相邻钢筋非均匀锈蚀引发混凝土保护层开裂的细观数值模拟.pdf
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1、第 3 1卷 第 3期 2 O 1 4年 9月 建筑科 学与 J o u r n a l o f Ar c h i t e c t u r e 工程 学报 a n d C i v i 1 E n g i n e e r i n g Vo 1 3 1 Se p t N0 3 2 O1 4 文章编号 : 1 6 7 3 2 0 4 9 ( 2 0 1 4 ) 0 3 0 0 9 8 0 7 相邻钢筋非均匀锈蚀 引发混凝土保 护层 开裂 的细观数值模拟 张仁 波 , 杜修 力 , 金 浏 ( fi g 京工业大学 城市与工程安全减灾省部共建教育部重点实验室 , 北京 1 0 0 1 2 4 ) 摘
2、要 : 对 2根 相邻钢 筋 非均 匀锈 蚀 膨胀 引发 的混凝 土保 护层破 坏行 为进 行 了细观数 值模 拟研 究 ; 考 虑 到 混凝 土细观 结构 非均质 性的 影响 , 将 混 凝土视 为 由骨料 、 砂 浆和界 面过 渡 区组成 的三相 复合 材 料 , 以施加 强制位 移 的方 式模 拟钢 筋 的非 均 匀锈胀 作 用 , 建 立 了混凝 土保护 层 开裂分析 的 细观尺 度 数值模型 , 并进行 了影响参数分析。结果表明: 细观数值模拟结果与 已有文献中的试验结果吻合 良 好 ; 相 邻钢 筋非 均 匀锈 蚀 时会 发 生 内部 裂 纹相互 贯通 先 于和 落后 于外 部 开
3、裂 2种破 坏 模 式 ; 钢 筋直 径不是影响混凝土保护层破坏的主要参数 ; 混凝土保护层厚度主要影响外部开裂的发展 ; 钢筋间距 则 主要控 制 内部 裂 纹的相 互贯通 。 关键 词 : 混凝 土保护层 ; 细观数值 模 拟 ; 钢 筋非 均 匀锈 蚀 ; 锈 胀机 理 ; 破 坏模 式 中 图分 类号 : T U3 7 5 文献 标 志码 : A M e s o - s c a l e Nu me r i c a i S i mu l a t i o n o n Cr a c k Pr o c e s s o f Co nc r e t e Co v e r I n d u c e d
4、 b y Aa j a c e n t Re b a r No n u n i f o r m C o r r o s i o n Z HANG Re n b o ,DU Xi u - 1 i ,j I N Li u ( Ke y La bo r a t o r y o f Ur b a n Se c u r i t y an d Di s a s t e r En gi ne e r i n g o f M i n i s t r y of Ed uc a t i o n, B e i j i n g Un i v e r s i t y o f Te c h n o l o g y,B e
5、 i j i n g 1 0 0 1 2 4 ,Ch i n a ) Ab s t r a c t :I n o r d e r t o i n v e s t i g a t e t h e c r a c k p r o c e s s o f c o n c r e t e c o v e r i n d u c e d b y t wo a d j a c e n t r e b a r no n un i f o r m c or r o s i o n,a me s o s c a l e nu m e r i c a l mod e l wa s e s t a b l i s
6、h e d Co ns i de r i ng t h e i n f l u e nc e o f c on c r e t e me s o s t r uc t ur e , t he c o nc r e t e wa s a s s ume d t o be a t h r e e ph a s e c omp os i t e ma t e r i a l c o mp o s e d o f a g g r e g a t e ,mo r t a r ma t r i x a n d i n t e r f a c i a l t r a n s i t i o n z o n
7、e( I TZ) ,a n d t h e me c h a n i c a l e f f e c t of r e b a r n on u ni f or m c o r r os i o n wa s s i m ul a t e d b y t he f o r c e d d i s pl a c e m e n t A p a r a me t r i c s t u dy wa s c o n duc t e d b a s e d o n t he mo de 1 The r e s ul t s s h ow t ha t t he me s o s c a l e s i
8、 mul a t i o n r e s u l t s a r e c o i n c i d e d wi t h t h e t e s t r e s u l t s f r o m t h e l i t e r a t u r e;t h e r e a r e t wo f a i l ur e pa t t e r n s i nc l ud i ng i nt e r na l c r a c ki n g pe ne t r a t i o n t a ke n pl a c e m o r e e a s i l y or di f f i c ul t t h a n
9、e xt e r na l c r a c ki n g; r e ba r di a m e t e r i s no t a ma i n p a r a me t e r i n f l ue nc i ng t he f a i l ur e o f c o nc r e t e c ov e r ; c on c r e t e c o v e r t h i c k n e s s e f f e c t s t h e d e v e l o p me n t o f e x t e r n a l c r a c k i n g p r i n c i p a l l y ;a
10、 n d r e b a r d i s t a n c e c o n t r o l s i nt e r na l c r a c ki ng pe ne t r a t i o n pr e do mi na nt l y Ke y wor d s :c o nc r e t e c o v e r ;m e s o s c a l e n ume r i c a l s i m u l a t i o n;r e b a r no n un i f or m c o r r os i o n;c or r o s i o n me c ha n i s m ;f a i l u r
11、e m o de 收稿 日期 : 2 0 1 4 0 7 0 2 基金项 目: 国家重点基础研 究发展计划 ( “ 九七三” 计划) 项 目( 2 0 1 1 C B 0 1 3 6 0 0 ) ; 北京市 自然科学基金重 大项 目( 8 1 0 0 0 0 1 ) 作者简介 : 张仁波( 1 9 8 9 一 ) , 男 , 山东德州人 , 工学硕士研究生 , E ma i l : z h a n g r e n b o 9 9 1 2 6 c o rn。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 3期 张仁 波 , 等 : 相 邻钢 筋 非均 匀锈 蚀 引发 混凝
12、土保 护层 开 裂的 细观数值 模 拟 9 9 0 引 言 钢筋锈蚀 会严重影响钢筋混凝 土结构的耐久 性 1 。在侵蚀性环境 中, 侵蚀介质会造成混凝土 内 的钢筋表面钝化膜破坏 , 从 而引起钢筋锈蚀。钢筋 锈蚀后其锈蚀产物会发生体积膨胀 , 从 而对钢筋周 围的混凝 土产 生挤 压 。随着 钢 筋 锈 蚀 程 度 的加 剧 , 混凝土保护层受拉开裂 , 进而加速有害介质的侵入 , 加速钢筋的锈蚀 , 进一步加剧裂缝的扩展 , 导致结构 破坏 , 严重影响混凝土结构的耐久性 , 因此对钢筋锈 蚀引发的混凝土保护层开裂行为进行研究具有重要 的工 程 实际 意义 。 对于钢筋锈蚀引起 的结构破
13、坏 问题 , 各 国研究 者在试验研究 、 理论解 析和数值模拟方面做了大量 工作 。试验研究方面, 多假定钢筋表面均匀锈蚀 , 采 用通恒定直流电的方法加速混凝土内部钢筋锈蚀_ 2 或采用机械扩胀方法模拟钢筋 的锈胀效应 3 ; 徐港 等 、 姬永生等 设计了新的钢筋加速锈蚀试验方 案 , 研究了钢筋非均匀锈蚀引起的混凝土保护层胀 裂问题 。理论解析方面 , 主要基 于静力平衡理论_ 1 、 弹性 理论L 6 。 、 断裂 力 学 理 论 或 厚壁 圆筒 方 法 。 。 建 立 了混凝 土 钢 筋 锈胀 开裂 模 型 。数 值 模 拟 方 面 , 在将混凝土视为连续均匀介质的宏观 尺度上 ,
14、 众多 研究者建立了有 限元模型 1 、 边界元模型 1 、 刚 体弹簧元模 型I 1 或采用膨胀连接单元来模拟锈层 的膨胀口 ; 在考虑混凝土细观结构非均质性的细观 尺 度上 , 则 建 立 了 二 维 格 构 模 型l 1 或 随 机 骨 料 模 型_ l 。 来对其引发的混凝土保护层 的开裂过程进行 数 值研 究 。 上述研究工作促进了对钢筋锈胀引发的混凝土 结构破坏这一问题的认识 , 但是还存在一些不足 , 如 试验研究会受到试验设备 的限制以及试验周期问题 等的影响 ; 试验或理论研究手段不能给出混凝土保 护层的破坏过程。另外 , 这些工作大多仅针对单根 钢 筋 的锈蚀 膨胀 行 为
15、 进行 研 究 , 而 现实 结 构 仅 含 有 单根钢筋的构件几乎不存在 , 实际构件 中往往含有 多根钢筋 , 且钢筋间距较小 。与单根钢筋锈蚀导致 截面局部开裂不同, 当相邻钢筋共 同锈蚀时不仅在 构件表面沿钢筋产生裂纹, 2根钢筋之 间也会产生 裂纹, 导致截面混凝土大面积剥落 , 从而削减构件的 有效截面面积 , 改变结构 的力学性能 , 降低其 承载 力 , 大幅缩短其服役寿命口 。在 An d r a d e等 2 , C a b r e r a , Va | 等 和 Do n g等 。 的试验或数值研究 中 , 对 于 2根或 多根 钢筋 的锈蚀 行 为虽然 有 涉及 , 但
16、是未对其进行系统探讨。 本文 中笔者从细观角度 出发 , 考虑混凝土细观 结构非均质性对混凝土保护层开裂行为的影响 , 将 混凝 土 视 为 由骨 料 、 砂 浆 和 界 面过 渡 区 组 成 的三 相 复合材料, 建立混凝土随机骨料模型 , 以施加非均匀 位移 的方式来 模 拟 钢筋 的非 均 匀 锈胀 行 为 , 在 此 基 础上 , 模拟相邻钢筋非均匀锈蚀引发的混凝土保护 层开裂行为 , 探讨并分析了混凝土保护层厚度、 钢筋 直径 、 钢筋间距等参数对混凝土保护层开裂模式和 开裂 时锈 胀位 移 的影 响 。 1 模型 的建立 1 1锈 胀机 理 文献 2 3 中的研究表明 , 钢筋锈蚀
17、层在钢筋表 面的分布特征呈半椭 圆形 , 即钢筋锈蚀 主要集中在 靠近混凝土保护层一侧的半个 圆周面 , 拟合曲线 大 致呈半椭圆形 , 而另半个圆周面基本未有锈蚀作用 , 如图 1所示 , 其 中, R为钢筋 的初始半径, “ 为对应 极 角 为 时 的锈 胀 位 移 , “ 为 钢 筋表 面距 离 混凝 土 保护层最近一点的锈胀位移 , 即为锈层的最大位移 , “ 。 为钢筋远离 昆凝土保护层一侧的锈 胀位 移, r为 极 坐标 。 初始钢筋表面 锈蚀后钢筋表面 靠近 保 护层 一 侧 远 离 保护 层 一侧 图 1 钢 筋锈胀 非均匀作用轮廓 线模 型 Fi g 1 Co n t o u
18、 r Li ne M o de l o f Re b ar o f No n - uni f o r m Co r r o s i o n 钢筋非均匀锈胀引发的混凝土保护层的开裂分 为 3个阶段 6 , 即铁锈 自由膨胀阶段、 混凝土保护层 受拉应力阶段和混凝土保护层开裂阶段。 在铁锈 自由膨胀阶段 , 钢筋锈蚀以后 , 其产生的 铁锈 , 首先填人了钢筋与混凝土交界面的毛细孔 中, 在铁锈填满毛细孔之前 , 不会对外 围混凝 土产生钢 筋锈胀力。本文的有限元模拟针对混凝 土保护层受 拉应力阶段和开裂阶段 , 在模拟 中采用如图 1 所示 的钢筋锈蚀层轮廓 曲线模 型, 钢筋 的锈胀位移计算
19、学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 3期 张仁波 , 等: 相邻钢筋非均 匀锈蚀 引发混凝土保护层开裂的细观数值模拟 1 0 3 1 0 0 8 O 目 6 0 鲁 、 40 2 0 0 a b c d e f g h i 试 件 编 号 图 7 混凝土保护层 开裂时的锈胀位移 Fi g 7 Exp a ns i v e Di s pl a c e m e nt s o f
20、 R u s t La y e r wh e n Co nc r e t e Co v e r Cr a c ks 层越 厚 , 开裂 过程 所 消耗 的能量 越 多 。 2 5钢筋 间距 的影 响 由图 6还 可 以看 出 , 内部 裂 纹 贯通 与否 主 要受 钢筋 间距 S 的影 响: 当 s c 3时 ( 试件 a , b , d , e , g , h ) , 内部横向裂纹会在外部裂纹贯穿混凝土保护层 之前相互贯通 , 从而破坏结构的整体性, 改变其受力 特性 ; 当 s c 3时 ( 试 件 C , f , i ) , 外 部 裂 纹 贯 穿 混凝 土保护层 , 内部裂纹 尚未相互
21、贯通 。分析图 7中的 数据亦可得 出同样结论 , 因此 , 应在增大混凝土保护 层厚度的同时 , 保证一定 的钢筋间距以增强侵蚀环 境 下 混凝 土结 构 的耐久 性 。 3 结语 ( 1 ) 本 文 细观 数值 模 拟 结 果 与 文 献 中试 验 结 果 吻合 良好 , 证 明了本文数值方法的可靠性与合理性。 ( 2 ) 细观非均质模型能够真实地模拟混凝土保 护层 中裂纹扩展的曲折性, 因此 , 模拟混凝土保护层 的开 裂时 , 应考 虑混 凝 土细观 结构 非均 质性 。 ( 3 ) 钢 筋直 径对 外 部 裂 纹 贯 穿 混 凝 土保 护 层 和 内部 裂纹相 互 贯通 的影 响不
22、大 。 ( 4 ) 混凝土保护层厚度越大 , 混凝土保护层的开 裂模式越复杂 , 开裂路径越多 , 外部裂纹贯穿混凝土 保护层所需要的锈胀位移越大。 ( 5 ) 钢筋 间距 是 影 响 内部 裂 纹相 互 贯 通 的主 要 因素, 当钢筋间距与混凝土保护层厚度的比值 s c 3时 , 内部裂纹会在外部裂纹贯穿混凝土保护层 之 前相互贯通 , 从而加速结构 的破坏失效。 参 考 文献 : Re f e r e nc e s: 1 B A Z A NT Z P P h y s i c a l Mo d e l f o r S t e e l C o r r o s i o n i n C o n
23、c r e t e S e a S t r u c t u r e s - T h e o r y J J o u r n a l o f t h e St r u c t ur a l Di vi s i on。 1 97 9, 1 05( 6): 11 37 1 1 53 r 2 A ND R AD E C, AL ONS O C, MOI I NA F J C o v e r 3 4 5 6 7 8 9 1 O 1 1 Cr a c k i n g a s a F u n c t i o n o f Ba r Co r r o s i o n: P a r t I Ex p e r i
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- 相邻 钢筋 均匀 锈蚀 引发 混凝土 保护层 开裂 数值 模拟
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