锈蚀钢筋混凝土梁受弯性能有限元分析.pdf
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1、第 3 7卷第5期 2 0 1 1 年 1 O月 四川建筑科学研究 S i c h u a n B u i l d i n g S c i e n c e 4 7 锈蚀钢筋混凝土梁受弯性能有限元分析 庄 悦, 吴 庆 ( 江苏科技大学土木工程与建筑学院, 江苏 镇江2 1 2 0 0 3 ) 摘要: 在考虑锈蚀引起的钢筋横截面损失和粘结强度下降的前提下, 建立锈蚀钢筋混凝土梁的有限元分析模型。钢筋单元 采用三维杆单元 , 混凝土单元采用8节点实体单元 , 钢筋与混凝土之间的粘结单元采用非线性弹簧单元。利用大型有限元 A N S Y S分析软件, 对锈蚀梁的受力性能进行模拟分析 , 模拟结果与试
2、验方法结果吻合 , 说明采用非线性有限元方法分析锈蚀 梁受力性能正确有效。 关键词: 锈蚀; 有限元 ; 受弯 中图分类号: T U 3 7 5 文献标识码: A 文章编号 : 1 0 0 81 9 3 3 ( 2 0 1 1 ) 0 50 4 7 0 4 Fi n i t e e l e m e n t a n a l y s i s o f fle x u r a l b e ha v i 0 r 0 f c o r r o d e d r e i n f o r c e d c o n c r e t e b e a m s - Z HU A N G Y u e WU Q i n g (
3、 C o l l e g e o f C i v i l E n g i n e e ri n g a n d A r c h i t e c t u r e , J i a n g s u U n i v e r s i t y o f S c i e n c e and T e c h n o l o g y , Z h e n j i ang 2 1 2 0 0 3 , C h i n a ) Ab s t r a c t : T h e s e c t i o n l o s s o f s t e e l b a r s a n d d e g r a d a t i o n o f
4、 b o n d i n t e n s i t y w e r e t a k e n i n t o c o n s i d e r a t i o n i n t his s t u d y Th e t h r e e - d i me n s i o n a l r o d e l e me n t w a s t a k e n a s t h e s t e e l b a r e l e me n t ,t h e e i g h t - n o d e s o l i d e l e me n t a s t h e c o n c r e t e e l e me n t
5、,an d t h e n o n l i n e a r s p r i n g e l e me n t a s t h e b o n din g e l e me n t b e t w e e n the s t e e l b a r s a n d c o n c r e t e Th e b e a ti n g c a p a c i t y o f t h e mi o me d c o n c r e t e b e a m w i t l l c o r r o d e d s t e e l b a r s wa s s i mu l a t e d b y mak
6、i n g u s e of t h e l a r g e s c ale fi n i t e e l e me n t s o f t wa r e ANS YS S i mi l a r i ty o f t h e ANS YS s i mula t i o n r e s u l t s t o e x p e ri me n t r e s u l t s ma n i f e s t e d t h a t t h e n o n l i n e ar fin i t e e l e me n t a n aly s i s f o r t h e r e i n f o r
7、c e d c o n c r e t e b e a m w i t h c o r r od e d s t e e l b a r s w a s r e l i a b l e and a c c u r a t e Ke y wo r d s : c o r r o s i o n; fi n i t e e l e me n t ; fl e x u r a l 0 引 言 在锈蚀钢筋混凝土梁中, 钢筋的锈蚀 引起 钢筋 的截面面积减少和力学性能的变化 , 混凝土保护层 的开裂以及钢筋与混凝土间粘结性能的变化 , 这些 因素均影响着 锈蚀钢筋混凝土梁 的受力性 能。 目 前 , 在
8、锈蚀钢筋混凝土梁受力性能的研究中, 基本上 都是通过破坏试验来认识锈蚀钢筋混凝土梁的破坏 过程和结构性能退化 引。本文采用大型通用有 限 元程序, 对锈蚀钢筋混凝土梁受力性能进行研究。 1 锈蚀钢筋力学性能退化 钢筋锈蚀后 , 会导致钢筋 的名义和实际屈服强 度降低 。这主要是 由于锈蚀后的应力集 中现象引起 的L 3 j 。如果是均匀锈蚀, 它的实际强度是不会发生 变化的。但是为了方便计算, 通常假定锈蚀钢筋的 收稿 日期 : 2 0 1 0 - 0 5 - 0 6 作者 简介: 庄悦 ( 1 9 8 6一) , 男 , 江苏丹 阳人 , 硕 士 , 研究方 向: 混凝 土耐久性 。 E m
9、 a i l : z h u a n g y u e 8 6 q q c o r ll 截面面积与未锈蚀钢筋的截 面面积相同, 钢筋 的锈 蚀损伤率在 0 5 时与未锈蚀钢筋 的 屈服强度、 弹性模量之间的关系如下 : 屈服强度 : 0 5 =( 1 1 7 50 0 6 4 0 ) ( 2 ) 弹性模量 : 0 5 E 。 =( 0 8 9 5 0 0 3 1 p ) E 。 ( 4 ) 式 中 未锈蚀和锈蚀钢筋的屈服强度; E 。 , E 未锈蚀钢筋和锈蚀钢筋的弹性模 量 ; p 锈蚀钢筋的锈蚀损伤率 ( ) 。 在有限元模型中, 钢筋采用双线性各向同性硬 化 ( B I S O) , 假
10、定锈蚀前后截面面积相同, 根据上述 公式修改其弹性模量和屈服强度 。 2 混凝土本构模型及其破 坏准 则 混凝土碳化后其材料性能也发生 了变化 , 考虑 到实际碳化深度 与构件截 面尺寸相 比仅 占很小 比 四川建筑科 学研究 第 3 7卷 例 , 仍采用现有 的未考虑碳 化的本 构关 系。A N S Y S 采用弹塑性本构模型 , 其中, 混凝土单元所采用 的是 Wi l l i a m Wa mk e 5参数混凝土破 坏准则 , 通过定 义 混凝土的极限受拉强度 和受压强度 , 确定混凝土在 多轴应力状态下的破坏准则 。 在有限元模型 中, 混凝 土采用多线性等 向强化 ( MI S O)
11、 定义其本构模型。另外 , 需要定义混凝土的 强度准则 , 譬如单 向和多 向拉压强 度等。S h r C O p ( 张开裂缝的剪切传递系数) 取值一般在 01之 间, 0表示没有 , 1表示完全 , 不宜取得太小 , 否则难 收敛 , 本文取 0 5 ; S h r C f - C 1 ( 闭合裂缝的剪切传递系 数 ) 取值一般在 01 之间, 0表示没有 , 1 表示完全 , 不宜取得太小 , 否则难收敛 , 本文取 1 ; U n T e n s S t ( 单 轴抗拉 强度 ) 据规 范取值 ; U n C o m p S t ( 单 轴抗压 强 度 ) 据规范取值 , 但计算结构构
12、件 的极 限荷载时取 为 一1 ( 关闭混凝 土的压碎功 能) ; 其他 5个参 数按 默认设置。 3 锈 蚀 钢 筋 与 混凝 土 之 间的 粘 结 滑 移关 系 目前 , 国内外的学者对锈蚀钢筋与混凝 土之 间 的粘结滑移做了大量 的研究 , 不 同学者 建立 的锈蚀 钢筋与混凝土间粘结滑移关系差异仍然较大。目前 在进行锈蚀钢筋混凝土梁受力性能有 限元模拟时 , 常用的作法是对未锈蚀钢筋与混凝土的粘结滑移关 系乘 以粘结锈蚀退化 系数 , 得到锈蚀后的粘结滑移 关系 引: =7 ( 9 8 1 X 1 0 s 一 5 7 41 0 s + 8 3 7 1 0 S ) ( 5 ) J 于是
13、, 弹簧的刚度系数 k =o T A , A 为第 个 弹簧 单元所对应的在连接面上所 占的面积。 得到弹簧 的刚度系数后 , 就可 以确定 弹簧单元 的 D曲线 : F= k h D。 4锈蚀钢筋混凝土梁有 限元分析 钢筋混凝土结构有限元分析的单元模型主要有 3种 : 分离模型、 组合模型和整体模型。为了更好地 认识锈蚀构件的破坏过程和结构性能退化机理 , 针 对钢筋混凝土结构 的特点, 特别是锈蚀钢筋混凝土 结构钢筋和混凝土之间滑移增大 的特征 , 在研究非 均匀锈蚀钢筋混凝土结构有 限元分析时 , 仍采用分 离模型 , 即将分析对象 离散为钢筋单 元、 混凝 土单 元 , 并在两者之间附
14、以非线性弹簧单元 , 模拟钢筋和 混凝土之间的粘结滑移。 4 1 钢 筋单 元 针对混凝土中钢筋 的实际受力特点 , 采用三维 杆单元 L i n k 8 , 每个单元有 2个节点 , 每个节点在空 间坐标上有沿 , Y和 z 方向的 3个位移 自由度单元 可承受单向拉伸和压缩。通过杆单元截面的变化和 强度条件 , 模拟不 同锈蚀情况下的钢筋截面面积和 钢筋强度。 4 2混凝土 单 元 A N S Y S提供 了一种专 门用于混凝土 分析 的 8 节点实体单元 S o l i d 6 5 , 该单元 既可用于建立整体式 的有限元模型 , 也可用于建立分离式 的有限元模型, 能够模拟混凝土的开裂
15、与压碎。 4 3 钢筋与混凝土之间的粘结单元 粘结单元采 用非线性 弹簧单 元 C o m b i n e 3 9 , 每 个纵筋节点处设置 3个长度为零 、 具有不同刚度、 互 相垂直 的非线性弹簧 。垂直于钢筋 的弹簧刚度取一 个大数 , 即不考虑在垂直方向的滑移 ; 平行 于钢筋的 弹簧刚度是根据锈蚀钢筋与混凝土 的局部粘结滑移 关系 , 再考虑钢筋单元 的表面积来确定。混凝土、 钢 筋、 非线性弹簧单元的组合如图 1 所示。 弹簧单 图 1 混凝土 、 钢筋 、 非线性弹簧单元 的组合 F i g 1 Co mb i n a ti o n o f e o n c t e 。s t e
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