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有許多土木工程建設(shè)需要用到鋼筋混凝土結(jié)構(gòu),由于這種應(yīng)用十分廣泛,因此如果能夠充分了解結(jié)構(gòu)中應(yīng)變差的變形原因和規(guī)律,將對工程的進(jìn)步產(chǎn)生巨大價值。在混凝土構(gòu)件的任意一步研究設(shè)計(jì)過程中,鋼筋內(nèi)部力學(xué)相應(yīng)的變化往往不被重視。在試驗(yàn)研究中,鋼筋混凝土常被視為線性構(gòu)件,在鋼筋混凝土有限元的情況下,鋼筋通常被簡化為線性單元。在諸多工程和實(shí)驗(yàn)研究實(shí)踐中,準(zhǔn)確測量鋼筋表面的應(yīng)變是荷載試驗(yàn)的重要基礎(chǔ),混凝土橋梁測量的鋼筋應(yīng)變主要是應(yīng)用在評估結(jié)構(gòu),評估其結(jié)構(gòu)以及強(qiáng)度的重要性能指標(biāo)。
不同表面的不同位置,測量的應(yīng)變值評估結(jié)果的變化與鋼筋內(nèi)的電壓梯度有直接的關(guān)系,研究過程中,增強(qiáng)不同位置的應(yīng)變差以及其相應(yīng)的變化規(guī)律等具有很重要的研究價值。從結(jié)構(gòu)理論、有限元分析和模型試驗(yàn)三個方面分析了采用同一混凝土梁配筋的拓?fù)浜痛瓮負(fù)浼捌渑c荷載的關(guān)系,而且研究的相應(yīng)應(yīng)變差在加載時有明顯的增大現(xiàn)象;在鋼筋性能測試之前,受壓鋼筋上下邊緣之間測得的電壓差比率很可能高達(dá)50%。因此,在做關(guān)于混凝土的測試數(shù)據(jù)的實(shí)驗(yàn)過程中,應(yīng)當(dāng)全面關(guān)注鋼筋直徑對實(shí)驗(yàn)結(jié)果產(chǎn)生的影響。
為研究鋼筋的工藝,需要對它的性能進(jìn)行深刻了解,其性能包含了許多影響元素。對于某些預(yù)印鋼材,根據(jù)不同產(chǎn)品的不同特點(diǎn),需要不同的要求。例如,正常鋼筋需要進(jìn)行彎曲和反向彎曲試驗(yàn)(反向彎曲),并且需要重復(fù)進(jìn)行彎曲、扭轉(zhuǎn)和纏繞試驗(yàn)。通過種種實(shí)驗(yàn),其形式模擬了材料的實(shí)際應(yīng)用,并闡明了有可能設(shè)計(jì)到的不用程度的工藝處理的方式,如必須連接或彎曲普通鋼筋,有時必須損傷預(yù)壓縮鋼絲等,因此,可加工性也是對材料塑性的要求。一般來說,高延伸率的鋼筋材料具有良好的加工性能。在檢查鋼筋時,第一步是查看材料的相關(guān)資料,比如質(zhì)量的證明書、材料的品牌證;第二步是全方面查看鋼筋的表面。每批鋼筋的結(jié)構(gòu)都應(yīng)當(dāng)要保證表面無裂紋,避免不必要的滾孔損傷。鋼筋表面不得超過鋼筋的橫向高度、深度和高度。缺陷不得超過允許值和位置偏差。每米支架的彎曲程度不得超過4mm;隨后,進(jìn)行力學(xué)性能試驗(yàn)時,若每批小于60t,則每批取兩塊,分別切割兩段進(jìn)行冷拉和曲率試驗(yàn)。在切割試件時,取下助力器兩端100mm~500mm處的助力器。當(dāng)試件超過60t時,應(yīng)使用其助力器。如果試驗(yàn)結(jié)果不符合要求,則應(yīng)對同一批次的兩個樣品進(jìn)行試驗(yàn)。在某些情況下,有必要對鋼筋的化學(xué)成分進(jìn)行更深入的分析。當(dāng)熱軋鋼筋在生產(chǎn)過程中出現(xiàn)脆性斷裂、焊接缺陷或機(jī)械性能明顯缺陷時,應(yīng)進(jìn)行特殊檢查,如化學(xué)成分分析等。
在有限元模型的理論研究和分析中采用了以下基本假設(shè):①平截面假設(shè);②小變形假設(shè);③鋼筋和混凝土具有良好的粘結(jié)性能,不會產(chǎn)生較大的相對滑動。在鋼筋混凝土柔性構(gòu)件的加載過程中,構(gòu)件的平均拉力可能更適合于平截面假設(shè),即混凝土中鋼筋和混凝土梁正截面縱向鋼筋的平均應(yīng)力為線性分布。在混凝土截面的牽引區(qū)域,由于橫截面上鋼筋和混凝土之間的相對漂移,上述假設(shè)的有效性可能會降低。
(1)基于上述假設(shè),可以研究鋼筋混凝土梁截面中的應(yīng)變分布。定義坐標(biāo)系后,可建立任意高度x處的應(yīng)變ε與截面曲率θ、受壓區(qū)高度xc之間的關(guān)系式為:
(2)鋼筋上、下緣應(yīng)變差值的表達(dá)式
將鋼筋上、下邊緣的坐標(biāo)代入式(1)可得鋼筋的頂面和底面的應(yīng)變。例如,對于受拉鋼筋,上緣應(yīng)變?yōu)椋?/p>
下緣應(yīng)變?yōu)椋?/p>
由此可得鋼筋上下緣應(yīng)變差為:
式中:d為鋼筋的直徑;h為截面高度;as為血壓強(qiáng)化保護(hù)層的厚度;a′s是受壓鋼筋保護(hù)層的厚度。等式(4)顯示了鋼筋上邊緣和下邊緣之間的應(yīng)變差。它取決于截面θ和直徑d中性軸的曲率。為定量分析Δεs,需給出θ的算法。
基于纖維模型,引入以下算法計(jì)算混凝土梁截面處中性軸的θ。沿截面高度方向,將整個截面分割為n條水平條帶。加載過程中,假設(shè)θ或xc的數(shù)值。首先,根據(jù)平截面假定,計(jì)算截面第i(i=1,2,3,…)條帶中心和鋼筋形心的應(yīng)變?yōu)椋?/p>
式中:εci是混凝土帶中心坐標(biāo)Xi的應(yīng)變;εs是鋼筋的質(zhì)心應(yīng)變。接下來計(jì)算混凝土帶和鋼筋的應(yīng)力。
鋼筋應(yīng)力為:
混凝土應(yīng)力為:
再次,利用截面上力的平衡條件,建立方程:
最后,通過迭代方法搜索混凝土xc和θ的值。
開展鋼筋混凝土梁模型實(shí)驗(yàn)主要是為了深入研究在加載過程中鋼筋混凝土橋梁中的:鋼筋頂面、底面的應(yīng)變差與荷載之間的關(guān)系。梁截面為矩形,寬度為150mm,高度為250mm,凈寬1700mm。采用直徑16mm(N1)的鋼筋作為電壓鋼筋,直徑12mm(N2)的鋼筋作為抗壓鋼筋。本工程混凝土強(qiáng)度等級為C35。
在梁的每根鋼筋跨中截面的頂部和底部各布置1 片應(yīng)變片,沿梁軸向的八等分凈跨徑的9個截面底面布置9個位移傳感器。
圍繞實(shí)測數(shù)據(jù),從以下幾個方面進(jìn)行了討論:①混凝土試驗(yàn)梁的失效特征;②鋼筋上、下緣應(yīng)變差與荷載的關(guān)系。③應(yīng)變差與荷載的關(guān)系;④受壓鋼筋與受拉鋼筋應(yīng)變差變化規(guī)律及其對比。
(1)混凝土試驗(yàn)梁的失效特征
加載過程中,結(jié)構(gòu)的響應(yīng)主要分為3個階段:彈性階段、工作階段和失效階段。上述特征與典型的混凝土梁的失效特征相同。
(2)鋼筋上、下緣應(yīng)變隨荷載變化的趨勢
從受力前2 號鋼筋的應(yīng)變、荷載隨時間的變化可以看出,加載時鋼筋的荷載時間、應(yīng)變-時間曲線的變化趨勢一致。比如,在一段時間內(nèi),加載的曲線出現(xiàn)較長的平臺,同時鋼筋頂部和下部的應(yīng)變也較長。另一方面,由式(2)(3)可知:εsu、εsd與h、as、as′、d、θ、xc有關(guān)。在這些參數(shù)中,只有θ和xc為變量,θ與荷載有關(guān)。由上述對比與分析可知:從試驗(yàn)梁內(nèi)鋼筋上測得的應(yīng)變是荷載作用下該結(jié)構(gòu)行為的真實(shí)反應(yīng)。因此,基于這些數(shù)據(jù)來分析鋼筋上、下緣應(yīng)變差與荷載之間的聯(lián)系是合適的。
(3)應(yīng)變差與荷載的關(guān)系
以2 號鋼筋為例,對試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行了分析,得到了各荷載峰值對應(yīng)于各荷載峰值的鋼筋應(yīng)變。從研究中提取對應(yīng)的步驟,然后計(jì)算鋼筋上下邊緣之間的應(yīng)變差,最后使用荷載橫坐標(biāo)和應(yīng)變差縱坐標(biāo)計(jì)算曲線上的數(shù)據(jù)點(diǎn)。同樣,在整個加載過程中,也可以得到1 號鋼筋的應(yīng)變差與加載的關(guān)系,邊緣應(yīng)力之間存在正相關(guān)關(guān)系。上下鋼筋及荷載按式(4)計(jì)算。鋼筋上下邊緣之間的應(yīng)變差取決于鋼筋的直徑和截面曲率。截面曲率的增加與構(gòu)件承受的荷載有直接的關(guān)系,換句話說,構(gòu)件承受的荷載越大就決定著截面得我曲率增大。因此,隨著載荷的增加,上下邊緣之間的應(yīng)變差也增加。
(4)受壓鋼筋與受拉鋼筋應(yīng)變差變化規(guī)律及其對比
在加載過程中,受拉鋼筋上下邊緣的應(yīng)變差比波動較大。隨著載荷的增加,應(yīng)變差會先迅速增大,然后迅速減小,最后趨于平緩。同時,鋼筋上下邊緣的應(yīng)力差與荷載的關(guān)系也不同。
通過對鋼筋混凝土構(gòu)件的受力過程及鋼筋、混凝土應(yīng)變變化規(guī)律的分析,發(fā)現(xiàn)由于牽引區(qū)混凝土開裂、損傷嚴(yán)重,導(dǎo)致混凝土構(gòu)件牽引區(qū)的應(yīng)力分布不符合平截面假定。眾所周知,水泥是一種附著力相對其他種類較弱的材料。當(dāng)對構(gòu)件施加力時,牽引區(qū)的混凝土將由于最大牽引力而迅速斷裂。隨著裂縫的進(jìn)一步擴(kuò)展和向上移動,中性段軸壓區(qū)逐漸增大,鋼筋的拉應(yīng)變迅速增大,同時,受拉區(qū)混凝土的安全性不斷減弱。受拉鋼筋和混凝土之間發(fā)生相對的滑移是受到荷載增大的影響,進(jìn)而導(dǎo)致受拉區(qū)變形與平截面假定之間存在較大偏差。
換而言之,在一個假設(shè)的理想狀態(tài)下,局部應(yīng)力分布與線性分布非常不同,這大大減小了鋼筋拉伸應(yīng)變之間的間隙。載荷緩慢增加,最終達(dá)到鋼的抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度,應(yīng)變逐漸趨于穩(wěn)定。因此,突變后的應(yīng)變率變得更加穩(wěn)定。相反,本發(fā)明的鋼筋具有良好的粘結(jié)性和屈服前的抗壓強(qiáng)度,從而保持混凝土的受壓區(qū)完好無損,同時,進(jìn)一步有效促進(jìn)了受壓鋼筋上下邊緣之間的應(yīng)變差的穩(wěn)定發(fā)展,并與荷載的增加保持同步。在此基礎(chǔ)上,總結(jié)了壓差與荷載的關(guān)系,為工程設(shè)計(jì)提供了科學(xué)依據(jù)。
本文主要針對混凝土梁中鋼筋內(nèi)部應(yīng)變差及其荷載的關(guān)系展開深入探究,其研究理論闡明了應(yīng)變差與中性軸截面上的曲率呈線性關(guān)系,有限元計(jì)算模型表明曲率與所施加的載荷成正比。
模型試驗(yàn)數(shù)據(jù)表明,鋼筋上、下邊緣的應(yīng)變差確實(shí)會和荷載產(chǎn)生相互的影響,并且呈現(xiàn)出正的線性相關(guān),荷載增加,應(yīng)變差也增大,反之也會一起減小,一直保持著這樣的關(guān)系。
同一鋼筋的上、下邊緣隨著荷載的增加而增大,其差值可達(dá)50%以上。結(jié)果表明,在進(jìn)行混凝土結(jié)構(gòu)應(yīng)變測量時,應(yīng)充分考慮鋼筋尺寸的影響。在混凝土結(jié)構(gòu)的科學(xué)研究中,要對鋼筋表面不同位置的應(yīng)變數(shù)據(jù)有全面考慮,應(yīng)注意理論研究和工程實(shí)踐中的模型(如荷載試驗(yàn)和沖擊試驗(yàn))中鋼筋三維尺寸造成的潛在影響。