鋼筋銹蝕軸心受壓混凝土柱承載力有限元分析★

盧曉峰

(揚州工業職業技術學院,江蘇 揚州 225127)

0 引言

鋼筋混凝土柱在使用過程中會受到外界環境的侵蝕[1-3]，表層混凝土碳化或開裂，造成鋼筋有效面積減小和鋼筋與混凝土粘結性能下降，致使鋼筋混凝土柱承載力降低，影響結構安全。本文僅考慮由于鋼筋與混凝土的粘結性能下降對軸心受壓柱承載力的影響情況。

對于銹蝕的鋼筋混凝土柱，鋼筋外圍混凝土剝落或部分剝落，與鋼筋存在粘結作用喪失或部分喪失，用有限元軟件模擬時考慮完全去除或部分去除鋼筋外圍的混凝土來實現。本文通過有限元軟件ABAQUS的數值模擬，建立數值模型，研究鋼筋銹蝕程度、銹蝕長度和銹蝕根數對鋼筋混凝土軸心受壓柱承載力的影響。

1 試件設計

本文采用有限元軟件ABAQUS共建立11根鋼筋銹蝕混凝土柱數值模型研究鋼筋銹蝕長度、粘結程度和根數對其承載力的影響。試件(完好)尺寸與配筋如圖1所示。為較準確地反映鋼筋與混凝土的粘結削弱情況，用完全去除受壓鋼筋周圍的粘結混凝土來模擬粘結完全失效混凝土柱的狀態，缺口寬度50 mm，深度為50 mm；用部分去除受壓鋼筋周圍的粘結混凝土來模擬粘結完全失效混凝土柱的狀態，缺口寬度50 mm，深度為34 mm，如圖2所示。

通過在圖1柱中心線上改變鋼筋銹蝕長度、粘結程度和銹蝕根數建立數值模型研究其對鋼筋銹蝕混凝土柱承載力的影響。具體參數設置如表1所示。

2 數值模型建立

表1 試件參數設置

2.1 材料本構關系

數值模型中，鋼筋采用理想彈塑性模型[5,6]；混凝土采用ABAQUS提供的損傷塑性模型，其中混凝土單軸受拉和受壓應力—應變關系采用GB 20010—2010混凝土結構設計規范中的雙參數模型[4]，并取混凝土剪脹角ψ=30°，流動勢偏移量e=0.1，混凝土雙軸受壓與單軸受壓極限強度比σb0/σc0=1.16，受拉子午線和受壓子午線常應力比值Kc=2/3，粘滯系數μ=0.005。

2.2 單元類型和網格劃分

本文采取分離式建模方法，分別建立了混凝土、縱向鋼筋、箍筋三個部分。混凝土采用八節點線性六面體單元C3D8R，縱向鋼筋同樣采用八節點線性六面體單元C3D8R(由于鋼筋銹蝕混凝土剝落，鋼筋裸露在空氣中，鋼筋采用以往的桁架單元無法計算，所以本文采用實體單元)，縱筋采用兩節點線性三維桁架單元T3D2。

混凝土采用合理網格尺寸，縱筋網格尺寸劃分為5 mm，箍筋網格尺寸劃分為20 mm。網格劃分如圖3所示(本文僅列出ZZ-W1網格劃分示意圖，其他數值模型劃分相同，不再列出)。

2.3 相互作用和邊界條件

縱筋、箍筋與混凝土之間采用Embedded技術進行耦合。為了防止應力集中，數值模型的支座和加載點位置設置剛性墊塊，剛性墊塊和混凝土之間采用Tie技術進行綁定。

對柱底設置鉸接U1=U2=U3=0，頂端建立參考點施加位移荷載求解銹蝕鋼筋混凝土柱承載力極限值。

3 數值計算結果與分析

本文通過有限元軟件ABAQUS建立鋼筋銹蝕混凝土柱數值模型，獲得混凝土應變E33云圖和鋼筋應力Mises云圖，從軟件后處理器中可獲取各軸心受壓柱的極限承載力的大小。為了研究粘結失效程度對軸心受壓柱承載力的影響，節省本文篇幅，取完好柱ZZ-W1、半粘結柱ZZ-B4、無粘結柱ZZ-S4為研究對象，列出各柱的混凝土應變圖與鋼筋應力云圖，如圖4～圖6所示。

從圖4～圖6混凝土應變圖與鋼筋應力云圖的對比中發現，粘結完好柱破壞時，混凝土應變最大，鋼筋的應力峰值分布比較飽滿，混凝土的強度發揮最為充分；粘結部分失效柱破壞時，混凝土應變較大，鋼筋的應力峰值分布略平，混凝土的強度發揮較為充分；粘結完全失效柱破壞時，混凝土應變最小，鋼筋的應力峰值扁平，混凝土的強度發揮不夠充分。

為了研究粘結失效鋼筋根數對軸心受壓柱承載力的影響，取完好柱ZZ-W1、無粘結柱ZZ-S3、無粘結柱ZZ-S4為研究對象，列出柱的混凝土應變圖與鋼筋應力云圖，如圖7所示。

從圖4，圖6，圖7混凝土應變圖與鋼筋應力云圖的對比中發現，鋼筋銹蝕根數越多的受壓柱，混凝土應變最小，鋼筋的應力峰值扁平。

從軟件后處理器讀取各受壓柱的承載力大小，列表分析比較各柱在不同影響因素作用下承載力的變化情況，如表2所示。由于本文僅考慮粘結失效對受壓柱承載力的影響，不考慮混凝土有效截面面積減小對承載力的影響，故在表2中將模擬時已去除混凝土補全，并考慮其強度對受壓柱承載力的貢獻。

從表2可以發現，鋼筋與混凝土部分粘結失效時，與完全柱相比，承載力沒有明顯變化；鋼筋與混凝土粘結完全失效時，受壓柱的承載力明顯下降，而且鋼筋銹蝕的根數越多，承載力越低；鋼筋粘結失效長度對部分粘結失效柱和完全粘結失效柱的承載力都沒有明顯影響。

表2 鋼筋銹蝕軸心受壓混凝土柱極限承載力 kN

4 結論

1)鋼筋銹蝕軸心受壓柱承載力研究，可以通過采用有限元軟件ABAQUS選用合理的本構關系、單元類型、網格尺寸并施加邊界條件建立鋼筋銹蝕混凝土柱數值模型來實現，有限元分析結果良好。2)鋼筋粘結失效長度對軸心受壓柱的承載力都沒有明顯影響；鋼筋銹蝕程度和鋼筋銹蝕根數對軸心受壓柱的承載力影響較大，鋼筋銹蝕程度越大和鋼筋銹蝕根數越多，軸心受壓柱承載力下降越多。3)本文關于粘結部分失效和完全失效軸心受壓柱承載力分析與研究的結果，可以為加固改造工程技術方案的設計提供一定的理論依據。