锈蚀钢筋混凝土受弯构件性能退化规律研究.pdf
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1、2 0 1 3年第 4期 4月 混 凝 土 与 水 泥 制 品 CHI NA CONCRETE AND CEMENT PRODUCTS 2 01 3 No 4 Ap r i l 锈蚀钢筋混凝土受弯构件性能退化规律研究 周效 国 , 汪俊华 , 邹新祥 。 ( 1 江苏科技大学船舶与海洋学院, 镇江 2 1 2 0 0 3 ; 2 江苏科技大学土木工程与建筑学院, 镇江 2 1 2 0 0 3 ; 3 中交二航局第三工程有限公司, 镇江 2 1 2 0 0 3 ) 摘要 : 对不 同锈蚀程度 下的试验 梁进行 了加 载试验 , 并利用 A B A QUS中的塑性损伤模 型( Co n c r e
2、 t e D a ma g e d P l a s t i c i t y ) 对锈蚀试验 梁进行 了数值分析 。结果表 明, 由于钢筋的锈蚀作 用使钢 筋混凝 土梁的截 面受到损 伤 , 钢筋 的 有 效截 面减 小以及钢筋和混凝土表 面的粘结性 能的降低造成 了试验梁的极 限承载 能力、延性及截面刚度 随锈蚀率 的增加 而不 断下降。通过分析得到锈蚀 梁极 限弯矩 的计算公式 , 可为实际工程 中的结构设计及 结构加 固提供依据 。 关键词 : 锈蚀 率; 塑性损伤模 型; 承载力 ; 挠度 ; 延性 Ab s t r a c t : U s e t h e l o a d i n g t
3、 e s t a n d t h e n u me r i c a l a n a l y s i s m e t h o d i n t h e p l a s t i c d a m a g e m o d e l i n A B A Q U S( C o n c r e t e D a m a g e d P l a s t i c i t y )t o g e t t h e s t r u c t u r e p r o p e r t i e s o f t h e 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
4、m w i t h d i f f e r e n t c o rr o s i o n d e g r e e s T h e a n a l y s i s r e s u l t s i n d i c a t e t h a t t h e c o rro d e d f u n c t i o n ma k e s t h e d a ma g e o f t h e s e c t i o n , t h e e ff e c t i v e s e c t i o n o f r e i n f o r c e d s t e e l s d e c r e a s e a n
5、d t h e b o n d p r o p e r t i e s r e d u c e b e t we e n c o n c r e t e a n d r e i n f o r c e d s t e e l s ,a l l o f t h e s e ma k e t h e u l t i ma t e b e a ri n g c a p a c i t y ,d u c t i l i t y a n d s e c t i o n s t i ff n e s s o f t h e b e a ms c o n t i n u e t o d r o p wi t
6、 h t h e c o r r o s i o n r a t e i n c r e a s i n g T h r o u g h the a n a l y s i s , t h e c a l c u l a t i o n f o r mu l a a b o u t t h e u l t i ma t e b e n d i n g mo me n t o f t h e c o r r o s i o n b e a m i s o b t a i n e d , w h i c h c a n p r o v i d e a r e l i a b l e b a s i
7、 s f o r t h e s t ruc t u r e d e s i g n a n d s t ru c t u r e s t r e n g t h e n i n g i n t h e a c t u a l e n g i n e e ri n g Ke y wo r d s :C o rro s i o n r a t e ; P l a s t i c d a ma g e mo d e l ; Be a ri n g c a p a c i t y ; De f l e c t i o n ; Du c t i l i t y 中图分类号 : T U 5 2 5 9
8、文献标识码 : A 文章编号 : 1 0 0 0 4 6 3 7 ( 2 0 1 3 ) 0 4 4 6 一 O 6 0前 言 无论是遥远的古罗马时代诸 如斗兽 场等建筑 群 、 古老的中国大地湾遗址的仰韶文化建筑群还是 当今 的现代化混凝土建筑 , 混凝土作为一种 经济耐 久的建筑材料都造就了无 比璀璨 的辉煌成就【l 】 。而 随着混凝土 的长时间的使用 , 混凝土结构物 出现了 大量的耐久性问题且造成了巨大的经济损失2 卅。 对于研究锈蚀钢筋混凝土构件承载力所采用 的试验方法 , 一是根据 电化学原理进行通电方法加 速锈蚀 , 其操作简单 , 试验周期短 5 - 7 1 , 但与 自然环
9、境 中构件的实际锈蚀情况存在差距 8 - 9 ; 二是 自然暴露 构件试验l l o j , 该方法试验周期过长 ; 三是通过实际工 程拆 下的损伤构件试验 卜 埘, 但 由于早期建造资料 的缺失使得不 同工程 中拆下 的构件性 能很难有 可 比性。在有限元分析中, 基本以弹性理论为主【 l4 】 。本 文采用人工气候加速试验方法 , 对钢筋混凝 土加速 锈蚀 , 探讨了锈胀裂缝对锈蚀钢筋混凝土受弯构件 承载能力的影响 , 研究 了钢筋锈蚀率对钢筋混凝土 受弯构件刚度 、 延性及承载能力的影响。 直接的试验室试验研究 可得到最为真实的数 据 , 但易受到试验条件 的限制从而得不到理想 的结 果
10、。数值模拟相对较为简便且更容易得到试验不能 轻易得到的现象和数据 。目前非线性分析是最为热 门的课题 , 但是 由于钢筋混凝 土结构材料参数的复 杂性 , 以及二者相互粘结关 系模拟较为困难 , 所 以 混凝土结构 的有 限元模拟不易得 到合理 的收敛结 果。 但是将 A B A Q U S运用于钢筋混凝土结构非线性 分析中可以得到更精确的、 更贴合实际的结果I 司 。 1 试验 刀 1 1 试 验设 计 试 验 梁 尺 寸 为 1 0 0 mmx 1 6 0 mmx 1 5 0 0 mm,底 部 配 2 1 2 m m钢筋 ( 配筋率 1 4 1 ) , 屈服强度 3 7 3 3 M P a
11、 ; 架立筋用 2 # 0 8 m m, 箍筋 d O 6 1 5 0 m m, 屈服强度 3 6 0 MP a 。混凝土保 护层 厚度 1 5 m r n , 如 图 1 所示 。 用 P 0 3 2 5级普通硅酸盐水泥 ,粗骨料最大粒径 1 6 mm, 坍落度 7 0 inm, 混凝土配合 比为 m水 泥 : n l 砂 : i n石 : in水 = 1 : 1 7 5 : 2 9 8 : 0 5 5 , 2 8 d标养强度为 2 8 MP a ,弹性 模 量 E 为 3 3 x l 0 4 MP a 。 基金项 目: 住房与城乡建设科学技术计划项 目( 2 0 0 9 一 K 2 3 )
12、 。 图 1 试验梁截面尺寸及 配筋 图 46 。 2 0 1 3年第 4期 混凝土与水泥制品 总第 2 0 4期 ( a ) 受压本构关系曲线 卜斗 基 曼 否 ( b) 受拉 本 构 关 系 曲线 图 7 混凝土本构关系 曲线 O + ( 3 2 ) + ( c L - 2 ) x 1 一 一 1 ( 1 ) 矗( 一 1 )+ 2 式中, 、 O L d 按文献 1 7 】 取值 , : 。 , y = ff f c 按表 1 选取 。 混凝土单轴受拉本构关系按公式( 2 ) 计算 : 1 2 x + 0 2 x 1 Y 1 一一 X 一 一 ( 2 )1 7 11 I ( x - 1
13、) 式中, 按文献【 l 8 取值 , X = E , y = f 。 2 2 混凝土的损伤因子定义 本文采用的损伤 因子是基于文献 1 8 】 采用能量 等效原理进行简化 , 认为在峰值应力 以前为线弹性 的, 峰值应力后为非线性的 , 且损伤 只发生在峰值 应 变后 , 这种 简化 能满足 ? 昆 凝 土结构 的基 本需 求 。 单轴受拉损伤因子计算方程: f 0 , x l T 赤 引 单轴受压损伤因子计算方程 : i 0 , x l 卜 引 2 3 钢 筋参 数 的确 定 钢筋本构关系模 型采用理想 弹塑性 双直线模 型 ,如 公 式 ( 5 ) 。钢筋 的弹性 模 量 为 E = 2
14、 0 x l 0 N m m 2 。 ( 5 ) 钢筋 混凝 土结 构 的非线 性 问题 主要 包括 三类 9 1 材 料 非 线性 、几 何 非线 性 、边 界 条 件非 线 性 。 A B A Q U S中混凝土塑性模型。圳有 C o n c r e t e S m e a r e d C r a c k i n g( 弥散裂纹混凝土模型) 、 C o n c r e t e D a ma g e d P l a s t i c i t y ( 混凝土损伤塑性模型) 及 AB A Q U S , E x p l i c i t 中 的 C r a c k i n g mo d e l f
15、o r c o n c r e t e ( 凝 土裂 缝模 型) , 其 中混凝 土 损伤 塑性 模 型 可用 于 单项加 载 、 循 环 加 载以及动态加载等场合, 具有较好的收敛性。 本文虽 然使用 C o n c r e t e D a ma g e d P l a s t i c i t y ,但考虑试验 中 混凝土的腐蚀程度较轻 , 而且没有进行相应的损伤 因子 的试验测定 , 因此将不考虑受力过程 中损伤 的 影响 , 只考 虑混凝 土 的受压 和受拉 性能 。 2 5 单 元离散 采用 C 3 D 2 0 R单元,当应变大于 2 0 - 3 0 时 , 需要划分足够密的网格才不会
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