锈蚀锚固体的力学性能研究及耐久性评估初探
本文主要从这两个方面着手，以理论研究、结构试验和数值分析为主要研究手段，对锈蚀锚固体的力学性能进行了研究，并在此基础上提出了锈蚀锚固体的耐久性评估方法。主要开展了以下研究工作：
1)建立了更加符合工程实际情况的锚杆不均匀锈蚀的动态轮廓线模型，由此模型得到锚杆表面任意一点的虚拟锈胀位移。将得到的锈胀位移作用到锚杆孔洞边缘，通过调节锈胀位移公式中的锈层厚度系数来进行砂浆保护层的锈胀开裂过程的数值模拟，并给出了锚杆临界锈蚀量的预测公式。通过此方法预测结果与试验结果的比较，证明是合理可行的。并通过算例比较了锈蚀量相等的条件下，锚杆均匀锈蚀和不均匀锈蚀的差异，结果表明，杆体不均匀锈蚀对砂浆保护层的破坏作用更为严重，提出了均匀锈蚀假设应慎用的观点。
2)建立锈蚀锚固体的弹性空间解析模型，研究了锚固体在锚固力，围压和锈胀力作用下的三维应力场，给出了锚固体空间问题各应力分量的解析解答。该模型的适用条件为砂浆保护层锈蚀胀裂前，锚固体材料的受力均处于弹性阶段，并且在锚固长度上全长粘结有效。通过算例分析表明：①锚杆轴向应力的分布呈指数衰减函数的形式；②在任意锚长平面上，砂浆保护层内的径向应力均由拉应力过渡为压应力，近锚杆边砂浆内的径向拉应力最大；③整个锚固长度上，锚固端砂浆内的环向压应力最大，而在任意锚长平面上，近锚杆边砂浆内的环向压应力最大；④锚杆与砂浆间的剪应力呈线性分布。大部分锚杆表面的剪应力为负，与锚固力方向相反，并且锚固端的剪应力最大。剪应力在由负号过渡到正号时，必经过一个“中性点”，在该点，剪应力的大小为0。⑤由于围压和锈胀力在锚杆和砂浆界面上产生的是径向压应力，因此根据库仑摩擦模型，在砂浆保护层开裂前，两者对于提高锚杆的抗拔力是有益的。
3)通过内贴应变片钢筋的拔出试验的实测数据，研究了锈蚀以及锚固区锈蚀部位的不同对锚杆承载力和粘结性能的影响。结果表明：①锚固区无锈蚀试件的极限抗拔力明显高于其余各组试件，在锚固区不同部位发生锈蚀的试件的极限抗拔力差别不大，但是还是呈现出一定的规律：在这三者中，锚固区前段锈蚀的试件极限抗拔力最小，锚固区后段锈蚀的试件极限抗拔力最大，锚固区中段锈蚀的试件极限抗拔力居中；②在加荷端相同拉拔力的作用下，无论是在加荷端还是在自由端，锚固区前段锈蚀试件的钢筋端部滑移量最大，说明了锚固区前段锈蚀对于抗拔力的不利影响最大；③锈蚀在钢筋与砂浆界面间起到了“润滑”的不利作用，在锈蚀段钢筋应力曲线呈凸形，说明钢筋应力下降较慢，在粘结应力分布曲线中，粘结应力峰值不会出现在锈蚀部位，而是直接“漂移”到没有锈蚀的锚固区，在不同位置的粘结滑移曲线中，锈蚀部位曲线上升段的斜率明显小于无锈部位。
4)基于ANSYS8.0的面——面接触分析功能，采用数值方法对拉拔试验进行了有限元分析。该方法以钢筋与砂浆界面的钢筋表面作为接触面，砂浆表面作为目标面，以摩擦系数和初始粘聚力两个材料参数来模拟接触面的不同特性。采用此方法进行了拔出试验的参数敏感性分析，结果表明：①较厚的砂浆保护层有利于提高锚杆的抗拔力，当砂浆保护层达到一定厚度时，此时厚度再继续增加，对于提高锚杆的抗拔力几乎不起作用；②摩擦系数和初始粘聚力是相关的，两者对于提高锚杆的极限抗拔力几乎是线性的；③围压对锚杆抗拔力的影响主要表现在锚杆与砂浆间的初始粘聚力被破坏以后，在砂浆保护层完好的条件下，较大的围压在锚杆与砂浆的界面上产生较大的法向压力，提高了锚杆表面的粘结摩阻力，有助于提高锚杆的极限抗拔力；④锚固长度对于提高锚杆的抗拔力是有效的，当锚固长度较大时，荷载——滑移曲线在拉拔力较大时才出现“平台”。
5)针对现有耐久性评估方法客观性较差的不足，充分考虑了耐久性的模糊性，应用基于模糊等价关系的动态聚类分析，建立了一种锈蚀锚固体耐久性评估方法。此方法避免了各评定指标权重的确定，而是利用相似系数在各锚固体的耐久性指标序列之间进行相似性度量，形成了具有分类功能的模糊等价矩阵。按照不同的置信度水平，对构件的耐久性进行动态聚类。通过算例的分析比较，证明此方法是合理可行的。
岩体加固;锈蚀锚固体;粘结应力;耐久性评估
河海大学
博士
水工结构工程
任青文
2005
中文
TV554.13
142
2006-08-31（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）