銹蝕鋼筋混凝土梁抗彎性能數(shù)值分析

銹蝕鋼筋混凝土梁抗彎性能數(shù)值分析

趙健1,李成2, 閆鑫1

(1.陜西冶金設(shè)計(jì)研究院有限公司 陜西 西安 710032；2.西安科技大學(xué) 陜西 西安 710054)

摘要：借助于ANSYS平臺(tái)，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(jié)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(shù)值分析，研究發(fā)現(xiàn)：銹蝕程度越高，梁的承載力越低，銹蝕程度對(duì)梁的初始剛度沒有影響，當(dāng)受拉區(qū)混凝土開裂后，梁的剛度發(fā)生突變，銹蝕率不大于10%的梁在達(dá)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(qū)開裂后出現(xiàn)了明顯的剛度退化；銹蝕導(dǎo)致鋼筋與混凝土的相對(duì)滑移值以及滑移分布規(guī)律發(fā)生改變，隨著銹蝕程度增加，混凝土裂縫趨于向跨中區(qū)域集中，構(gòu)件的破壞形態(tài)由適筋破壞向少筋破壞轉(zhuǎn)變。

關(guān)鍵詞：銹蝕；粘結(jié)滑移；數(shù)值分析；承載性能

中圖分類號(hào)：TG386文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)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(jí)工程師，從事建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)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(duì)鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)而言，一般大氣環(huán)境下混凝土的碳化以及海洋環(huán)境下氯離子的侵蝕作用等都可能導(dǎo)致混凝土內(nèi)部的鋼筋發(fā)生銹蝕。在1991年召開的第二屆國際混凝土耐久性會(huì)議上，Mehta P K[1]將鋼筋銹蝕作為導(dǎo)致混凝土結(jié)構(gòu)破壞的最主要原因排在第一位。鋼筋銹蝕對(duì)構(gòu)件承載力的影響主要體現(xiàn)在銹蝕會(huì)導(dǎo)致鋼筋有效截面面積損失，銹蝕的不均勻性會(huì)導(dǎo)致鋼筋的力學(xué)性能指標(biāo)如強(qiáng)度、塑性變形能力等發(fā)生退化，同時(shí)銹蝕到一定程度時(shí)銹蝕產(chǎn)物的體積膨脹還會(huì)導(dǎo)致混凝土保護(hù)層的開裂甚至剝落以及鋼筋-混凝土間的粘結(jié)滑移性能的退化。目前國內(nèi)外對(duì)于銹蝕鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)承載性能退化的研究主要有試驗(yàn)研究[2-8]、理論研究[9-12]以及數(shù)值分析[13-14]。試驗(yàn)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(shí)際工程中替換下來的銹蝕構(gòu)件[3,7]；理論研究主要是通過引入諸如“強(qiáng)度利用系數(shù)”、“協(xié)同工作系數(shù)”等參數(shù)考慮銹蝕后構(gòu)件材料性能的變化以及鋼筋-混凝土的粘結(jié)性能變化并建立銹蝕后構(gòu)件的承載力退化模型；本文在已有研究結(jié)果的基礎(chǔ)上，采用的數(shù)值分析方法，借助于通用大型有限元軟件ANSYS，考慮銹蝕后構(gòu)件材性變化以及鋼筋-混凝土粘結(jié)滑移變化，旨在研究不同銹蝕程度下鋼筋混凝土受彎構(gòu)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(shè)計(jì)

為探究不同銹蝕程度下鋼筋混凝土受彎構(gòu)件的正截面承載性能退化過程，本文設(shè)計(jì)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(hào)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(hào)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(diǎn)對(duì)稱加載，如圖1所示。

圖1　銹蝕鋼筋混凝土梁構(gòu)造 Fig.1　The construction of corroded RC beam

1.1混凝土本構(gòu)模型

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

(1)

當(dāng)ε0<εc≤εcu時(shí)：σc=fc

(2)

式中，ε0-峰值應(yīng)變，取0.002；εcu-極限壓應(yīng)變，取0.0033。

1.2銹蝕鋼筋本構(gòu)模型

銹蝕不僅會(huì)造成鋼筋有效截面面積的損失，還會(huì)導(dǎo)致鋼筋各項(xiàng)力學(xué)性能的退化，本文采用袁迎曙等[15]給出的銹蝕鋼筋力學(xué)性能退化模型(圖2)。其基本假定：(1)銹蝕鋼筋的應(yīng)力-應(yīng)變曲線服從雙折線形式，不考慮強(qiáng)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(yīng)變的退化規(guī)律相同。銹蝕鋼筋的應(yīng)力- 應(yīng)變曲線表達(dá)式可按如下參數(shù)確定。

當(dāng)0<ηs≤5%時(shí)：

(3)

(4)

當(dāng)ηs>5%時(shí)：

(5)

(6)

圖2　銹蝕鋼筋本構(gòu)模型 Fig.2　Corroded reinforced constitutive model

1.3銹蝕鋼筋混凝土粘結(jié)-滑移本構(gòu)模型

銹蝕鋼筋-混凝土間的粘結(jié)滑移關(guān)系是銹蝕鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)數(shù)值分析的關(guān)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(jié)-滑移關(guān)系的基礎(chǔ)上引入“粘結(jié)強(qiáng)度降低系數(shù)”[16-17]來考慮銹蝕程度對(duì)粘結(jié)強(qiáng)度的影響。未銹蝕鋼筋-混凝土粘結(jié)-滑移本構(gòu)關(guān)系采用滕智明[18]模型(式8)，“粘結(jié)強(qiáng)度降低系數(shù)”采用徐善華[16]根據(jù)A.J.AL-Sulailmani等[19]的試驗(yàn)數(shù)據(jù)回歸分析建立的計(jì)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(jié)點(diǎn)三維非線性實(shí)體單元solid65，材料本構(gòu)關(guān)系采用多線性等向強(qiáng)化模型MISO輸入，張開裂縫的剪力傳遞系數(shù)取0.5，閉合裂縫的剪力傳遞系數(shù)取0.95，關(guān)閉壓碎，單元尺寸50 mm。鋼筋單元采用2節(jié)點(diǎn)桿單元LINK8，材料本構(gòu)關(guān)系采用雙線性等向強(qiáng)化模型BISO輸入，單元尺寸50 mm。在坐標(biāo)位置重合的鋼筋單元與混凝土單元節(jié)點(diǎn)間插入3個(gè)相互垂直的2節(jié)點(diǎn)非線性彈簧單元COMBIN39，其中平行與鋼筋長度方向的1個(gè)彈簧單元模擬鋼筋-混凝土的粘結(jié)滑移，垂直于鋼筋長度方向的2個(gè)彈簧單元模擬混凝土對(duì)鋼筋的徑向約束作用。耦合梁端部混凝土單元節(jié)點(diǎn)與鋼筋單元節(jié)點(diǎn)的自由度以模擬錨固良好的情況(通常可以通過構(gòu)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(jì)算結(jié)果與分析

2.1銹蝕率對(duì)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(fā)現(xiàn)：①當(dāng)荷載較小時(shí)，彎矩-位移成線性關(guān)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(xù)增加，受拉區(qū)混凝土開裂，荷載-位移曲線出現(xiàn)了一個(gè)轉(zhuǎn)折點(diǎn)，梁的剛度出現(xiàn)了突變，當(dāng)銹蝕率較小時(shí)(ηs≤10%)，不同銹蝕程度梁的荷載-位移曲線在梁達(dá)到屈服前基本重合，即銹蝕程度較小時(shí)不同銹蝕率梁的剛度退化過程并無太大區(qū)別，但是對(duì)于銹蝕率較大的梁，例如CB-15、CB-20，可以發(fā)現(xiàn)開裂后隨著荷載增加梁的剛度均出現(xiàn)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(duì)于銹蝕率較小(ηs≤10%)的梁，其達(dá)到屈服荷載后彎矩-撓度曲線都具有一個(gè)平緩段，而對(duì)于銹蝕率較大的CB-15、CB-20梁則沒有明顯的屈服平臺(tái)，其主要原因是銹蝕程度較大時(shí)，不僅造成受拉鋼筋有效截面面積大幅減少，而且導(dǎo)致鋼筋-混凝土粘結(jié)滑移性能嚴(yán)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(duì)鋼筋-混凝土粘結(jié)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(duì)滑移圖。從圖中可以發(fā)現(xiàn)，在較為接近的荷載水平下，銹蝕程度越高，鋼筋-混凝土相對(duì)滑移量峰值越大，且銹蝕導(dǎo)致滑移分布規(guī)律發(fā)生明顯改變，這說明在銹蝕導(dǎo)致梁的內(nèi)力重分布規(guī)律發(fā)生改變，直接導(dǎo)致的也就是梁的受荷裂縫分布規(guī)律發(fā)生變化。

2.3銹蝕率對(duì)裂縫分布的影響

圖6給出了不同銹蝕程度梁破壞時(shí)的裂縫分布情況，可以發(fā)現(xiàn)：銹蝕率由0增大到10%過程中，梁破壞時(shí)的裂縫分布區(qū)別不是十分明顯，當(dāng)銹蝕率增大到15%、20%時(shí)梁破壞時(shí)的裂縫明顯減少且集中在跨中處。從裂縫的分布變化結(jié)合圖5所示滑移量分布上可以推斷出銹蝕率不斷增大，導(dǎo)致鋼筋混凝土相對(duì)滑移量增大，進(jìn)而導(dǎo)致混凝土裂縫數(shù)量減少，寬度增大，破壞形態(tài)由塑性破壞轉(zhuǎn)變?yōu)榇嘈云茐模?0%的銹蝕率是一個(gè)臨界點(diǎn)。

圖5　不同銹蝕率下鋼筋-混凝土相對(duì)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(jié)論

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

(2)受拉區(qū)混凝土開裂后，梁的剛度將會(huì)出現(xiàn)突變，當(dāng)銹蝕率較小(ηs≤10%)時(shí)不同銹蝕率梁的剛度退化過程并無太大區(qū)別，而銹蝕率超過10%的梁在受拉區(qū)開裂后出現(xiàn)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(duì)滑移量以及滑移分布均發(fā)生明顯改變，混凝土裂縫分布趨于集中于跨中部位，構(gòu)件破壞形態(tài)由適筋破壞向少筋破壞轉(zhuǎn)變。

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