銹蝕栓釘剪力件抗剪承載力數(shù)值模擬研究

蔚 林，蒲洪年，侯勝利，賀 強

(重慶海裝風(fēng)電工程技術(shù)有限公司,重慶 401122)

0 引言

鋼-混凝土組合梁是在鋼結(jié)構(gòu)和混凝土結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一種新型結(jié)構(gòu)型式。剪力連接件將鋼梁與混凝土板有效連接，從而成為共同工作的整體。處于惡劣環(huán)境中工作時，鋼-混凝土組合梁的耐久性會受到顯著影響，導(dǎo)致混凝土中栓釘防護失效并引發(fā)其銹蝕，從而使組合連接抗剪承載力和抗滑移能力下降[1]，進一步導(dǎo)致鋼-混凝土組合梁承載能力和剛度降低[2]，因此有必要對栓釘銹蝕后承載能力展開研究。

鋼-混凝土組合梁耐久性逐漸成為新的研究方向，近年來針對栓釘銹蝕的研究已經(jīng)陸續(xù)展開[3]。氯鹽環(huán)境中栓釘銹蝕主要受氯離子的影響?；炷林新入x子擴散研究經(jīng)過數(shù)十年的發(fā)展，已形成了較成熟的理論[4]及較可靠的分析模型[5-7]。在鋼筋銹蝕理論基礎(chǔ)上，許多學(xué)者對鋼筋銹蝕影響因素進行了研究。施錦杰等[8]分析了氯離子臨界值、鋼筋-混凝土界面區(qū)及開裂-銹蝕交互作用等因素對鋼筋銹蝕的影響。Wanees等[9]通過測量銹蝕電流對影響鋼筋坑蝕的因素進行了研究。Mai等[10]采用相場模型來模擬金屬材料的銹蝕現(xiàn)象。盡管現(xiàn)有研究成果針對銹蝕混凝土鋼筋結(jié)構(gòu)力學(xué)性能進行評估，但栓釘焊接于鋼梁上，不與外部環(huán)境直接接觸，故鋼筋銹蝕與栓釘銹蝕仍有區(qū)別。

針對栓釘銹蝕模擬及其力學(xué)性能難以分析的問題，本文提出采用數(shù)值模擬方法，通過經(jīng)驗公式計算栓釘銹蝕量，結(jié)合非線性有限元模擬，得到自然條件下銹蝕栓釘抗剪承載力時變曲線。

1 組合梁栓釘銹蝕數(shù)值模擬方法

氯離子侵蝕導(dǎo)致鋼-混凝土組合梁耐久性退化分為氯離子擴散、栓釘銹蝕、銹蝕組合梁承載能力退化三個步驟。本文根據(jù)氯離子擴散模型和結(jié)構(gòu)有限元方法，針對鋼-混凝土組合梁耐久性退化過程提出建模方法和分析策略，全過程為：1)以單個栓釘為研究對象，確定分析區(qū)域、環(huán)境邊界條件及材料參數(shù)；2)計算分析區(qū)域內(nèi)氯離子濃度時變過程；3)計算栓釘銹蝕深度及形態(tài)；4)建立銹蝕栓釘-混凝土推出加載模型并計算其抗剪承載力。上述過程如圖1所示。

1.1 混凝土板氯離子擴散數(shù)值模擬方法

氯離子主要通過兩種方式進入混凝土：1)在混凝土拌制過程中使用了含氯鹽材料；2)環(huán)境氯離子從表面侵入混凝土[11]。本文考慮第二種情況。氯離子擴散數(shù)值模擬中一般假定混凝土均質(zhì)各向同性，且其成分不與氯離子發(fā)生反應(yīng)。氯離子傳輸方式按傳輸動力不同可分為濃度擴散、毛細吸收、壓力滲流及電遷移四種形式[12-14]?；炷林新入x子傳輸以濃度擴散為主要形式。按Fick第二定律，氯離子傳輸?shù)臄?shù)學(xué)模型可表示為：

?C/?t=D▽2C。

其中，C為擴散濃度,kg/m3或%；t為擴散時間,s；D為擴散系數(shù),m2/s。給定邊界條件C(x=0,t=0)=C0及恒定擴散系數(shù)D，通過求解上述微分方程可對理想飽和狀態(tài)下混凝土中氯離子傳輸過程進行數(shù)值模擬。

鋼-混凝土組合梁中混凝土板的體積較大，如對全混凝土板進行建模分析氯離子擴散，在保證計算精度的情況下會產(chǎn)生較大數(shù)值計算量，故需對分析模型進行優(yōu)化。因栓釘表面各點氯離子濃度呈空間分布，故應(yīng)進行三維空間氯離子濃度數(shù)值模擬。而因混凝土板多按梁縱向布置，故其長度尺寸遠大于寬度。忽略板兩個端面時，可認為混凝土板任意橫截面具有相同的氯離子擴散特征。此時，可認為氯離子從混凝土板的頂面、底面及兩側(cè)面侵入。若考慮相同的侵蝕條件下各斷面氯離子濃度分布相同，根據(jù)上述分析，僅需要取出某一栓釘所在橫截面沿縱向前后各1/2栓釘間距的三維區(qū)域進行分析(見圖2)。

當(dāng)橋面鋪裝破損、主梁負彎矩區(qū)混凝土開裂或重車車輪局部作用到混凝土板時，大氣環(huán)境中有害物質(zhì)將從橋面板頂面滲入(見圖3)。當(dāng)考慮該型侵入路徑時，數(shù)值模擬中需在混凝土局部區(qū)域模型的頂面各節(jié)點設(shè)置氯離子擴散邊界條件。

1.2 氯離子作用下栓釘銹蝕計算

混凝土中金屬表面受氯離子作用破壞后，金屬表面將發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)，栓釘?shù)匿P蝕部位與非銹蝕部位之間將產(chǎn)生銹蝕電流。目前尚無明確的混凝土中栓釘銹蝕電流計算方法，故本文采用混凝土中鋼筋銹蝕經(jīng)驗公式。Liu等[15]對自然條件下混凝土中鋼筋銹蝕進行實驗研究，建立了考慮環(huán)境溫度、氯離子濃度、混凝土電阻率及工作時間的計算模型：

ln(1.08icorr)=8.37+0.618·ln(1.69Cl)-3 034/T-

0.000 105Rc+2.32t-0.215。

其中，icorr為銹蝕電流密度,μA/cm2;Cl為單位體積混凝土中氯離子的質(zhì)量,kg/m3;T為鋼表面的溫度,K;Rc為混凝土的電阻率，Ω；t為鋼筋的銹蝕時間,a。

當(dāng)金屬表面發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)時，銹蝕電流與銹蝕材料的質(zhì)量、摩爾質(zhì)量成比例關(guān)系。Andrade等[16]根據(jù)法拉第定律提出鋼筋銹蝕后直徑Drb與銹蝕電流密度icorr之間的關(guān)系：

Drb=Db-0.023icorrΔt。

其中，Drb為栓釘銹蝕后的直徑,mm;Db為栓釘銹蝕前的直徑,mm;icorr為銹蝕電流,μA/cm2;Δt為銹蝕時間,a。

按上述公式得到栓釘銹蝕電流及其銹蝕后直徑的近似計算方法，栓釘銹蝕后直徑Drb與氯離子濃度Cl及銹蝕時間t的關(guān)系可表示為：

Drb=Db-0.023t×(1.69Cl)0.618×e(2.32t-0.215-1.97)/1.08。

通過氯離子擴散數(shù)值模擬得到一段時間內(nèi)氯離子在混凝土內(nèi)部的傳輸過程，即可得到某時刻沿栓釘表面各處的氯離子濃度。給定銹蝕時間、表面氯離子濃度和栓釘銹蝕前的直徑，按式可計算得到沿長度方向銹蝕后栓釘不同高度處直徑。為方便建立銹蝕后栓釘結(jié)構(gòu)有限元模型，在栓釘桿長度方向上選取若干控制截面，連接各銹蝕后控制截面可近似得到銹蝕后的栓釘形態(tài)(見圖4)。

2 氯離子作用下栓釘銹蝕數(shù)值模擬

根據(jù)本文建立的分析方法，對我國東部沿海地區(qū)某鋼-混凝土組合梁橋進行分析。該橋位于沿海氯離子較高濃度地區(qū)，現(xiàn)場檢測表明混凝土中氯離子侵蝕現(xiàn)象較嚴重，混凝土內(nèi)部的栓釘也可能存在一定程度的銹蝕。本文根據(jù)上述數(shù)值模擬方法對該橋栓釘銹蝕程度和銹蝕后抗剪承載力進行預(yù)測。

該組合梁混凝土為矩形截面，鋼梁為工字型截面，采用單排栓釘連接，栓釘尺寸為16 mm×80 mm，栓釘間距為100 mm。按本文1.1節(jié)，針對氯離子擴散數(shù)值模擬的局部分析區(qū)域尺寸如圖5所示，形成幾何模型如圖6所示，氯離子可從該分析區(qū)域的頂面、底面及側(cè)面侵入，前后兩端面視為密封面。分析區(qū)域三維模型的網(wǎng)格劃分見圖7。

對栓釘周圍區(qū)域進行網(wǎng)格劃分時，沿栓釘釘長方向取若干控制截面。本文算例中栓釘共取9個控制截面，每個控制截面為標準圓形。按計算精度要求和網(wǎng)格密度控制，在每個控制截面上取28個節(jié)點，以此進行該區(qū)域混凝土的三維網(wǎng)格劃分。對已完成網(wǎng)格劃分的分析區(qū)域在不同表面節(jié)點設(shè)置邊界條件。根據(jù)趙羽習(xí)等[17]對東部沿海地區(qū)某港口混凝土中氯離子濃度的實測結(jié)果，采用Fick定律擬合得到混凝土表面氯離子濃度(單位體積混凝土內(nèi)氯化物的質(zhì)量)為18 kg/m3，混凝土中氯離子擴散系數(shù)取1.837×10-12m2/s，以此作為進行數(shù)值模擬時分析區(qū)域的材料參數(shù)和邊界條件數(shù)值。通過MATLAB數(shù)值模擬程序計算得到分析區(qū)域時變氯離子濃度分布(見圖8)。

根據(jù)以上氯離子濃度數(shù)值模擬結(jié)果，提取栓釘表面各截面處節(jié)點的平均值，即為每控制截面的代表氯離子濃度，從而得到栓釘不同高度處的平均氯離子濃度時變曲線(見圖9)。將栓釘表面氯離子濃度、栓釘尺寸及擴散時間代入式，計算得到栓釘銹蝕后不同截面高度的直徑(見圖10)，確定栓釘銹蝕的形態(tài)。結(jié)果表明，受侵入路徑方向和邊界條件設(shè)定影響，同一擴散時間下，頂面侵入的栓釘頂部表面氯離子濃度較高，栓釘銹蝕形態(tài)呈上細下粗。

3 銹蝕后的栓釘抗剪承載力

目前兩類常用栓釘抗剪承載力試驗方法中，推出試驗值比組合梁試驗低[18]，故一般偏安全的將推出試驗得出的栓釘抗剪承載力作為其下限。本文采用通用有限元分析軟件ABAQUS建立銹蝕栓釘推出試驗有限元模型，對銹蝕后栓釘?shù)男螒B(tài)進行精細建模，得到銹蝕栓釘?shù)暮奢d滑移曲線，確定銹蝕栓釘?shù)目辜舫休d力。

3.1 結(jié)構(gòu)有限元建模與分析

推出試驗試件尺寸和構(gòu)造按照《歐洲建筑規(guī)范4》(全稱歐洲建筑工程設(shè)計規(guī)范4，是歐洲協(xié)調(diào)統(tǒng)一的建筑工程承重結(jié)構(gòu)設(shè)計計算技術(shù)規(guī)范)中的規(guī)格(見圖11)。

推出試驗?zāi)Ｐ椭?，混凝土的本?gòu)關(guān)系采用文獻[19]中提出的不同強度等級混凝土單軸拉壓應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系全曲線，受壓狀態(tài)為：

受拉狀態(tài)為：

其中，σ為混凝土應(yīng)力，MPa；ε為混凝土應(yīng)變；fc,r，ft,r分別為混凝土的單軸抗壓強度和抗拉強度,MPa，εc,r,εt,r分別為混凝土的極限壓、拉應(yīng)力對應(yīng)的應(yīng)變；αc,αt分別為受壓和受拉時的回歸參數(shù)，不同強度等級的混凝土對應(yīng)的回歸參數(shù)見GB 50010-2010混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范2015。本文采用C40混凝土，εc,r取1.79×10-3，εt,r取1.18×10-4，αc取1.94，αt取1.95。

栓釘、鋼梁和鋼筋的本構(gòu)模型均采用彈塑性(硬化)本構(gòu)模型，強度準則采用經(jīng)典的von Mises屈服準則。栓釘、鋼梁和鋼筋的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系表達式為：

其中，σs為鋼材應(yīng)力，MPa；εs為鋼材應(yīng)變；Es為鋼材彈性模量，取Es=2.06×105MPa；fy,r為鋼材屈服強度,MPa；εy為鋼材屈服應(yīng)變；k為鋼材硬化段斜率；fu為鋼材的極限強度，fu/fy,r在1.2～1.3之間，取低值fu=1.2fy；εu為鋼材極限應(yīng)變，取εu=21εy。

有限元模型中栓釘、鋼梁和混凝土均采用八節(jié)點三維實體單元(C3D8R)，鋼筋采用梁單元。推出試件和荷載在兩個水平方向上均具有對稱性，故僅需建立推出試件的1/4有限元模型(見圖12)。橫向和縱向?qū)ΨQ面采用對稱約束(約束該方向上的平動和另外兩個方向的轉(zhuǎn)角)，混凝土底面平動和轉(zhuǎn)角自由度全部約束。鋼梁和栓釘采用共節(jié)點連接模擬焊接，鋼筋與混凝土采用多節(jié)點耦合連接模擬鋼筋嵌入混凝土。栓釘與混凝土、鋼梁與混凝土均采用面-面接觸，接觸面切向摩擦系數(shù)為0，不考慮鋼梁與混凝土的化學(xué)黏結(jié)力，接觸面法向為硬接觸，鋼梁和混凝土不互相穿透。模型采用六面體網(wǎng)格劃分，栓釘、栓釘周圍混凝土、栓釘與鋼梁連接處等應(yīng)力集中的區(qū)域進行網(wǎng)格加密處理。

3.2 數(shù)值分析方法對比

為保證銹蝕栓釘?shù)耐瞥鲈囼灁?shù)值模擬結(jié)果的有效性，需要對3.1中ABAQUS數(shù)值模擬方法進行驗證。本文以文獻[1]中銹蝕栓釘推出試驗結(jié)果為依據(jù)，選取未銹蝕與16%銹蝕率兩組試驗結(jié)果進行數(shù)值分析對比。假定栓釘縱向均勻銹蝕。采用C40混凝土，鋼梁為Q235鋼，栓釘屈服強度為400 MPa。計算得到兩組栓釘?shù)暮奢d-滑移曲線(見圖13)。

數(shù)值模擬結(jié)果表明，數(shù)值模擬得到的荷載-滑移曲線整體上對試驗值擬合較好。其中，未銹蝕栓釘彈性階段的模擬結(jié)果與實驗結(jié)果吻合較好，16%銹蝕率栓釘彈性階段與試驗結(jié)果存在一定差異，但極限承載力吻合較好。根據(jù)上述對比分析結(jié)果可知，本文數(shù)值模擬方法可進一步分析不同銹蝕狀態(tài)栓釘?shù)臉O限抗剪承載力。

3.3 銹蝕栓釘連接件力學(xué)性能分析

分別選取初始狀態(tài)、10 a,20 a,30 a,50 a及100 a時栓釘?shù)匿P蝕形態(tài)進行建模。材料采用C40混凝土，鋼梁為Q235鋼，栓釘屈服強度為400 MPa。分別計算得到銹蝕栓釘在不同時間的荷載-滑移曲線(見圖14)。取銹蝕栓釘各條荷載-滑移曲線中最大值得到栓釘抗剪極限承載力隨時間變化曲線(見圖15)。

承載力時變分析結(jié)果表明，在氯離子侵蝕作用下，栓釘抗剪極限承載力呈持續(xù)下降趨勢，至100 a時栓釘極限抗剪承載力不足初始值的75%。由于本文忽略鋼-混凝土結(jié)合面對承載力的貢獻，故計算結(jié)構(gòu)較不利。此外，氯離子從結(jié)合面侵入時對栓釘極限抗剪承載力影響較大，該類侵入路徑下栓釘焊接部位的銹蝕較嚴重，栓釘初期銹蝕速率較高，導(dǎo)致全過程抗剪承載力低于另兩類路徑。

4 結(jié)論

1)本文建立了鋼-混凝土組合結(jié)構(gòu)中栓釘受氯離子侵蝕下的極限抗剪承載力時變分析方法。本文提出的方法系統(tǒng)探討了計算組合結(jié)構(gòu)中栓釘銹蝕量和銹蝕形態(tài)，同時也基于銹蝕栓釘計算其極限抗剪承載力。

2)本文研究了在氯離子的侵蝕作用下頂面侵入路徑下混凝土中栓釘?shù)匿P蝕形態(tài)。研究結(jié)果表明結(jié)合面侵入中栓釘根部氯離子濃度較快發(fā)展，致使其銹蝕速率顯著高于另兩類侵入路徑。

3)針對銹蝕栓釘連接件的抗剪承載力建模分析表明，在氯離子的侵蝕作用下，100 a時混凝土中栓釘極限抗剪承載力不足初始值的75%。