基于ANSYS的銹蝕鋼筋混凝土梁力學性能分析

摘 要：對已有的8根銹蝕鋼筋混凝土梁進行有限元建模和分析，得到鋼筋腐蝕率為0％、5.0％和10.0％的鋼筋混凝土梁的荷載-跨中撓度曲線。研究結果表明，較高的銹蝕率會對RC梁的剛度、承載能力以及破壞形式等產生不利影響，且通過和破壞試驗的對比分析，可以看出通過有限元軟件ANSYS能較準確的模擬銹蝕RC組件的力學行為。研究成果可在一定程度上對耐久性損傷結構的加固有參考意義。

關鍵詞：ANSYS 銹蝕鋼筋 力學性能 耐久性

中圖分類號：TU375.1? ?文獻標識碼：A

Abstract： Based on the finite element modeling and analysis of 8 collected corroded reinforced concrete beams， the load—mid-span deflection curve of reinforced concrete beams with reinforcement corrosion rates of 0%， 5.0% and 10.0% are obtained. The results show that the higher corrosion rate has an adverse impact on the stiffness， bearing capacity and failure mode of RC beams， and that through the comparative analysis with the failure test， it can be seen that the mechanical behavior of corroded RC components can be accurately simulated by the finite element software ANSYS. This research results can have reference significance for the reinforcement of durable damage structures to a certain extent.

Key Words： ANSYS; Corroded? steel; Mechanical properties; Durability

鋼筋銹蝕會導致鋼筋的屈服強度和橫斷面積減小、鋼筋和混凝土之間的粘結強度的降低以及混凝土膨脹開裂[1-2]，最終使鋼筋混凝土組件的力學性能退化，甚至會引發安全問題，造成經濟損傷。

目前，研究人員基本上都是通過破壞試驗來研究銹蝕鋼筋混凝土梁的力學行為，有限元分析是相對比較罕見的。近十幾年來，有限元軟件在土木工程領域得到了廣泛的應用，其具有建模簡單、節約材料和金錢、結果可靠等優點[3]。

因此，該文采用ANSYS對已收集到的銹蝕RC梁進行有限元建模，導出了載荷-撓度曲線，并總結出了鋼筋銹蝕率對梁的承載能力、剛度和延性的影響規律。

1? 銹蝕鋼筋混凝土梁的本構關系

1.1 銹蝕鋼筋

在該次ANSYS建模中，鋼筋的本構關系選用能描述完全彈塑性的雙線性模型。鋼筋的腐蝕會造成其屈服強度和極限強度在一定程度上降低，銹蝕鋼筋的屈服強度和極限應變與銹蝕率的函數關系如下[4]：

1.2 混凝土

一些學者對鋼筋銹蝕情況下混凝土的本構關系進行了研究，但仍未能成功建立適用于ANSYS建模的混凝土本構模型[5]。為了簡化建模過程和計算問題，該文暫不考慮混凝土因銹脹而造成的開裂，假定混凝土是具有均質性，且鋼筋銹蝕前后其彈性模量不變。混凝土單元采用在1951年由Hognestad提出的本構關系，且不考慮其下降段。

1.3 銹蝕鋼筋-混凝土

Houde和Mirza通過大量試驗，回歸出了粘結力與混凝土強度的經驗公式[6]如下：

目前，研究人員在模擬鋼筋銹蝕對粘結強度的影響時，常采用折減系數法，本文也選用這種方法來進行建模。

研究人員[7]通過大量的實驗研究，給出了一個比較符合實際情況的銹蝕率與粘結作用折減系數的關系式。

其中，是混凝土與完好鋼筋之間的粘結強度。

2 有限元實例分析

該實例考慮了由鋼筋銹蝕所引起的鋼筋橫斷面積的減小、鋼筋屈服強度的下降以及粘結強度的退化，分別分析了在鋼筋銹蝕率分別為0.0%、5.0%和10.0%時對承載能力、剛度以及延性的影響，并與文獻[8]中的試驗結果進行對比。

2.1有限元建模

2.1.1 計算參數

建立文獻[8]中兩點加載的RC梁，該梁相關參數為：混凝土強度為C30，鋼筋為HRB335螺紋鋼筋。梁的具體尺寸與配筋如圖3所示。

2.1.2 模型建立

因在實際情況中，開裂會導致鋼筋與混凝土之間變形的不協調，發生粘結失效與滑移[9]。故為了更好地模擬這種不協調變形，該文選用應用最為廣泛的分離式建模。考慮到應力集中可能帶來的不利影響，在三分點處和支撐處設置solid45單元墊塊，混凝土及墊塊、鋼筋和彈簧單元如圖4所示。

2.2 荷載-跨中撓度曲線

使用ANSYS軟件分別運行銹蝕率為0%、5.0%和10.0%的鋼筋混凝土梁，得到了不同銹蝕率情況下的荷載-撓度曲線，并將其與文獻[8]中通過破壞實驗得到的荷載-撓度曲線相比較。曲線如圖5所示。

由圖5分析可知：隨著腐蝕率的逐漸增加，簡支梁的極限荷載和變形都出現了下降的趨勢。

（1）當施加荷載相對較小時，梁的中跨撓度隨著載荷的增加而線性增加；加載到一定荷載后，曲線斜率減小，撓度迅速增大；在即將達到極限荷載時，荷載變化幾乎無變化，曲線近似于水平直線，梁的破壞呈延性破壞。

（2）隨著鋼材的腐蝕率的增加，RC梁的極限荷載減小：未銹蝕鋼筋的極限荷載為173.376 kN，當銹蝕率是5%時為153.065 kN（相對于未銹蝕鋼筋下降了11.7%），10%銹蝕率時為137.177 kN（相對于未銹蝕鋼筋下降了20.8%）。

（3）銹蝕率越大的梁變形能力也越差，梁在所受荷載作用下屈服階段越來越短越不明顯，破壞形式逐漸由延性破壞到脆性破壞轉變。

（4）當施加載荷數值相等時，具有較高銹蝕率的梁撓度較大。這表明隨著銹蝕率的增加，產生單位位移所需的力逐漸減小。

（5）使用ANSYS得到的載荷-撓度曲線與[8]中的失效試驗得到的曲線趨勢大致相同，考慮到在真實的破壞實驗情況下，梁的初始缺陷以及因鋼筋銹蝕引起的混凝土開裂等因素，ANSYS并不能完全準確的模擬真實梁的受力性能，銹蝕率為0%時試驗值與模擬值極限荷載的相對誤差為2.97%，5%時為7.1%。

3? ?結語

綜上所述，隨著鋼筋銹蝕率的不斷增加，RC梁的變形能力變差，屈服階段越來越不明顯，破壞形式逐漸從延性破壞到脆性破壞轉變；鋼筋的銹蝕對梁的剛度有很大影響。隨著腐蝕率的增加，達到梁的相同位移所需的載荷減小，因此剛度降低；鋼筋發生銹蝕對梁承載能力有不利影響，銹蝕率的增加會使梁的所能承受的極限荷載降低；ANSYS能夠比較正確和快速地模擬銹蝕鋼筋混凝土構件的力學性能，對耐久性損傷結構的加固有一定的參考意義。

參考文獻

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[9]陳光，陳俊成，周彤，等.銹蝕鋼筋混凝土墩柱抗震性能試驗和數值分析[J].公路工程，2021，46（5）：15-23.

作者簡介：陳飛飛（1993—），男，本科，助理工程師，研究方向為道路與橋梁設計。