混凝土结构多尺度破坏分析中的界面粘结和截面抗剪问题

以细观尺度上的混凝土骨料砂浆界面粘结和宏观尺度上的混凝土构件空间抗剪性能为研究对象，进行试验研究和数值模拟分析。在细观尺度上，分别进行骨料和砂浆界面的粘结抗拉强度、粘结抗剪强度以及压剪耦合作用下的抗剪强度试验，以研究不同粗糙度、不同荷载工况下混凝土骨料与砂浆界面间的粘结机理；采用通用有限元软件进行数值模拟分析，研究骨料表面形状对界面粘结性能的影响。进而建立合理的界面粘结模型，并通过在混凝土材料破坏过程仿真分析软件中的应用对其进行验证。在宏观尺度上，主要进行钢筋混凝土柱斜向水平加荷试验，结合构件受剪破坏全过程的数值模拟分析，研究构件的空间抗剪机理和破坏形态，建立能反映构件抗剪性能的剪切弹簧的本构关系及复合受力状态下的破坏准则。对由于构件剪切破坏而引起的结构倒塌实例或试验模型进行仿真分析以验证剪切弹簧模型的适用性和正确性。为混凝土结构破坏过程多尺度数值模拟分析奠定理论基础。

以细观尺度上的混凝土骨料砂浆界面粘结和宏观尺度上的混凝土构件空间抗剪性能为研究对象，进行试验研究和数值模拟分析。.在细观尺度上，首先对骨料表面的粗糙度进行了定量分析；以此为基础选取表面经处理的大理石代替混凝土中卵石骨料设计特殊的试件，分别进行骨料和砂浆界面的粘结抗拉强度、粘结抗剪强度以及压剪耦合作用下的抗剪强度试验。结果表明：界面粘结抗拉强度约为砂浆抗拉强度的一半，轴向压力可提高界面的抗剪强度。对试验结果进行回归处理，获得了砂浆和粗骨料界面在复合受力状态下的破坏准则。将混凝土材料看作是由粗骨料、水泥砂浆以及两者之间的界面形成的组合体，基于离散单元法开发了混凝土材料破坏过程的仿真分析软件。对混凝土材料单轴、双轴受力过程的模拟结果表明建立的模型可以定量模拟材料破坏的全过程。作为拓展内容还通过数值计算研究了骨料分布、骨料形状以及初始缺陷等对混凝土性能的影响。.在宏观尺度上，进行钢筋混凝土柱低周反复加载试验，采用“空间桁架”式的位移计系统测得钢筋混凝土柱的剪切反应，揭示了构件中受弯、受剪反应的发展规律和构件受剪破坏机理。作为拓展内容还进行了钢筋混凝土剪力墙空间反复加载试验，探讨了剪力墙面内、外共同工作机理。基于多弹簧模型，构造构件层面的相对独立的剪切弹簧，将柱的受力机制分解为受弯机制和受剪机制，使新的多弹簧模型能较好地模拟构件的受弯破坏和受剪破坏。柱的仿真分析与试验结果的比较表明计算模型具有较好的适用性和准确性。将构造的剪切弹簧应用于基于离散单元法的钢筋混凝土框架结构倒塌分析，可以在结构倒塌分析中考虑柱剪切破坏对结构反应的影响。