銹蝕鋼筋與混凝土粘結性能有限元分析

周志美

華北水利水電學院（450011）

0 引言

影響銹蝕鋼筋與混凝土的粘結滑移性能的因素眾多，如混凝土強度和組成成分、鋼筋位置、配箍情況、受力方向與澆筑方向、鋼筋的表面形狀及鋼筋周圍的約束條件等。現階段的試驗條件有一定限制，一般無法得出十分精確的試驗結果；在得到的試驗結果中，其離散性也很大，難以發現規律。運用有限元法可以避免實際工程中存在的差異，減少試驗量，縮短試驗周期以及完成一些試驗無法完成的分析。

1 材料本構關系

1.1 混凝土本構關系

混凝土碳化后,其性能也發生了變化,考慮到實際碳化深度與構件截面尺寸相比僅占很小比例，仍采用現有的未考慮碳化的本構關系，本文采用文獻[1]的本構關系:

1.2 銹蝕鋼筋本構關系

在鋼筋混凝土構件中,鋼筋處于單軸受力狀態，應力應變關系比較簡單，本文采用雙線性隨動強化(BKIN)的材料模型；銹蝕鋼筋本構模型仍選用理想彈塑性，暫且不考慮銹蝕率過大時鋼筋無屈服臺階的情況，根據文獻[2-3]采用如下退化模型，認為銹蝕鋼筋彈性模量是不變的，銹蝕屈服強度與銹蝕率的關系為:

式中:fyc為銹蝕鋼筋屈服的強度，fy0為未銹蝕鋼筋的屈服強度，η為鋼筋的銹蝕率。

1.3 銹蝕鋼筋與混凝土之間的局部粘結滑移模型

鋼筋與混凝土之間的良好粘結是保證鋼筋與混凝土兩種材料共同工作的前提，建立銹蝕鋼筋和混凝土局部粘結應力（τ）與局部滑移（s）關系是有限元分析的關鍵。文獻[4]通過對現有研究成果的分析，提出一種用于有限元分析的銹蝕鋼筋與混凝土的局部粘結滑移模型:

本文所分析的是光滑鋼筋，選擇Nilson公式:考慮銹蝕影響得到銹蝕鋼筋與混凝土的粘結滑移本構關系τ-s如下公式:

其中，β為銹蝕導致的粘結強度降低系數:

式中，τ為銹蝕鋼筋與混凝土的粘結力，τ0為未銹蝕鋼筋與混凝土的粘結力，s為銹蝕鋼筋滑移量，η為鋼筋的銹蝕率。

2 有限元模型的建立和求解

本文應用有限元方法對銹蝕變形鋼筋的拉拔形態進行有限元分析，從而對計算結果進行數值分析。構件為100mm×100mm×100mm的立方體，鋼筋的錨固長度為50 mm,鋼筋為直徑6 mm的光圓鋼筋。

2.1 模型建立

將銹蝕鋼筋混凝土拔出試件的模型按照“從上到下”的建模方法建立有限元模型,由于試件具有對稱性，為了節省計算資源，可以利用對稱性取試驗模型的1/2結構進行分析。如圖1所示。

2.2 模型求解

對于非線性分析,尤其是非線性的接觸分析，求解的設置十分關鍵，必須不斷地進行調試，才可以使計算收斂。本文采用了打開自動時間步，打開線性搜索，加大平衡迭代次數，打開預測器和放松收斂容差的方法，最終使得計算收斂。

3 結果分析

3.1 銹蝕率對粘結強度的影響

混凝土強度為C15時,銹蝕率為1%、2%、5%的三個模型的破壞荷載分別為3 961.05 N、3 934.7 N、3 829.2 N,鋼筋的應力分別為 140.165 MPa、139.232 MPa、135.5 MPa。隨著鋼筋銹蝕率的增加，鋼筋的應力逐漸減小，即隨著鋼筋銹蝕程度的增加，鋼筋與混凝土之間的粘結性能逐漸退化。如圖2所示。

3.2 混凝土強度對粘結強度的影響

鋼筋銹蝕率為5%時,混凝土強度為C15、C20、C25的三個模型的破壞荷載分別為3 829.2 N、5 028.8 N、5 913.9 N，鋼筋的應力分別為135.5 MPa、177.948 MPa、209.268 MPa。可以發現隨著混凝土自身強度的提高，銹蝕鋼筋的應力應變越來越大。如圖3所示

圖3 不同混凝土強度鋼筋加載端應力-滑移曲線

4 結論

通過分析，得出銹蝕鋼筋與混凝土粘結性能退化機理及主要影響因素:

1）隨著鋼筋銹蝕程度的增加，鋼筋與混凝土之間的粘結性能逐漸退化。鋼筋的銹蝕率是影響鋼筋與混凝土之間粘結強度的主要因素之一。此外，破壞荷載下，鋼筋仍然沒有達到屈服強度，說明銹蝕鋼筋從開始加載到破壞的整個過程都是處于彈性工作階段；隨著銹蝕率的增加，銹蝕鋼筋的應力逐漸減小，銹蝕程度越大，鋼筋的應力減小得越多。

2）同種銹蝕程度的試件，混凝土強度提高，混凝土的應力應變隨之提高，破壞荷載也隨之提高。說明混凝土與鋼筋的膠著力增大，從而也可以說明鋼筋與混凝土的粘結強度增大。

[1] GB50010-2002,混凝土結構設計規范[S].

[2] 張偉平,商登峰,顧祥林.銹蝕鋼筋應力-應變關系研究[J].同濟大學學報(自然科學版)2006,5.

[3] 袁寶安.不均勻銹蝕鋼筋力學性能試驗研究[D].華北水利水電學院,2011,5.

[4] 徐善華.混凝土結構退化模型與耐久性評估[D].西安:西安建筑科技大學,2003.