钢筋混凝土圆柱中波传播规律的研究

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本文利用有限元程序ABAQUS/Explicit对钢筋混凝土圆柱中应力波的传播规律进行了数值研究。在极低速冲击载荷作用下,认为钢筋混凝土没有任何损伤,此时钢筋和混凝土均采用线弹性模型,数值分析钢筋混凝土中弹性波的传播规律;在较高冲击速度下,混凝土基体已进入损伤破坏,但是钢筋仍然是弹性阶段,此时钢筋仍采用线弹性模型,而混凝土采用混凝土损伤塑性模型(Concrete Damaged Plasticity/CDP),数值分析钢筋混凝土中弹塑性波的传播规律。并通过试验分析了应力波在钢筋混凝土中传播规律及层裂现象。  钢筋和混凝土之间存在着一定的粘结力,研究钢筋混凝土中弹性波的传播规律时,我们首先考虑了粘结力的两种极端情况:粘结力为零和粘结力为无穷大。假定钢筋与混凝土界面间无粘结力,则钢筋和混凝土中轴向应力波传播规律相互独立;假定钢筋和混凝土界面间固接,即粘结力无穷大,则两种材料的体积含量对轴向应力波传播规律有显著影响,即钢筋在试件中的占比越大,试件的波传播规律越接近在钢筋中的波传播规律,反之则接近混凝土中的波传播规律。在固接条件下,由于界面处材料具有非均匀性,在两界面会产生剪应力,当剪应力幅值达到材料的极限剪应力时,界面间将产生剪切破坏。  在较高速度冲击加载下,采用 CDP模型来描述素混凝土圆柱的损伤演化破坏过程,模拟结果与脆性材料自由面的拉伸破坏情况相符,在一定范围内,加载速度越大发生破坏的效果越明显。进一步用此模型分析了钢筋混凝土中波传播规律和损伤演化过程。结果显示钢筋中的波速快,混凝土中波速慢,波传播过程中将形成的剪切应力,当剪切应力达到界面间剪切强度时,钢筋与混凝土会发生剥离。钢筋混凝土圆柱试件在靠近自由端,钢筋的拔出有两种机理共同作用:1.在试件自由端面,钢筋与混凝土界面间由于轴向应力波波速差,产生剪切应力;2.在试件的混凝土中,应力达到混凝土抗拉极限后,产生拉伸破坏。两种破坏形式共同作用,可能会使试件靠近自由端的混凝土层裂,并与钢筋脱离。  在波传播试验中,素混凝土和钢筋混凝土低速加载下,轴向应力波是符合一维弹性波理论的,没有明显的衰减现象。并且测得的平均波速,在误差范围内,钢筋混凝土与素混凝土无明显差别。层裂试验中,素混凝土的层裂是典型的脆性材料层裂现象,受拉伸破坏后直接飞出;钢筋混凝土的层裂现象明显区别于素混凝土,钢筋的植入使裂纹演化过程存在一系列的开闭过程,这是素混凝土所没有的,随着应力波在杆中的衰减而趋于稳定,并与所测到的轴向应力波的传播规律相匹配。
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