CN116312887A - 一种高温后钢筋-混凝土粘结强度的确定方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种高温后钢筋‑混凝土粘结强度的确定方法,包括:获取高温后混凝土力学参数,高温后混凝土力学参数包括高温后混凝土的弹性模量、抗拉强度和极限拉应变;根据高温后混凝土力学参数,确定高温后混凝土的三段式受拉本构模型;根据厚壁圆筒模型和弥散裂纹假设,基于三段式受拉本构模型求解径向应力最大时对应的混凝土开裂区域半径;根据径向应力最大时对应的混凝土开裂区域半径,求出高温后混凝土保护层对钢筋的最大径向应力;根据钢筋‑混凝土粘结强度与最大径向应力的关系,确定高温后钢筋‑混凝土的粘结强度。本发明可以有效模拟高温后钢筋与混凝土的粘结强度,预测结果准确,实用性强。
Description
技术领域
本发明涉及钢筋-混凝土粘结强度计算方法技术领域,具体地,涉及一种高温后钢筋-混凝土粘结强度的确定方法。
背景技术
火灾是建筑结构在其服役期间最为频发的灾害之一,大量工程案例表明,钢筋混凝土结构在火灾后仍可保留一定的残余承载力,可在合理设计条件下继续投入使用,从而避免经济和资源浪费。研究表明,承受500℃内高温后,钢筋的力学性可以部分恢复,然而钢筋-混凝土的界面粘结性能却会发生显著劣化,严重影响着钢筋和混凝土两种材料的的协同受力。在此背景下,如何考虑高温后钢筋-混凝土的界面粘结性能已成为当前火灾后钢筋混凝土结构设计的难题。
目前常温下钢筋-混凝土的粘结强度确定方法已经得到了系统研究,并形成了较为成熟的设计方法。但针对高温后钢筋-混凝土界面性能,现有研究大多基于界面拉拔试验,通过数据拟合得到高温后钢筋-混凝土粘结强度的经验表达式。这些经验公式虽然形式简便,但与试验条件的相关性大,且无法考虑钢筋直径、混凝土强度等设计参数的影响,因而在实际工程中应用受限。
发明内容
针对现有技术中的缺陷,本发明的目的是提供一种高温后钢筋-混凝土粘结强度的确定方法。
根据本发明的一个方面,提供一种高温后钢筋-混凝土粘结强度的确定方法,该方法包括:
获取高温后混凝土力学参数,所述高温后混凝土力学参数包括高温后混凝土的弹性模量、抗拉强度和极限拉应变;
根据所述高温后混凝土力学参数,确定高温后混凝土的三段式受拉本构模型;
根据厚壁圆筒模型和弥散裂纹假设,基于所述三段式受拉本构模型求解径向应力最大时对应的混凝土开裂区域半径;
根据所述径向应力最大时对应的混凝土开裂区域半径,求出高温后混凝土保护层对钢筋的最大径向应力;
根据钢筋-混凝土粘结强度与最大径向应力的关系,得到高温后钢筋-混凝土的粘结强度。
进一步地,所述获取高温后混凝土力学参数,其中:
高温后混凝土抗拉弹性模量Et,T与常温下混凝土抗拉弹性模量Et,0的关系表达式为:
其中T为混凝土经历的最大温度;20℃<T≤800℃;
高温后混凝土抗拉强度ft,T与常温下混凝土抗拉强度ft,0的关系表达式为:
其中T为混凝土经历的最大温度;20℃<T≤800℃;
高温后混凝土的极限拉应变εct,T的表达式为:
进一步地,所述确定高温后混凝土的三段式受拉本构模型,其中:高温后混凝土的三段式受拉本构模型为:
σt,T(r=Et,T·εt,T(r;εt,T(r≤εct,T;
其中,σt,T(r)为高温后半径r处混凝土环向应力,εt,T(r)为高温后半径r处混凝土环向应变,β为混凝土的软化系数,ε1,T为混凝土三段式受拉本构模型中斜率变化处对应的拉应变,εu,T为混凝土三段式受拉本构模型中应力为0的点对应的拉应变。
进一步地,ε1,T和εu,T的表达式分别为:
其中,hc为裂纹长度特征值,Gf,T为高温后混凝土断裂能。
进一步地,所述求解径向应力最大时对应的混凝土开裂区域半径,包括:
根据厚壁圆筒模型和弥散裂纹假设,将混凝土保护层分为开裂内部与未开裂外部,径向应力最大时对应的混凝土开裂区域半径Ri,T cr的计算方程为:
其中,pc,T是高温后混凝土保护层对钢筋的径向应力,Ri,T为开裂界限半径,Rb为钢筋半径,Rc为钢筋中心到混凝土外侧最小厚度;I为开裂区域混凝土环向拉应力的合力。
进一步地,I的分段表达式为:
其中,Ia与Ib取值分别为:
其中εt,T(Rb)表示钢筋与混凝土界面处,高温后混凝土的环向应变;εt,T(Rb)的表达式为:
其中,R1,T表示高温后混凝土的应变为ε1,T时对应的半径,Ru,T表示高温后混凝土的应变为εu,T时对应的半径;R1,T和Ru,T的表达式为:
进一步地,所述求出高温后混凝土保护层对钢筋的最大径向应力,包括:
进一步地,所述根据钢筋-混凝土粘结强度与最大径向应力的关系,得到高温后钢筋-混凝土的粘结强度,包括:
根据钢筋-混凝土的荷载传递关系,得到粘结强度τT,max的表达式:
进一步地,在所述求出高温后钢筋-混凝土的粘结强度之后,还包括:根据箍筋对高温后钢筋-混凝土的粘结强度的增强效应,对高温后钢筋-混凝土的粘结强度进行修正。
进一步地,所述根据箍筋对高温后钢筋-混凝土的粘结强度的增强效应,对高温后钢筋-混凝土的粘结强度进行修正,包括:引入箍筋的增强系数Ksv,考虑箍筋增强后的粘结强度τT,max SV表达式为:
其中,ρsv为箍筋的配筋率,dsv为箍筋直径,Ssv为箍筋间距。
与现有技术相比,本发明实施例具有如下至少之一的有益效果:
本发明提供的高温后钢筋-混凝土粘结强度确定方法,可以考虑钢筋、混凝土强度等设计参数的影响,预测结果准确,实际工程中应用范围更广。
本发明提供的高温后钢筋-混凝土粘结强度确定方法,基于厚壁圆筒模型、弥散裂纹假设和高温后钢筋和混凝土的本构关系得到,同时考虑了钢筋的直径和形状、混凝土保护层的厚度、混凝土在高温后本构关系的变化等因素的影响,可以有效预测高温后钢筋-混凝土粘结强度,具有较好的精度,预测结果准确,实用性强,改善了关于现有钢筋-混凝土粘结强度确定方法的不足,能够为高温后钢筋-混凝土结构力学行为的分析提供有力技术支撑。
附图说明
通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述,本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显:
图1为本发明一实施例中高温后钢筋-混凝土粘结强度的确定方法的流程示意图;
图2为本发明一实施例中高温后混凝土的三段式受拉本构模型的示意图;
图3为本发明一实施例中厚壁圆筒模型及其受力分析示意图;
图4为本发明一实施例中粘结强度计算结果与实测值对比示意图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明,但不以任何形式限制本发明。应当指出的是,对本领域的普通技术人员来说,在不脱离本发明构思的前提下,还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。
本发明一实施例提供的高温后钢筋-混凝土粘结强度的确定方法,参照图1,该方法包括以下步骤:
S1、获取高温后混凝土力学参数,高温后混凝土力学参数包括高温后混凝土的弹性模量、抗拉强度和极限拉应变;
S2、根据高温后混凝土力学参数,确定高温后混凝土的三段式受拉本构模型;
S3、根据厚壁圆筒模型和弥散裂纹假设,基于三段式受拉本构模型求解径向应力最大时对应的混凝土开裂区域半径;
S4、根据径向应力最大时对应的混凝土开裂区域半径,求出高温后混凝土保护层对钢筋的最大径向应力;
S5、根据钢筋-混凝土粘结强度与最大径向应力的关系,得到高温后钢筋-混凝土的粘结强度。
在一些实施方式中,在步骤S1中,高温后混凝土抗拉弹性模量Et,T与常温下混凝土抗拉弹性模量Et,0的关系表达式为:
其中T为混凝土经历的最大温度;20℃<T≤800℃;
高温后混凝土抗拉强度ft,T与常温下混凝土抗拉强度ft,0的关系表达式为:
其中T为混凝土经历的最大温度;20℃<T≤800℃;
高温后混凝土的极限拉应变εct,T的表达式为:
在一些实施方式中,在步骤S2中,从微观层面来看,混凝土开裂后无法承受拉力,但是由于钢筋混凝土结构中钢筋受拉,而且混凝土中并非所有截面均有裂缝,因此即使在出现裂缝的情况下,混凝土在平均意义上仍然能够承受部分拉力。图2示出了基于弥散裂纹假设推导出的三段式本构模型,由于该模型是分段表示的,因此能够更加准确地描述混凝土在不同应力水平下的行为。根据国际结构混凝土协会ModelCode2010规范推荐的公式,高温后混凝土的三段式受拉本构模型为:
σt,T(r)=Et,T·εt,T(r);εt,T(r)≤εct,T;
上述三个表达式分别对应本构模型中的不同直线段。其中,σt,T(r)为高温后半径r处混凝土环向应力,εt,T(r)为高温后半径r处混凝土环向应变,β为混凝土的软化系数,β的取值根据具体试验确定,例如可以取值为0.15;ε1,T为混凝土三段式受拉本构模型中斜率变化处对应的拉应变,εu,T为混凝土三段式受拉本构模型中应力为0的点对应的拉应变。
在一些实施方式中,ε1,T和εu,T的表达式分别为:
其中,hc为裂纹长度特征值,hc的取值根据具体试验确定,例如可以取0.1m;Gf,T为高温后混凝土断裂能,近似认为Gf,T不随温度变化,可选用国际结构混凝土协会ModelCode2010规范中推荐的取值。
在一些实施方式中,在步骤S3中,根据厚壁圆筒模型和弥散裂纹假设,将混凝土保护层分为开裂内部与未开裂外部,开裂区域混凝土在内部,未开裂区域在外部。未开裂的外部区域,混凝土通过弹性理论分析,开裂的内部区域混凝土,则采用弥散裂纹假设推导出来的三段式受拉本构模型,并基于弹性推导得到的混凝土的应力应变关系,对其环向应力求解。根据应力平衡关系、弹性变形协调假设以及本构关系,即可以得到其对钢筋的径向压力。参照图3,径向应力最大时对应的混凝土开裂区域半径Ri,T cr的计算方程为:
其中,pc,T是高温后混凝土保护层对钢筋的径向应力,Ri,T为开裂界限半径,Rb为钢筋半径,Rc为钢筋中心到混凝土外侧最小厚度;I为图3中σt,T关于开裂区域半径的积分,表示开裂区域混凝土环向拉应力的合力。由于混凝土的本构关系是分段的,因此I也需要分段进行计算。
在一些实施方式中,I的分段表达式为:
其中,Ia与Ib取值分别为:
其中εt,T(Rb)表示钢筋与混凝土界面处(半径为Rb),高温后混凝土的环向应变;使用基于弹性理论得到的应变协调关系,可以得到偏保守的计算结果,其表达式为:
应力在开裂区域混凝土中的分布是由三段式本构模型确定的,其中R1,T表示高温后混凝土的应变为ε1,T时对应的半径,Ru,T表示高温后混凝土的应变为εu,T时对应的半径;R1,T和Ru,T的表达式为:
在一些实施方式中,在步骤S5中,根据钢筋-混凝土的荷载传递关系,得到粘结强度τT,max的表达式:
其中,为拉拔试验得到的混凝土破坏面与钢筋纵轴的夹角;f为开裂与完好混凝土之间摩擦系数,/>f的取值可根据试验确定,在总结部分试验以后,/>的取值宜在10°~40°的范围内,例如可以取22°;f可以取0.6。
在一些实施方式中,对于钢筋混凝土板及拉拔试验的试件,一般不设箍筋,便不需考虑箍筋的增强效应,但当配置有箍筋时,例如钢筋混凝土梁和柱一般应设置箍筋,则需要考虑箍筋的增强效应。因此,在求出高温后钢筋-混凝土的粘结强度之后,还包括步骤S6:根据箍筋对高温后钢筋-混凝土的粘结强度的增强效应,对高温后钢筋-混凝土的粘结强度进行修正。考虑箍筋的增强效应,可以提高粘结强度计算的准确度。
在一些实施方式中,在步骤S6中,引入箍筋的增强系数Ksv,考虑箍筋增强后的粘结强度τT,max SV表达式为:
其中,ρsv为箍筋的配筋率,dsv为箍筋直径,Ssv为箍筋间距。考虑箍筋对钢筋-混凝土粘结强度的有利影响,通过KSV可以增大上述步骤S5得到的粘结强度,从而提高粘结强度计算的准确度。
为了更好地说明本发明上述实施例的技术效果,以文献《Temperature effectson the bond behavior between deformed steel reinforcing bars and hybridfiber-reinforced strain hardening cementitious composite》作为对比例,并采用与文献《Temperature effects on the bond behavior between deformed steelreinforcing bars and hybrid fiber-reinforced strain hardening cementitiouscomposite》中相同的试验参数,利用上述实施例中的粘结强度的计算方法进行计算。
本实施例中试验参数为:T=200C°,ΔT=180C°,Et,0=3.84×104MPa,ft,0=4.06MPa。
在步骤S1中,高温后混凝土力学参数求解方法如下:
求解高温后混凝土抗拉弹性模量Et,T:
求解高温后混凝土抗拉强度ft,T:
求解高温后混凝土极限拉应变εct,T:
在步骤2中,高温后混凝土的三段式受拉本构模型如下:
σt,T(r)=2.85×104·εt,T(r);εt,T(r)≤1.13×10-4;
1.13×10-4<εt,T(r)≤4.73×10-4;
4.73×10-4<εt,T(r)≤3.10×10-3;
在步骤3中,求解如下方程得到径向应力最大时对应的混凝土开裂区域半径Ri,T cr,其中Rc=0.076m,Rb=0.008m:
其中I的分段表达式如下:
上式中R1,T和Ru,T和εt,T(Rb)的取值如下:
将对应参数带入上式方程,可利用二分法求解得到Ri,T cr:Ri,T cr=0.0551m。
在步骤4中,高温后混凝土对钢筋的最大径向应力求解结果如下:
将Ri,T cr=0.0551m代入如下公式,求解得到高温后混凝土保护层对钢筋的最大径向应力pc,T max=17.18MPa。
在步骤5中,粘结强度的表达式如下:
利用上述实施例中的方法,求解得到高温后钢筋-混凝土的粘结强度为22.77MPa。
需要说明,由于上述实施例参考的试验并未配置箍筋,因此步骤6中考虑箍筋增强效应的计算在此处略去。
高温后钢筋-混凝土粘结强度预测值与实测值对比图如图4所示,试验参数和结果由文献《Temperatureeffectsonthebondbehaviorbetweendeformedsteelreinforcingbarsandhybridfiber-reinforcedstrainhardeningcementitiouscomposite》给出,图4中模型预测对应于利用上述实施例中的方法计算得到的结果,试验结果对应于文献中的结果。对比承受20℃、100℃、200℃、400℃、600℃、800℃高温后钢筋-混凝土粘结强度的预测值与实测值发现,上述实施例中的计算方法能够准确计算出高温后钢筋-混凝土的粘结强度,证明了本发明实施例中计算方法的准确性。需要说明,虽然400℃、600℃时预测值与实测值有一定偏差,但由于混凝土材料的离散性较大,且高温后的力学行为难以预测,因此模型预测结果与试验结果的偏差在可接受范围内,模型预测结果与试验结果一致性较高。
上述实施例提供的高温后钢筋-混凝土粘结强度计算方法,基于厚壁圆筒模型、弥散裂纹假设和高温后钢筋和混凝土的本构关系得到,同时考虑了钢筋的直径和形状、混凝土保护层的厚度、混凝土在高温后本构关系的变化等因素的影响,可以有效预测高温后钢筋-混凝土粘结强度,具有较好的精度,预测结果准确,实用性强,改善了关于现有钢筋-混凝土粘结强度计算方法的不足,能够为高温后钢筋-混凝土结构力学行为的分析提供有力技术支撑。
以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是,本发明并不局限于上述特定实施方式,本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改,这并不影响本发明的实质内容。上述各优选特征在互不冲突的情况下,可以任意组合使用。
Claims (10)
1.一种高温后钢筋-混凝土粘结强度的确定方法,其特征在于,包括:
获取高温后混凝土力学参数,所述高温后混凝土力学参数包括高温后混凝土的弹性模量、抗拉强度和极限拉应变;
根据所述高温后混凝土力学参数,确定高温后混凝土的三段式受拉本构模型;
根据厚壁圆筒模型和弥散裂纹假设,基于所述三段式受拉本构模型求解径向应力最大时对应的混凝土开裂区域半径;
根据所述径向应力最大时对应的混凝土开裂区域半径,求出高温后混凝土保护层对钢筋的最大径向应力;
根据钢筋-混凝土粘结强度与最大径向应力的关系,得到高温后钢筋-混凝土的粘结强度。
9.根据权利要求8所述的高温后钢筋-混凝土粘结强度的确定方法,其特征在于,在所述求出高温后钢筋-混凝土的粘结强度之后,还包括:根据箍筋对高温后钢筋-混凝土的粘结强度的增强效应,对高温后钢筋-混凝土的粘结强度进行修正。
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CN117763701A (zh) * | 2024-02-22 | 2024-03-26 | 四川省交通勘察设计研究院有限公司 | 一种钢拱桥钢混连接过渡面的强度预测方法及相关产品 |
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CN117763701B (zh) * | 2024-02-22 | 2024-05-07 | 四川省交通勘察设计研究院有限公司 | 一种钢拱桥钢混连接过渡面的强度预测方法及相关产品 |
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
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PB01 | Publication | ||
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SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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