銹蝕鋼筋混凝土梁抗彎性能數值分析

銹蝕鋼筋混凝土梁抗彎性能數值分析

趙健1,李成2, 閆鑫1

(1.陜西冶金設計研究院有限公司 陜西 西安 710032；2.西安科技大學 陜西 西安 710054)

摘要：借助于ANSYS平臺，在混凝土單元與鋼筋單元間插入3組相互垂直的非線性彈簧單元combin39來考慮銹蝕后鋼筋-混凝土粘結滑移性能變化，開展了10組銹蝕率為0～20%的鋼筋混凝土梁抗彎性能數值分析，研究發現：銹蝕程度越高，梁的承載力越低，銹蝕程度對梁的初始剛度沒有影響，當受拉區混凝土開裂后，梁的剛度發生突變，銹蝕率不大于10%的梁在達到屈服荷載以前剛度退化不明顯，而銹蝕率為15%、20%的兩組梁在受拉區開裂后出現了明顯的剛度退化；銹蝕導致鋼筋與混凝土的相對滑移值以及滑移分布規律發生改變，隨著銹蝕程度增加，混凝土裂縫趨于向跨中區域集中，構件的破壞形態由適筋破壞向少筋破壞轉變。

關鍵詞：銹蝕；粘結滑移；數值分析；承載性能

中圖分類號：TG386文獻標識碼：A

收稿日期：2015-05-25；修訂日期：2015-06-18

作者簡介：趙健(1967-)，男，高級工程師，從事建筑結構設計工作。

Numerical analysis of bending performance of corroded RC beam

ZHAO Jian1,LI Cheng2,YAN Xin1

(1. Shaanxi Metallurgical Design & Research Institute Co.，Ltd.，Xi’an 710032, China;

2. Xi’an University of Science & Technology, Xi’an 710054, China)

Abstract：The bond performance between corroded bars and concrete were simulated by inserted 3 sets of mutually orthogonal nonlinear spring elements combin39 in the concrete and steel elements, 10 FE models of simply supported beam were simulated by ANSYS, the corrosion ratios of steel bars was 0～20%. The result shows that with the increase of corrosion ratio, the beam’s bearing capacity decreased, the initial stiffness of the beam remain unchanged, stiffness sudden changed with the concrete cracking, before reaching the yield load,the stiffness degradation of beams with a little corrosion rate( < 10% ) is not obvious, while the the corrosion rate reached 15% and 20% , the beams stiffness appeared just degraded significantly, with the corrosion ratio increased , the slip value and the slip distribution rule changed, the concrete cracks tend to concentrated in the mid-span, failure forms of members changed from balanced failure to brittle failure.

Keywords：corrosion; bond-slip; numerical analysis; bearing capacity

0引言

對鋼筋混凝土結構而言，一般大氣環境下混凝土的碳化以及海洋環境下氯離子的侵蝕作用等都可能導致混凝土內部的鋼筋發生銹蝕。在1991年召開的第二屆國際混凝土耐久性會議上，Mehta P K[1]將鋼筋銹蝕作為導致混凝土結構破壞的最主要原因排在第一位。鋼筋銹蝕對構件承載力的影響主要體現在銹蝕會導致鋼筋有效截面面積損失，銹蝕的不均勻性會導致鋼筋的力學性能指標如強度、塑性變形能力等發生退化，同時銹蝕到一定程度時銹蝕產物的體積膨脹還會導致混凝土保護層的開裂甚至剝落以及鋼筋-混凝土間的粘結滑移性能的退化。目前國內外對于銹蝕鋼筋混凝土結構承載性能退化的研究主要有試驗研究[2-8]、理論研究[9-12]以及數值分析[13-14]。試驗研究的試件來源主要有三類：快速銹蝕試件[4,6,8]、自然暴露試件[2,5]以及實際工程中替換下來的銹蝕構件[3,7]；理論研究主要是通過引入諸如“強度利用系數”、“協同工作系數”等參數考慮銹蝕后構件材料性能的變化以及鋼筋-混凝土的粘結性能變化并建立銹蝕后構件的承載力退化模型；本文在已有研究結果的基礎上，采用的數值分析方法，借助于通用大型有限元軟件ANSYS，考慮銹蝕后構件材性變化以及鋼筋-混凝土粘結滑移變化，旨在研究不同銹蝕程度下鋼筋混凝土受彎構件的正截面承載性能退化過程。

1銹蝕鋼筋混凝土梁模型設計

為探究不同銹蝕程度下鋼筋混凝土受彎構件的正截面承載性能退化過程，本文設計了10組銹蝕鋼筋混凝土梁模型，銹蝕率分別為0(未銹蝕)、1%、2%、3%、4%、5.5%、7.5%、10%、15%、20%，模型編號為CB-A(CB代表銹蝕鋼筋混凝土梁，A代表銹蝕率(百分率)，例如銹蝕率為5%的梁編號即為CB-5)?；炷亮航孛娉叽?50 mm×250 mm，長2 400 mm C35混凝土，縱筋采用HRB335鋼筋，箍筋采用HPB235鋼筋，兩點對稱加載，如圖1所示。

圖1　銹蝕鋼筋混凝土梁構造 Fig.1　The construction of corroded RC beam

1.1混凝土本構模型

混凝土立方體抗壓強度fcu,k=35 MPa，單軸抗壓強度fc=16.7 MPa，單軸抗拉強度ftk=1.57 MPa，混凝土單軸受壓應力-應變關系上升段采用Hognestad建議的模型(式1)，壓應力過峰值點后為水平段(式2)。

(1)

當ε0<εc≤εcu時：σc=fc

(2)

式中，ε0-峰值應變，取0.002；εcu-極限壓應變，取0.0033。

1.2銹蝕鋼筋本構模型

銹蝕不僅會造成鋼筋有效截面面積的損失，還會導致鋼筋各項力學性能的退化，本文采用袁迎曙等[15]給出的銹蝕鋼筋力學性能退化模型(圖2)。其基本假定：(1)銹蝕鋼筋的應力-應變曲線服從雙折線形式，不考慮強化段；(2)銹蝕前鋼筋彈性模量與銹蝕后彈性模量相等；(3)銹蝕鋼筋的延伸率與極限應變的退化規律相同。銹蝕鋼筋的應力- 應變曲線表達式可按如下參數確定。

當0<ηs≤5%時：

(3)

(4)

當ηs>5%時：

(5)

(6)

圖2　銹蝕鋼筋本構模型 Fig.2　Corroded reinforced constitutive model

1.3銹蝕鋼筋混凝土粘結-滑移本構模型

銹蝕鋼筋-混凝土間的粘結滑移關系是銹蝕鋼筋混凝土結構數值分析的關鍵問題，目前比較通用的做法是在普通未銹蝕鋼筋-混凝土粘結-滑移關系的基礎上引入“粘結強度降低系數”[16-17]來考慮銹蝕程度對粘結強度的影響。未銹蝕鋼筋-混凝土粘結-滑移本構關系采用滕智明[18]模型(式8)，“粘結強度降低系數”采用徐善華[16]根據A.J.AL-Sulailmani等[19]的試驗數據回歸分析建立的計算公式(式9)。

τs=β·τ

(7)

(8)

β=

(9)

1.4有限元模型建立過程

采用分離式有限元模型，如圖3所示?；炷羻卧捎?節點三維非線性實體單元solid65，材料本構關系采用多線性等向強化模型MISO輸入，張開裂縫的剪力傳遞系數取0.5，閉合裂縫的剪力傳遞系數取0.95，關閉壓碎，單元尺寸50 mm。鋼筋單元采用2節點桿單元LINK8，材料本構關系采用雙線性等向強化模型BISO輸入，單元尺寸50 mm。在坐標位置重合的鋼筋單元與混凝土單元節點間插入3個相互垂直的2節點非線性彈簧單元COMBIN39，其中平行與鋼筋長度方向的1個彈簧單元模擬鋼筋-混凝土的粘結滑移，垂直于鋼筋長度方向的2個彈簧單元模擬混凝土對鋼筋的徑向約束作用。耦合梁端部混凝土單元節點與鋼筋單元節點的自由度以模擬錨固良好的情況(通常可以通過構造要求來保證)。

圖3　有限元模型模型 Fig.3　The finite element model of the unit

2模型計算結果與分析

2.1銹蝕率對梁的承載力及剛度的影響

圖4所示為不同銹蝕程度下梁的跨中截面彎矩-撓度曲線，可以發現：①當荷載較小時，彎矩-位移成線性關系，梁處于彈性階段，不同的銹蝕程度梁的初始剛度基本相同；②隨著荷載繼續增加，受拉區混凝土開裂，荷載-位移曲線出現了一個轉折點，梁的剛度出現了突變，當銹蝕率較小時(ηs≤10%)，不同銹蝕程度梁的荷載-位移曲線在梁達到屈服前基本重合，即銹蝕程度較小時不同銹蝕率梁的剛度退化過程并無太大區別，但是對于銹蝕率較大的梁，例如CB-15、CB-20，可以發現開裂后隨著荷載增加梁的剛度均出現了明顯的退化過程，且銹蝕率越大，剛度退化越快；③銹蝕率越高，梁的屈服荷載越低，對于銹蝕率較小(ηs≤10%)的梁，其達到屈服荷載后彎矩-撓度曲線都具有一個平緩段，而對于銹蝕率較大的CB-15、CB-20梁則沒有明顯的屈服平臺，其主要原因是銹蝕程度較大時，不僅造成受拉鋼筋有效截面面積大幅減少，而且導致鋼筋-混凝土粘結滑移性能嚴重退化，梁的破壞形式逐漸由適筋破壞逐漸向少筋破壞演變。

圖4　荷載-撓度曲線 Fig.4　The load-deflection curve

2.2銹蝕率對鋼筋-混凝土粘結滑移的影響

圖5所示為6種銹蝕程度梁在不同荷載水平下的鋼筋-混凝土相對滑移圖。從圖中可以發現，在較為接近的荷載水平下，銹蝕程度越高，鋼筋-混凝土相對滑移量峰值越大，且銹蝕導致滑移分布規律發生明顯改變，這說明在銹蝕導致梁的內力重分布規律發生改變，直接導致的也就是梁的受荷裂縫分布規律發生變化。

2.3銹蝕率對裂縫分布的影響

圖6給出了不同銹蝕程度梁破壞時的裂縫分布情況，可以發現：銹蝕率由0增大到10%過程中，梁破壞時的裂縫分布區別不是十分明顯，當銹蝕率增大到15%、20%時梁破壞時的裂縫明顯減少且集中在跨中處。從裂縫的分布變化結合圖5所示滑移量分布上可以推斷出銹蝕率不斷增大，導致鋼筋混凝土相對滑移量增大，進而導致混凝土裂縫數量減少，寬度增大，破壞形態由塑性破壞轉變為脆性破壞，10%的銹蝕率是一個臨界點。

圖5　不同銹蝕率下鋼筋-混凝土相對滑移 Fig.5　The relative slip of reinforced-concrete under different corrosion rate

圖6　不同銹蝕率下鋼筋-混凝土梁裂縫分布圖 Fig.6　The reinforced-concrete cracks distribution under different corrosion rate

3結論

(1)銹蝕程度對構件的初始剛度影響不大，主要是因為構件受荷初期，鋼筋與混凝土的相對滑移量很小，構件的屈服荷載值隨銹銹蝕率增大而不斷降低。

(2)受拉區混凝土開裂后，梁的剛度將會出現突變，當銹蝕率較小(ηs≤10%)時不同銹蝕率梁的剛度退化過程并無太大區別，而銹蝕率超過10%的梁在受拉區開裂后出現了明顯的剛度退化過程，且銹蝕率越大，剛度退化越快；

(3)隨著銹蝕率增大，鋼筋與混凝土的相對滑移量以及滑移分布均發生明顯改變，混凝土裂縫分布趨于集中于跨中部位，構件破壞形態由適筋破壞向少筋破壞轉變。

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