銹蝕預(yù)應(yīng)力錨桿粘結(jié)性能研究

【摘要】

巖土工程中，影響錨固穩(wěn)定最大的因素就是腐蝕和動荷載，對于腐蝕情況下，預(yù)應(yīng)力錨索的粘結(jié)性能問題，開展了ABAQUS數(shù)值模擬研究，得到了銹蝕率、錨固長度、混凝土的抗拉強度對于粘結(jié)性能的影響。結(jié)果表明，在同一荷載峰值下，隨著銹蝕率的增大，粘結(jié)應(yīng)力峰值明顯降低，錨固長度變大時，粘結(jié)應(yīng)力約是1.2倍。

【關(guān)鍵詞】銹蝕； 錨桿； 粘結(jié)性能

【中圖分類號】T U417.1+16【文獻(xiàn)標(biāo)志碼】A

［定稿日期］2023-08-10

［作者簡介］關(guān)瑞士（1966—），男，碩士，正高級工程師，從事邊坡防護(hù)與治理工作。

0 引言

為保證巖體的穩(wěn)定性和安全性，通常會施加錨固系統(tǒng)，而銹蝕是導(dǎo)致錨固系統(tǒng)失效的主要原因之一，銹蝕導(dǎo)致錨固系統(tǒng)粘結(jié)系統(tǒng)退化是尤其致命的。鋼筋的腐蝕導(dǎo)致其自身的有效橫截面積降低。腐蝕物質(zhì)所形成的膨脹應(yīng)力引起了混凝土裂縫，從而減小了混凝土的有效斷面高度，并損傷了鋼筋與混凝土之間的連接界面［1］，最后引起了鋼材和水泥粘結(jié)性能的降低［2］。目前，學(xué)者對于銹蝕鋼筋與混凝土的粘結(jié)滑移關(guān)系［3］的研究大多采取實驗方式［4］，主要包括了對腐蝕試塊抗壓強度［5］的簡單拉拔實驗［6］、中心對拉實驗、梁式和柱式實驗等［7］，但缺少了對腐蝕物質(zhì)特性、混凝土斷裂演化和黏附力能影響機理的考慮。本文將通過ABAQUS有限元軟件來模擬銹蝕影響下錨桿與混凝土的粘結(jié)性能變化、滑移量、混凝土保護(hù)層厚度以及混凝土抗拉強度。

1 有限元模擬及模型的建立

本文采用ABAQUS軟件模擬銹蝕影響下錨固長度以及混凝土抗拉強度對于粘結(jié)應(yīng)力的影響，采用 ABAQUS軟件進(jìn)行有限元分析時，需要在 ABAQUS軟件中建立相應(yīng)的有限元模型。所建立的模型包括鋼筋混凝土粘結(jié)單元（CONTORQ）、混凝土材料單元（MONCERFEN）和鋼筋/混凝土接觸面單元（CONTORU），其中鋼筋與混凝土的接觸面單元考慮了兩種不同類型的界面，即水泥砂漿/混凝土界面。本文主要對鋼筋混凝土粘結(jié)單元進(jìn)行介紹，鋼筋與混凝土的粘結(jié)單元主要考慮了水泥砂漿/混凝土界面，鋼筋與砂漿/混凝土界面也有所涉及。

通過模擬混凝土模型見圖１，模擬尺寸為30 cm×30 cm×30 cm，鋼筋位于試塊中心，半徑為1.25 cm，錨固長度l＝5ｄ=12.5 cm。其中混凝土采用C30混凝土，CDP彈塑性模型，具體參數(shù)見表1。鋼筋采用25 mm的HRB400鋼筋作為受拉鋼筋，具體參數(shù)見表2。

此模型中立方體混凝土塊采用全固定的方式施加邊界條件，對于鋼筋施加0.4 kN的拉拔力，鋼筋與混凝土之間設(shè)置摩擦系數(shù)為0.5的相互作用。這次模擬Cohesive參數(shù)中采用

試驗數(shù)據(jù)τu=22.6 MPa；損傷起始Su=0.0368 d=0.44 mm，取為Su=0.44 mm；斜率K=22.6/0.44=50 MPa/mm；失效位移Sf=0.54×12=6.48 mm。

2 銹蝕試塊拉拔過程分析

錨桿在巖體中的錨固作用，是依靠其與巖體中的巖體的粘結(jié)強度來實現(xiàn)的。根據(jù)粘結(jié)力理論，對于錨桿來說，它與巖體之間的粘結(jié)強度，即粘結(jié)力能，是由錨桿和巖石之間的摩阻力和粘結(jié)應(yīng)力來決定的。此外，粘結(jié)強度還受到巖石物理力學(xué)性質(zhì)和巖性等因素的影響。為了模擬錨桿與巖體之間的粘結(jié)力能隨時間變化而發(fā)生改變這一特性，通過設(shè)置不同錨固條件（不同長度、不同間距、不同埋深等）來模擬錨桿與巖體之間的粘結(jié)強度，然后分別對這四種錨固條件下的粘結(jié)強度進(jìn)行對比分析，從而為實際工程中的錨固設(shè)計提供參考依據(jù)。

采用ABAQUS中Cohesive模型來模擬錨桿在巖體中的粘結(jié)滑移情況。ABAQUS模型見圖2～圖4。

本文采用Cohesive中需要得到參數(shù)：τu、Su、Sf、K。

理論上根據(jù)美國混凝土學(xué)會文獻(xiàn)推出的公式見式（1）。

τu=9.5fc/db（1）

式中：fc為混凝土軸心抗壓強度（MPa）;db為錨桿的半徑（cm）。

算出極限應(yīng)力為15.3 MPa，得到極限加載力Pu=τuπdl=35 kN。

通過ABAQUS模擬出的試件滑移曲線見圖5。

由圖5可知，在開始加載的時候，預(yù)應(yīng)力錨桿自由端沒有出現(xiàn)滑移現(xiàn)象，構(gòu)件混凝土與錨桿界面也沒有出現(xiàn)粘結(jié)破壞的情況。但是，從加載端開始，滑移值Sl逐漸增大。當(dāng)荷載增加到Ps=20 kN時，預(yù)應(yīng)力錨桿自由端開始產(chǎn)生輕微位移，在到達(dá)極限荷載Pu=24 kN之前，自由端滑移值Sf始終非常小并且斜率也幾乎沒有變化。這表明混凝土與預(yù)應(yīng)力錨桿產(chǎn)生相對位移以及交結(jié)破壞都是由加載端開始，然后逐漸蔓延，直至延伸到自由端。在達(dá)到峰值荷載Pu=24 kN時，滑移值為0.3 mm，此時，由于銹蝕導(dǎo)致交界面摩擦力減小，所以試件所能承受的荷載逐漸減小。荷載降至Pr=5 kN后開始進(jìn)入緩慢下降階段，自由端滑移值由3.4 mm增加，直到增加至4.5 mm，混凝土與預(yù)應(yīng)力錨桿間銹蝕產(chǎn)物的產(chǎn)生開始發(fā)生顯著粘結(jié)破壞，這時所施加在錨桿上的荷載只能靠混凝土與預(yù)應(yīng)力錨桿間相互摩擦力來抵抗。而混凝土與錨桿之間的摩擦力又由混凝土的抗拉強度和錨桿與混凝土的粘結(jié)長度影響，由此可以得出混凝土抗拉強度以及混凝土與錨桿的粘結(jié)長度對極限粘結(jié)強度的影響較大。

3 結(jié)果與分析

由于錨桿銹蝕產(chǎn)生的影響，預(yù)應(yīng)力錨桿與混凝土粘結(jié)區(qū)域之間形成了銹蝕鋼筋的產(chǎn)物和混凝土被壓碎的產(chǎn)物復(fù)合界面。這個復(fù)合界面的性質(zhì)取決于鋼筋的銹蝕程度、混凝土的強度以及損傷情況。其中銹蝕預(yù)應(yīng)力錨桿的不均勻銹蝕由于錨桿銹蝕部位不同導(dǎo)致的不均勻銹蝕，也受錨桿與混凝土之間錨固長度的影響。當(dāng)混凝土與預(yù)應(yīng)力錨桿間開始發(fā)生粘結(jié)破壞，對于試件所施加的荷載只能靠混凝土與預(yù)應(yīng)力錨桿間相互摩擦力來抵抗。巖體中的錨固系統(tǒng)多受到拉力，所以混凝土的抗拉強度對錨固系統(tǒng)的穩(wěn)定性也起到了作用。

為此，結(jié)合已有試驗數(shù)據(jù)，分別就銹蝕率、預(yù)應(yīng)力錨桿的錨固長度、混凝土抗拉強度等對粘結(jié)強度的影響進(jìn)行分析。

3.1 銹蝕率對粘結(jié)性能的影響分析

采用 ABAQUS建模時，考慮幾點：

（1）首先建立鋼筋混凝土本構(gòu)模型，對 ABAQUS進(jìn)行二次開發(fā)，在其中設(shè)置混凝土、鋼筋材料的本構(gòu)模型參數(shù)，采用 UMAT子程序調(diào)用 ABAQUS進(jìn)行建模。在 ABAQUS中對混凝土和鋼筋材料進(jìn)行參數(shù)定義后，得到其本構(gòu)關(guān)系。

（2） 對鋼筋混凝土粘結(jié)性能分析中涉及到的粘結(jié)應(yīng)力進(jìn)行定義。粘結(jié)應(yīng)力為粘結(jié)單元與彈性單元之間的相對位移引起的應(yīng)變。

分別構(gòu)建銹蝕率為2%、5%和7%的三種ABAQUS數(shù)值模型，通過折減系數(shù)的方法。在定義鋼筋與混凝土的相互作用參數(shù)時，相應(yīng)的摩擦系數(shù)分別取值0.59、0.31和0.18以模擬接觸面情況。ABAQUS模擬出的粘結(jié)應(yīng)力大小見圖6。提取計算繪制極限粘結(jié)應(yīng)力值分布見圖7。

從圖7中可以看出：在同一荷載峰值下，隨著銹蝕率的增大，粘結(jié)應(yīng)力峰值明顯降低，同時粘結(jié)應(yīng)力沿錨固長度方向的分布更加均勻。這是由于隨著銹蝕產(chǎn)物的增加，鋼筋肋和砂漿之間的接觸面減小，導(dǎo)致相互摩擦力減小，機械咬合作用逐漸減弱。作用在錨桿上的荷載此時更易于在錨桿錨固段傳遞，因此粘結(jié)應(yīng)力分布更趨均勻。

侵蝕量較大時，隨著侵蝕量的增加，上升段的粘結(jié)能力顯著下降，不僅極限荷載降低，極限滑移值也隨之增加。針對影響鋼筋砂漿試塊耐壓性能的浮銹現(xiàn)象與腐蝕裂紋的產(chǎn)生，大多影響鋼筋砼試塊抗壓性能，以及混凝土鋼筋中所形成或大或小的腐蝕裂紋密切相關(guān)。隨著銹蝕速率增加，腐蝕裂紋延伸的直徑也增加，混凝土中對鋼筋直徑的握裹力減小，鋼筋硬度與結(jié)構(gòu)強度也明顯降低。

3.2 銹蝕影響下粘結(jié)錨固長度的影響

整合ABAQUS得到的數(shù)據(jù)，得出錨桿錨固長度對于粘結(jié)應(yīng)力的影響見圖8。當(dāng)預(yù)應(yīng)力錨桿錨固在混凝土的長度在12 cm時，他們之間的粘結(jié)應(yīng)力約是原來的1.265倍，當(dāng)錨固長度在18 cm時，粘結(jié)應(yīng)力時原來的1.275倍。在巖體工程的錨固系統(tǒng)中，鋼筋粘結(jié)在巖體的長度越長，由于鋼筋直徑的銹蝕程度和最大粘結(jié)應(yīng)力越來越不匹配。在試塊遭到破壞時，鋼筋與混凝土測得的平均粘接強度和實際最大粘接強度之間的差值也越小。由此得出，根據(jù)均勻性假說，銹蝕影響的下的衰減系數(shù)會隨著錨固長度的增大而減小。

3.3 銹蝕影響下混凝土抗拉強度的影響

在ABAQUS中改變混凝土的抗拉強度得到的拉伸損傷見圖9。

得到抗拉強度對于粘結(jié)應(yīng)力的影響見圖10。

當(dāng)混凝土強度達(dá)到2 MPa時，粘結(jié)應(yīng)力只有原來的0.8倍，當(dāng)混凝土強度達(dá)到3 MPa時，混凝土的粘結(jié)應(yīng)力值和原來相似?；炷恋目估瓘姸仍礁撸^固系統(tǒng)的抵抗銹脹開裂能力越強，對預(yù)應(yīng)力錨桿的握裹力也越強。

4 結(jié)論

通過ABAQUS數(shù)值模擬軟件對銹蝕影響下，錨桿錨固長度、混凝土的抗拉強度等對粘結(jié)應(yīng)力的影響因素進(jìn)行仿真，反映了腐蝕因素對預(yù)應(yīng)力混凝土粘結(jié)性能的重要制約因子和退化機理。反映了銹蝕作用下鋼筋混凝土粘結(jié)性能的主要影響因素及退化機制。

（1）錨固系統(tǒng)中，預(yù)應(yīng)力錨桿的銹蝕程度越嚴(yán)重，銹蝕產(chǎn)物越多，導(dǎo)致混凝土與預(yù)應(yīng)力錨桿的摩擦力減少，化學(xué)膠著力減小，粘結(jié)強度及粘結(jié)剛度顯著下降。錨桿自由端檢測出的荷載峰值也明顯低于未銹蝕桿件。銹蝕鋼筋的粘結(jié)力隨銹蝕程度的增加而降低，但是鋼筋混凝土構(gòu)件中鋼筋的粘結(jié)力不會發(fā)生變化。粘結(jié)力隨荷載增大而降低，當(dāng)荷載超過混凝土極限抗壓強度時，粘結(jié)應(yīng)力減小。結(jié)力與荷載間存在指數(shù)關(guān)系，隨著荷載值的增大，粘結(jié)應(yīng)力與荷載間的關(guān)系逐漸變小。隨著荷載的增大，粘結(jié)應(yīng)力逐漸減小。

（2）在一定范圍內(nèi)，在銹蝕影響下，錨固長度變大，粘結(jié)應(yīng)力將會從1.265倍增長到1.275倍。

（3）隨著銹蝕程度增加，鋼筋銹蝕率增加，混凝土強度越高，抵抗銹脹開裂能力越強。

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