r er e a l i s t i c k e y w o r d s ：h o l o g r a p h i ci n t e r o m e t r y ，f i n i t ee l e m e n ta n a l y s i s ，b o n d s l i pm o d e l ，s t e e l - c o n c r e t e ，l i n ei n t e r f a c ee l e m e n t j ! 立壅望查兰堕主堡苎。竺二翌! ! ! 生一 第一章综述 1 。1 选题背景 钢筋混凝土结构中，钢筋和混凝土这两种性质完全不同的材料能够 共同工作，且表现出的性能与单一材料相比，具有许多优越性，主要是 由于它们之间存在有粘结作用。这种粘结作用所涉及的微观力学机理是 非常复杂的，而且影响因素很多呷“7 l ，众多专家学者对这一问题进行 过大量的试验方法及数值计算方法的研究【1 2 一。“。“”“2 “3 。现 在对钢筋混凝土的粘结滑移实际机理还不很清楚，这主要是由于实验技 术的困难，从而导致分析模型的局限性。粘结滑移合理的实验模型及有 限元模型的建立仍然是目前重要的研究课题。 随着实验技术的发展，有限元方法的应用，以及电子计算机的不 断更新换代，对钢筋混凝土粘结滑移机理的研究有了进一步的发展。 光弹性是力学、光学和新技术相结合的学科，它是实验力学中的 一个分支。实验模型在载荷作用下，用偏振光照射并通过计算便能得到 模型表面及内部的应力变化规律。这种实验方法具有直观性强、可靠性 高、适应性广的特点。 有限元方法的应用给应力分析开辟了新的途径。有限元法发展至 今天，已成为工程数值分析的有力工具。特别是在固体力学和结构分析 的领域内，有限元法取得了巨大的进展，利用它已成功地解决了一大批 有重大意义的问题，很多通用程序和专用程序投入了实际应用。 有限元方法的应用可以分担某些实验任务，但不能代替实验，如 果把有限元和光弹性结合起来就可以多快好省地懈决问题。实验模型和 有限元模型是目前研究力学问题中最基本的模型，如果能把两种模型结 合起来，将对分析问题提供更大的方便。本文在这方面作一探索性的工 作，有待同行们作进一步的研究。 本文用矩形截面钢条代替圆截面钢筋，研究钢条混凝土界面的粘 结滑移性能。首先，用光弹性实验方法，通过建立合理的实验模型，确 定其界面脱落位蔑，并定性分析钢条混凝土界面粘结滑移局部及全场效 应。其次，用非线性有限元软件d i a n a ，通过合理地抽象其有限元模 ! ! 塑奎望查兰! ! ! ：堡兰一翌= 翌兰i ! 堇一 型，对钢条混凝土在加载过程中界面的滑移脱落过程和应力状态作了进 一步的研究。 1 - 2 国内外研究现状 l - 2 1 试验研究【1 2 1 7 1 1 2 1 1 单调加载条件下粘结滑移试验研究 1 试验方法 粘结滑移是一种极为复杂的物理现象，影响粘结应力性质的因素很 多，其中主要有：a 混凝土强度和组成成分；b 浇注位置的影响：c 钢 筋的表面粗糙度( 变形钢筋的外形) 影响；d 保护层厚度和钢筋间距的 影响；e 垂直压应力的影响；等等“6 】。这就使在试验室模拟粘结现象 相当困难。 目前采用的粘结试验大致有三类：拔出试验，拉伸试验和梁式试验。 ( 1 ) 拔出试验汹1 在拔出试验中常用的试样型式见表1 - ，拔出试验中应用的测量的 方法见表卜2 。 ( 2 ) 拉伸试验 试验装置简图见图卜l ，用来模拟两条主裂缝之间的界面粘结滑移 物理现象。拉伸试件的两端被认为是构件的两条主裂缝，试件的长度就 是主裂缝的假定间距。 幽1 1 拉伸试验装置简幽 北方交通大学硪士论文第一章综述 表卜l 拔出试验中常用的试样型式 北方交通大学硕士论文 第一章综述 表卜2 拔出试验中应用的测量的方法 n o 123 45 测量方法位移传应变测全息干声发射 显微镜 感器量仪涉法法技术 钢应变 +十+ 混凝土 + 应变 测平均粘 + 量结应力 值 粘结应 + 力分布 总滑移 + 局部滑 + 移 载静态 + 荷周期性 + + + 类冲击性 + 型 热效应 + 试样型式i v ii v，i i i l ，i v 说明：表卜1 中，“+ ”表示有效的方法，“一”表示该法失效，“，表 示应用受到限制。 ( 3 ) 梁式试验 针对某些实际构件进行试验，以确定构件的粘结强度及构造要求。 2 试验成果 通过上述几种试验方法，许多研究者得出了一些有关粘结滑移的试 验结果。由于试验方法的不同，对同样粘结长度的试验，试验结果是不 同的。 ( 1 ) 拔出试验中钢筋应力o ，及粘结应力t ，的沿轴分布曲线 钢筋位于混凝土圆柱体的中心，在钢筋的伸出端施加拉力，通过 承压板把反力传到混凝土中去。在试验中需要量测钢筋的应变分布。为 了避免改变混凝土与钢筋交界面的特性，应变片布茕在顺长方向锯丌钢 筋加工出的凹槽中，而后用环氧树脂等高分子材料把两半钢筋粘结超 北方交通大学预l 论文 第一章综述 来。量测出顺长各点的钢筋应变后求出应力。沿轴向两点间钢筋应力之 差即钢筋应力变化，除以接触面积。即近似等于粘结应力。拔出试验还 量测自由端滑移量或加载端滑移量与加载大小的关系。 这种拔出试验中量测的是钢筋应变，而粘结应力t 。是由钢筋应力 按平衡条件反推出来的。粘结应力与钢筋应力沿轴向变化率成正比，见 公式卜l ，式中d 为钢筋直径。 ，：生堕 _ 4出 ( 公式1 - 1 ) 图1 - 2 是a 【n s t u t z 在1 9 5 5 年作的螺纹钢筋拔出试验成果。图中上 部是荷载拉力p 作用下，钢筋沿轴线的拉应力分布图：下部是粘结应力 沿轴向的分布图。钢筋直径3 0 嗽，埋入混凝土长度3 0 c m 。每一加载等 级p 对应有一条分布曲线。对照图中上下两部分曲线，可知钢筋的实际 受力长度与粘结应力分布长度是一致的。需要说明，对于螺纹钢筋，由 于齿肋的咬合效应，又加之次生斜裂缝的产生，实际钢筋应力分布曲线 并非光滑的。这种现象受到试验手段的限制不易反映出来，特别是受电 阻片基长的限制及间距尺寸的限制，得到的试验结果带有某种平均的性 质，并非真实的局部应力分布图。 幽卜2 钢筋应力o ，及粘结应力t ，沿轴方向分布幽( 荷载p 单位为k n ) 北方交通人学颂i 二论文 第一章综述 ( 2 ) 粘结机理及粘结应力滑移曲线 光面钢筋的粘结强度由三部分组成：化学胶合力，钢筋与混凝土之 间的摩擦力，因钢筋表面粗糙不平产生的机械胶合力。光面钢筋的粘结 强度，在滑动前，主要是化学胶合力起作用；在滑动后，则是摩擦力和 机械胶合力起作用。变形钢筋则与此不同，虽然它的粘结强度也是有上 述三部分组成，但是主要是钢筋表面上的齿肋与混凝土的机械胶合力起 作用。 由于缺乏足够数量的系列试验资料，特别是局部滑移试验受到量 测技术的限制，使得局部滑移是很难量浸4 的。所以，在确定粘结应力 滑移关系方面存在着一定困难。目前，实用的方法是分别量测各 部位的钢筋位移和混凝土位移，指定部位的滑移量是两种位移之差。钢 筋的位移是经电阻应变片量测出钢簏应变值后经过数值积分所得。混凝 土位移量测是困难的。有的研究者采用特殊的电阻应变片埋在很靠近钢 筋与混凝土的交界面的部位上，以量钡4 混凝土的应变。混凝土应变是钢 筋顺长距离的函数，这种应变经数值积分后即得混凝土位移值。显然， 这种方法是一种近似的方法，其原因一是量测位置离交界面还有一段距 离，原因二是量测还受到应变片基长效应的影响。 单调荷载作用下的粘结应力滑移关系曲线( 即t s 曲线) 见 图1 - 3 所示，其特征如下： 加荷初期，粘结应力f s 0 3 5 r 。时，t s 曲线呈线性关 系。 当滑移增大，t 书关系就逐渐偏离直线，显示出定的塑 性性质。 当t 达到t 。后，随s 的增大，粘结应力t 降低，既t s 曲线呈下降段。 当滑移增大到s i s 。后，粘结应力收敛至t ，t ，为残余粘结 应力。 许多研究者进行了大量的工作，给出了多种t s 关系解析式，下 面介绍几种： h o u d e ”。”1 在1 9 7 3 年及以后针对不同的应力水平，不同的保护层 厚度，不同的混凝土强度，进行了一系列试验研究。在此基础上，他总 j ! 銮奎望墨堂堡二! ：丝塞堡二翌羔i ! ! ! 一 图卜31 s 关系特征曲线 s 结出了一个粘结应力滑移的经验公式，见公式1 2 ，式中：t 为粘 结应力( 单位m p a ) 。s 为滑移( 单位c m ) 。 r = 5 4 1 0 3 s 一2 5 7 1 0 6 s 2 + 5 9 8 x 1 0 8 s 3 5 5 8 1 0 o s 4 ( 公式1 - 2 ) n i l s o n 利用b r e s l e r 等人的试验资料，采用平均的滑移值，用三 次多项式的形式给出局部粘结应力滑移的关系式，见公式卜3 ，式 中符号意义及单位与公式卜2 相同。 f = 1 0 4 s 一5 8 5 1 0 6 s 2 + 8 5 3 1 0 8 s 3( 公式1 3 ) 清华大学陈晓明嗍在1 9 8 6 年进行了1 2 个拉伸试件的试验，试验 中设置了量测内部滑移的装置，通过试验数据分析，也总结了局部粘结 应力滑移的经验公式，见公式卜4 。式中，f t 为混凝土的劈拉强 度，t d 为相对保护层厚度，x 为距裂缝或构件端部的距离，t 、s 的 意义及单位与公式1 - 2 相同。 f = ( 8 6 1 s 一3 4 4 x 1 0 5 s 2 十4 2 2 3 x 1 0 7 s 3 2 1 5 1 0 7 s 4 ) ：形，( x ) ( 公式l 一4 ) 除了上述几种粘结应力滑移经验公式外，还有不少研究者提 出过若干表达式，其数学形式有指数函数、三角函数及高次多项式等各 7 ! ! 查奎塑查堂堡：! ：笙兰! 生墨! 至一 1 2 1 2 反复循环荷载条件下粘结滑移试验研究1 5 1 钢筋混凝土的粘结滑移性质在反复循环荷载作用下，情况更加复 杂。 b r e s l e r 在1 9 7 4 年采用精心设计的试验装置，观察了在反复循环 荷载作用下粘结退化现象。p e r r y ( 1 9 6 9 ) 进行循环加载下偏心拔出试 件试验。m o r i t a ( 1 9 7 3 ) 用试验方法研究了加载历史对局部粘结应力 滑移的影响。他们得出的结论是局部粘结的退化与损坏，与以往 加载历史中的最大局部滑移有关，而且在较低的滑移水平上，以往的滑 移量越大，粘结应力的阿氐就越多。 1 - 2 - 2 粘结滑移的有限元模型研究m ，1 8 1 钢筋与混凝土之间的粘结是一个异常复杂的问题，目前有两类数学 模型模拟方法，即采用双弹簧联结单元和交界面粘结单元。 1 - 2 _ 2 1 双弹簧联结单元 为模拟粘结滑移现象，在有限元分析中常采用的双弹簧联结单元， 如图1 4 所示。图中i 、j 两点之间用双弹簧联结单元联结，这种单元是 一组互相垂直的弹簧，可以分别传递两点之间的正向力和剪力。这种联 结单元具有弹性刚度，但没有实际几何尺寸。显然，它是一种力学模型， 并非实际构件。 在图l - 4 的局部坐标系中，有两个方向的弹簧剐度，即法向刚度 r 和切向刚度k 。其中，k s 是与暗销传递作用有关的刚度系数，如果 不考虑暗销作用，可赋予一个任意小值：k 的物理意义是指交界面上 的抗剪刚度，要确定它，需要用到上一节中的局部粘结应力滑移 经验公式。剪力f ，、法向力f s ，以及i 、j 两点沿r 、s 方向上的位移差 d ，、d 。，通过刚度系数联结起来，见公式卜5 。 阱降甜麓 c 矧吲 此单元有一定的局限性，这主要是因为它是一种人为添加的单个的 单元，它集中在一点上，用若干个这样离散的单元，试图反映钢筋与混 凝土之间交界面沿全长的粘结滑移特性。 北方交通人学坝i 论文 第一幸综述 凝土之间交界面沿全长的粘结滑移特性。 l 五- 2 2 交界面粘结单元 交界面粘结单元克服了双弹簧联结单元采用离散的单元模拟的缺 点，单元形式见图1 - 5 ，该单元也可称为四边形滑移单元。如图所示， 该单元有1 ，2 ，3 ，4 四个节点，单元长度为l ，宽度为0 ，这表示1 和4 点， 2 和3 点在开始时占有同一空间位置，其坐标点相同。所以说这种滑移 单元是一种退化的四边形单元，可以沿钢筋分布，不影响钢筋与混凝土 的几何划分。它可以采用与混凝土单元样的位移插值函数，因而可建 立起协调的关系。 图卜4 双弹簧联结单元图1 - 5 四边形滑移单元 图卜5 中，剪切力p ，、正向力p s 与上表面3 - 4 对下表面l 一2 的相 对滑移w ，( r ) 、相对法向位移w s ( r ) 的关系见公式卜6 ， 意暑 = 髟0 是 瑟曷 c 公式一e ， l b ( r ) j l心且职( r ) j 峪划屯 式中：k ，为钢筋与混凝土间交界面的切向刚度系数，可通过局部粘结应 力滑移经验公式确定：k 。为垂直与钢筋方向的刚度系数，目前还 没有可信的公式供使用。 1 3 本文研究目的 对粘结滑移有限元模型的研究，是一个非常有意义的课题，它对于 9 北方交通火学颁1 ：论文 第一章综述 在的问题，本文针对不同粗糙度的钢条，研究其粘结性质的特点，目的 在于建立一种适合于不同粗糙度钢筋特点的粘结滑移有限元模型，力求 使这种模型简单、实用，物理概念清楚，能较好地反映粘结滑移的本质， 而克服现有粘结滑移模型中所存在的问题。 1 4 本文工作 、， 叮斯：有关钢筋混凝土粘结滑移性能的试验以及有限元分析法的研究已有 很多专家学者作过工作。但由于试验技术的困难，已有的试验很难测定 局部滑移、钢筋周围混凝土的应变分布及沿钢筋的应力分布。为了能够 量测钢筋混凝土受拉时的局部效应，本文设计了钢条曝露于混凝土表面 的试样，用矩形截面钢条代替圆截面钢筋，采用全息干涉法记录钢条与 混凝土交界面的局部滑移。本文还采用有限元分析的方法，利用非线性 有限元软件d i a n a ，根据交界面的物理性质，基于两种不同力学概念， ， 建立了两种钢筋混凝土滑移准则，并分别进行有限元模拟计算。以求得 模拟计算与试验研究的比较，推进粘结滑移理论研究的进一步发展。 韭查奎望查兰堡生堡兰 塑三里壁塾丝塑整塑望塑二堕型! 苎一 第二章对粘结滑移问题的一般阐述 2 1 概述 在钢筋混凝土结构中，钢筋和混凝土这两种性质完全不回的材料能 够共同工作，且在各方面表现出来的性能与单一材料相比具有许多优越 性，主要是由于它们之间存在有粘结作用。这种作用使得它们的内力能 够在两种材料之间相互传递。粘结作用是钢筋混凝土结构的基本性能之 一。 钢筋受力后，由于周围混凝土的作用，钢筋内力沿纵向发生变化， 其表面上的剪应力t 为粘结应力。此时，由于钢筋与混凝土的变形不 同，接触面上将发生相对位移，这个相对位移即为滑移s 。本文所讨论 的粘结滑移关系郎为、s 关系。 工程设计中的很多问题，例如：受力钢筋的锚固和搭接，预埋件的 锚固等都取决于粘结力。此外构件的刚度和裂缝的计算，由于涉及受拉 区混凝土参与工作的程度，也必须研究粘结滑移性能。 对粘结滑移问题的研究，主要包括以下三方面的内容： ( 1 ) 局部粘结滑移量测方法的研究： ( 2 ) 粘结滑移本构关系数学模式及其影响因素的研究： ( 3 ) 有限元方法中，粘结滑移物理模式的研究。 对粘结滑移问题的研究，已经有了较长时间的历史，过去发表的众 多文献，大部分是属于( 1 ) 、( 2 ) 两部分的内容。近年来，随着电子计 算机的普及推广，许多学者试图用有限元法分析钢筋混凝土结构的受力 机理，这就使得对( 3 ) 的研究开展起来。 2 - 2 粘结滑移模式研究的意义 有限元方法有许多优点，与结构试验比较，它可以节省人力、物力、 财力；可以迅速全面地获得各种数据。因此，有限元法在钢筋混凝土结 构的分析计算中，得到了大量的应用。但是，我们知道，有限元法的应 用是以建立合理的有限元模型为基础的，没有合理的有限元模型，有限 元法就难以得到合理的结果，也就失去了其实际应用的价值。 北方交通大学硕士论文第二章对粘结邀麴避堕二墼型堕 粘结滑移模式的研究就是为了给钢筋混凝土结构有限元方法的应用 提供一种合理的粘结滑移模型而进行的。钢筋混凝土有限元，对粘结渭 移部分的处理，目前采取两种方式：( 1 ) 假定钢筋与混凝土之间完全 粘结，即两者之间不存在相对滑移；( 2 ) 考虑钢筋与混凝土之间的滑 移，两者之间加入粘结单元。 对于以上两种处理方法，我们认为：( 1 ) 仅适用于象板、壳等钢 筋分布较均匀的构件，因为这样的构件，粘结滑移对其影响不大。对于 大量的象梁、柱等钢筋分布较集中的构件，由于粘结滑移对它们的影响 较大，采用( 1 ) 的处理方式就不合理了。如我们分析梁柱节点的受力 和变形，此时粘结滑移的影响就不可忽略，因为粘结滑移使构件产生的 附加变形，一般占总变形的1 ，扣1 1 4 左右。这时必须采用( 2 ) 的处理 方式。由于粘结破坏导致结构破坏，在分析计算时更是考虑的重要因素。 对于这样的构件，我们在用有限元法分析计算时，钢筋与混凝土之间必 须插入粘结单元来模拟粘结滑移的影响。因此，粘结滑移有限元模型的 研究，是随着钢筋混凝土有限元的发展而发展的，它对钢筋混凝土有限 元的进一步完善，具有重要意义。 北方交通大学硕l 论文第三章试验分析 第三章实验分析 3 1 栩述 钢筋混凝土力学性能的实验研究，曾经已有许多专家学者研究过。 这些试验大部分是采用混凝土包围钢筋的钢筋混凝土试样完成的。这种 试验可以测定该试样受拉时的钢筋平均应变和钢筋端部的滑移量。但 是，在一般情况下，它很难测定周围混凝土某点的位移量、应变以及沿 钢筋的应力分布。 为了测定钢筋混凝土界面的局部力学性能，我们设计了用矩形截 面钢条取代圆截面钢筋，且钢条暴露在涸j 琵土表面- 上的试样。这样，钢 条混凝土界面的局部力学性能的测定成为可能。钢条混凝土界面某处的 滑移量可以通过全息干涉法记录下来。这一拉伸试验是在s t e v i n 试验 室完成的，采用二次曝光法实时记录钢条混凝土试样的力学性自铲- 2 9 1 。 3 _ 2 试验目的 本试验的目的是研究钢条滴蜓土交界面的粘结渖眵局部效应。试验 中我们采用三组不同钢条表面粗糙度的钢条混凝土试样，三组钢条表面 粗糙度的平均值万分别为：1 8 0 埘、5 4 5 a n 、8 7 8 肼l 。 3 - 3 试验原理1 2 ，1 4 , 1 5 ，2 9 1 由于激光光源的出现，使全息照相技术得到了迅速的发展，进而在 光弹性实验中也引用了全息干涉法。激光光源的重要特点在于：高单色 性、高方向性、高强度、高干涉性，另外还能从激光光源直接获得偏振 光。 3 - 3 1 光的干涉、衍射及全息照相术 3 每1 1 光的干涉 由于两束光波在不同相遇位置有不同位相差，它们合成后使得在有 些地方光强相消，而在另一些地方光强相长，这种现象就称为光的干涉。 北方交通大学颂| 论义 第三帝试验分析 3 - 3 1 2 光的衍射 光源发出的光线穿过宽度可调的窄缝，在后面的幕上呈现清晰的 光斑。当窄缝宽度缩小时，幕上的光斑也缩小；但当窄缝宽度缩小到足 够窄( 与波长可以比较时) ，如果再继续缩小，这时幕上的光斑不但不 缩小，反而增大，而且光斑的亮度也发生变化，由原来均匀的分布变成 一系列的明暗条纹，条纹近似等距，中心亮度最大，两侧逐渐依次减弱， 这种现象称为光的衍射。凡光透过线性尺寸小到可以和光波波长相比时 的窄缝时，便发生光的衍射。 用相干光r 照射精细的平行光栅时，在此光栅的后面将透射出一 系列衍射光波r ，0 ，0 ”，见图3 _ l 。其中，毫不偏离入射波r 原方向 的衍射波r 称为零级衍射波，分居于零级衍射波两侧靠近零级衍射波 的两条衍射波o ，o ”为一级衍射波，依次还有二级、三级以及更高级 衍射波。一级衍射波0 的前进方向正是形成此光栅时的照射光的入射 方向。这正是全息照相术能够物光“再现”的原因。 丝【嘲 谗二二喙 他乏 ，7 ；。r ， 一7j ，7 。1 3 3 1 3 全息照相术 全息照相术是用干涉原理记录波前的一种方法。全息照相包括两 个过程：第一步，用与参考光相干的光束照射物体，使物体反射( 或透 射) 光波与参考光波在全息底片上产生干涉；将经过曝光的全息底片进 行显、定影等处理后得到物光全息图，它c 己录了物光的振幅和位相。全 息照相的一种光学系统原理图见图3 - 2 。第二步，用参考光沿原来方向 北方交通人学坝士论文籀三章试验分析 照射全息图，正一级衍射光波的波前与原记录的物光波前相同。沿正一 级衍射方向观察全息图可看到物体的虚像，如同观察到实际物体一样， 这是物光“再现”过程。物光“再现”的光学系统原理图见图3 3 。 t 襄者 图3 2 全息照相光学系统 图3 - 3 再现”光学系统 3 - 3 - 2 二次曝光法 在光弹性模型未加载( 或有初载) 时，使全息底片曝光一次，全 息底片上有了一个空载( 或初载) 模型物光全息图的潜像。然后，对模 型加载，再使该全息底片第二次曝光，全息底片上又有一个承载模型物 光全息图的潜像将经过两次曝光的全息底片进行显、定影处理得到二 次曝光法的全息图，它包含空载( 或初载) 模型物光全息图和承载模型 物光全息图。 将二次曝光法的全息图进行再现，就同时再现出空载( 或初载) 模 型物光波前和承载模型物光波前。我们沿难一级衍射方向观察或用照相 机拍摄，将看到或拍摄到这两个波前的干涉条纹，即看到或拍摄到有干 涉条纹模型的虚像。 3 - 4 试验试样 3 - 4 。1 试样形式 本文试验所用的钢筋混凝土试样制作成四棱柱混凝二卜中问插入等 些塑奎望查兰堡! ：堡苎羔童堕l j 型垒竺! ! 一 截面钢条的形式，见图3 4 。 浇注混凝土方向 闰3 - 4 试样详细几何尺寸图 3 4 _ 2 所用材料 3 _ 4 - 2 1 混凝土 用波特兰水泥制成的普通混凝土。水泥质量占总质量的2 5 ；水 灰比为0 4 0 ( 质量单位) ；使用6 个尺寸等级的天然骨料，尺寸大小及 含量见表3 1 。 表3 - 1骨料尺寸及含量 i 骨料尺寸o n m ) 弘44 - , - 2扣l1 - 0 50 5 - - 0 2 50 2 汕1 2 5 i 含量百分b e c 嘲 2 52 01 52 01 01 0 3 4 _ 2 - 2 钢条 钢条采用冷拔钢，详细几何尺寸见图3 4 。按不同表面粗糙度制作 三组钢条，每组6 根，见表3 - 2 。为了获得需要的钢条表面粗糙度，在 浇注混凝土前，钢条要进行喷砂处理。 表3 - 2 钢条表面粗糙度 试样编号 尺。 s a n 】 均值 123456r 。 a m 组别 a1 8 51 8 51 ，8 01 7 51 8 01 ，7 51 8 0 b5 0 56 0 55 3 05 5 05 7 05 1 05 4 5 c8 6 08 7 58 7 58 5 08 8 59 1 08 7 5 堡堕塑生壁型翌主兰兰一 塑兰茎堕竺坌堑 3 4 _ 3 试样准备 在一个钢模中同时浇注3 个拉伸试样，见图3 - 5 。浇注期间，钢条 被垂直固定。在进行一组6 个钢筋混凝土试样制作的同时，用类似的钢 模浇注6 个混凝土梁，以备试验混凝土劈拉强度等性能指标使用。组 试样所需要的混凝士在个3 5 升的容器中制成。水和水泥混合3 0 秒， 然后再加骨料混合6 0 秒。混合完成后，把混凝土分两层浇注在钢模中， 每层都要振荡。浇注完养护3 天后脱模。 图3 - 5 钢模 一! ! 警里的试样在相对湿度1 0 0 ，温度2 0 的环境中养护2 7 3 0 天 后即可用来试验。试验之前，试样用金冈| j 石锯锯成如图3 ：j 晶形菇。、 幽3 - 6 试样准备i i 科 j ! 查窒望查兰堡：! 丝苎笙三至翌兰堑! 塑一 3 - 5 试验：过程和设备 本试验采用全息干涉法利用二次曝光法进行记录。光学元件和加 载装置布置在全息照相桌上，见图3 - 7 。加载装置见图3 - 8 。逐级增量 加载，并记录下每一级载荷的全息图。在加载臂上夸置两食应挛仪来控 制拉力大小。 圈3 - 7 试验设备 图3 - 8 加载装置示意幽 载荷指示仪 加载臂 框架 钢条 混凝十 全息照相桌 位移传感器 北方交通大学硕七论义 第三章试验分析 使用8 w 的氨气体激光器作为光源在a g f ag e a v e r t1 0 e 5 6 ( n a h ) 底片上拍摄全息图，曝光的底片用g s p 显影剂进行处理，由 此再现全息干涉图或冲洗相片。 混凝土端部和钢条端部之间的相对位移通过位移传感器测量，并 连续记录在x _ 吖记录仪上，最大位移可达8 2 p 3 0 r a m 。 3 6 试验结果 3 每1 混凝土机械性能 3 - 6 - 1 1 劈拉强度 养护2 8 天的4 0 m m x 4 0 m m 1 6 0 m 的混凝土梁进行b r a z i l i a n 劈 拉试验，见图3 - 9 。每一根梁近似等距地劈裂成3 部分，见图3 1 0 。 图拍劈裂试验 幽3 - 1 0 、滟凝十梁的劈裂形式 9 韭查奎翌查兰堡：! 笙苎 笙兰! 垡墼坌! ! 一 劈拉试验的结果见表3 - 3 。劈拉强度l 用公式3 1 进行计算。 表3 - 3 劈拉试验结果 劈拉试验 试样 “a b ”部分 “b c ”部分 。 编号 尽剐f t 。啤吣b 删 ， i v w a p 皿a 】 a 18 9 1 3 5 68 6 33 4 5 a 21 0 9 84 3 99 4 53 7 8 4 31 0 7 74 3 11 1 1 74 4 7 3 8 3 a 48 7 83 5 11 1 7 64 7 0 a 59 o o3 6 08 9 1王5 6 a 61 2 3 14 9 2 9 1 73 6 7 b 11 1 84 7 2 1 0 64 2 4 b 21 1 04 4 09 73 8 8 b 39 1 4 3 6 61 0 4 64 1 8 4 0 4 b 49 3 9 3 7 69 9 63 9 8 b 51 0 7 l4 2 81 1 2 44 5 l b 68 93 5 6 9 5 03 8 0 c 19 0 83 6 3 8 03 2 0 c 2 1 0 9 54 3 81 0 o4 0 0 c 31 1 6 74 6 7 1 2 1 44 8 6 4 1 3 c 41 0 4 8 4 1 9 1 0 4 14 1 6 c 51 1 2 7 4 5 l8 6 43 舶 c 67 7 53 1 0 7 83 1 2 矗= n 6 4 等 ( 膨p 口) ( 公式3 一1 ) 式中：f s 最大劈拉力眦川； a s - 螃拉试验所有试样的横截面积【m 2 】。 3 6 - 2 钢筋混凝士粘结滑移性能 3 - 6 - 2 1 拔出试验结果 从试验 己录的干涉图上，可以看出钢条和混凝土发生相对滑移的起 始位冒，见图3 一1 1 。三组试样拔出试验中均记录了载荷位移曲线 和干涉图，每组试样的实验结果有相似的规律，在此只列出部分试样的 北方交通大学硕士论文笫三章试验分析 记录结果，见图3 - 1 2 ( a ) ( d ) 。 1 钢条埋入混凝土全长 1 d 一钢条脱落部分长度： 一全息图编号： f = i 0 - - 2 7 5 k n 中， 1 0 一第一次曝光时的载荷， 2 7 5 第二次曝光时的载荷。 图3 - 1 1 全息干涉图示例 最大剪应力以及摩擦阻力达到常值时的剪应力分别用公式3 - 2 、公 式3 - 3 计算： 。= 等 ( 公式3 - 2 ) ， o2 ( 公式3 3 ) 式中，f - 拉力叶心】： f 。f 嘴大拉力脚n 叼； f 广摩擦阻力达到常值时的拉力 d 叼； a _ 嘲条和混凝土之间的接触面积【m z 】。 试验测得的最大拉力f m 。及常数摩擦阻力f r ，计算得到的最大剪应 力f 。、常数摩阻对应的剪应力f ，及f ，p 列于表3 - 4 - 1 ：每种试样 三堕至望旦查堂堡主堡苎 塑兰主 蔓堕坌堑 的平均最大剪应力i ，平均常数摩阻i ，r f m a x ，对应于f 。的 平均位移万，对应于f f 的位移万等等，列于表3 铊。些试验结果 竺銎婪曼耋：。呈费弯试验开始前粘结已被破坏。这可能是因为准备试样 时用金刚石锯锯试样时产生的( 舍去的数据见表3 - 4 王” 平均剪应力f 位移占关系曲线见图3 1 3 。 。耋氅二! 竺璧：可以发现：b 组和c 组具有相似性，而与a 组( 钢 条表面粗糙度相对较光滑) 有较大的区别。 ” 三6 d l ls 0 崔d 23 0 暑2 0 当1 o 乱0 o 图3 1 2 ( a ) 试样a 4 的载荷债移曲线及干涉幽 图3 - 1 2 ( b ) 试样a 5 的载荷1 ：i ：移曲线及干涉幽 z)f也山u芷。二|卜f-石一3也 韭塑奎堡查兰型圭笙壅 笙兰翌堕鉴坌堑 图3 - 1 2 ( c ) 试样b 4 的载荷位移曲线及干涉图 佃叩暑加卵如如如趵们 一z，1一止山u芷okl3。-1一f1山 堡堕塑坠竖兰堡：燮一 笙兰童堕壁坌塑 2 5 邬叩加叩即如如m 三兰也uo苦u上no-1int 北方交通大学硕：i j 论文第三章试验分析 幽3 - 1 2 ( d ) 斌样c 6 的载荷位移曲线及干涉i ! i 韭查銮塑盔兰塑生堡兰 笙三垦蔓鉴坌堑一 表3 4 1 拔出试验结果 试样编号 f m 。t h , q, g - 。 m p a f ，剐1 j t m p a f ，f 。，。 a 12 2 51 4 11 _ 3 00 8 1 0 5 8 a 21 7 01 0 61 1 5o 7 2o 6 8 a 33 2 02 0 01 5 50 9 7o 4 8 a 41 8 01 1 2 50 7 00 4 40 3 9 a 54 0 02 5 0l - 4 0 0 8 7 5 0 3 5 a 62 1 51 3 4o 8 5o 5 3o 3 9 b l7 2 54 5 32 3 01 4 4o 3 2 b 2 1 1 1 06 9 42 6 01 6 20 2 3 b 31 1 4 57 1 63 o o1 8 70 2 6 b 47 8 0 4 8 7 52 7 01 6 90 3 5 b 5 8 6 05 3 7 52 8 01 7 5o 3 3 b 68 伪5 加 3 1 01 9 40 - 3 8 c 1 l o 2 06 3 71 o oo 6 20 1 0 c 2 lo 5 56 5 93 1 01 9 4o 2 9 c 31 0 0 06 2 53 0 0 1 8 7o 3 0 c a 8 9 05 5 6 3 3 02 2 5o 3 7 c 51 0 0 0 6 2 53 6 02 2 50 3 6 ( 3 6 9 a 05 8 7 52 6 01 6 2 5 o 2 8 表3 4 - 2 拔出试验结果平均值 试样组别 f 。【m 嗍 1 f m p a r l