锈蚀钢筋混凝土板柱节点抗冲切性能数值模拟.pdf
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1、第 卷第期 年月建筑科学与工程学报J o u r n a l o fA r c h i t e c t u r ea n dC i v i lE n g i n e e r i n gV o l N o J u l y 引用本文:石磊,张仁波,王锺谋,等锈蚀钢筋混凝土板柱节点抗冲切性能数值模拟J建筑科学与工程学报,():S H IL e i,Z HAN GR e n b o,WAN GZ h o n g m o u,e t a l N u m e r i c a l s i m u l a t i o no f p u n c h i n g s h e a r r e s i s t a n
2、 c e o 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 s l a b c o l u m n j o i n t sJ J o u r n a l o fA r c h i t e c t u r ea n dC i v i lE n g i n e e r i n g,():D O I:/j j a c e 收稿日期:基金项目:国家重点研发计划项目(Y F C );国家自然科学基金项目()作者简介:石磊(),男,工学博士,高级工程师,E m a i l:s t o n e l y e a h n e t.通信作者:张仁波()
3、,男,工学博士,副研究员,E m a i l:z h a n g r e n b o c o m.锈蚀钢筋混凝土板柱节点抗冲切性能数值模拟石磊,张仁波,王锺谋,金浏,杜修力(中国建筑技术集团有限公司,北京 ;北京工业大学 城市与工程安全减灾教育部重点实验室,北京 )摘要:针对锈蚀钢筋混凝土(R C)板柱节点的抗冲切性能,考虑混凝土内部的非均质性和钢筋锈蚀的影响,建立了三维细观尺度数值模型;在模型中将混凝土视为由骨料、砂浆和二者之间界面过渡区组成的三相复合材料;锈蚀的影响从钢筋力学性能下降、保护层混凝土开裂退化及钢筋混凝土黏结强度降低个方面考虑;在验证模型合理性的基础上,对锈蚀R C板柱节点的冲
4、切破坏行为进行了模拟,分析了破坏机理,并探讨了边界条件、冲跨比和锈蚀率等因素的影响.结果表明:三维细观模型可以较好地模拟锈蚀板柱节点的抗冲切行为;同尺寸板柱节点固支时的冲切承载力、峰值位移高于简支时,而两者刚度较为接近;随着锈蚀率的提高,板底钢筋网受拉范围增大,板破坏更加严重,固支与简支板柱节点的承载力下降减缓,刚度急剧下降,峰值位移增大,同时边界条件的影响减弱;固支试件的塑性变形能力受锈蚀率的影响较小;冲跨比越大的节点刚度、承载力越低,峰值位移越大,破坏后荷载下降越快,钢筋锈蚀对冲跨比大的节点承载力、刚度、峰值位移影响较小.关键词:钢筋锈蚀;板柱节点;冲切破坏;数值模拟中图分类号:TU 文献
5、标志码:A文章编号:()N u m e r i c a l s i m u l a t i o no fp u n c h i n gs h e a r r e s i s t a n c eo f c o r r o d e dr e i n f o r c e dc o n c r e t e s l a b c o l u m nj o i n t sS H IL e i,Z HANGR e n b o,WANGZ h o n g m o u,J I NL i u,DUX i u l i(C h i n aB u i l d i n gT e c h n i q u eG r o u p
6、C o,L t d,B e i j i n g ,C h i n a;K e yL a b o r a t o r yo fU r b a nS e c u r i t ya n dD i s a s t e rE n g i n e e r i n go fM i n i s t r yo fE d u c a t i o n,B e i j i n gU n i v e r s i t yo fT e c h n o l o g y,B e i j i n g ,C h i n a)A b s t r a c t:A t h r e e d i m e n s i o n a lm e s
7、 o s c a l en u m e r i c a lm o d e lw a se s t a b l i s h e dt oi n v e s t i g a t et h ep u n c h i n gs h e a rr e s i s t a n c eo fc o r r o d e dr e i n f o r c e dc o n c r e t e(R C)s l a b c o l u m nj o i n t s,t a k i n gi n t oa c c o u n t t h e i n h o m o g e n e i t y i n s i d e
8、t h ec o n c r e t ea n dt h e i n f l u e n c eo f s t e e l c o r r o s i o n I nt h em o d e l,c o n c r e t ew a s c o n s i d e r e da s a t h r e e p h a s e c o m p o s i t em a t e r i a l c o m p o s e do f a g g r e g a t e s,m o r t a r,a n dt h e i n t e r f a c e t r a n s i t i o nz o
9、n eb e t w e e nt h e t w o T h e i m p a c t o f c o r r o s i o nw a s c o n s i d e r e d f r o mt h r e ea s p e c t s,i n c l u d i n gt h ed e c r e a s e i nm e c h a n i c a lp r o p e r t i e so f s t e e l r e i n f o r c e m e n t,t h ec r a c k i n ga n dd e g r a d a t i o no fp r o t e
10、 c t i v el a y e rc o n c r e t e,a n dt h ed e c r e a s ei n b o n ds t r e n g t h b e t w e e ns t e e lr e i n f o r c e m e n ta n dc o n c r e t e O nt h eb a s i so fv e r i f y i n gt h er a t i o n a l i t yo f t h em o d e l,t h ep u n c h i n gf a i l u r eb e h a v i o ro fc o r r o d
11、e dR Cs l a b c o l u m nj o i n t sw a ss i m u l a t e d,t h ef a i l u r em e c h a n i s m w a sa n a l y z e d,a n dt h ee f f e c t so fb o u n d a r yc o n d i t i o n s,p u n c h i n gs p a nr a t i o,a n dc o r r o s i o nr a t ew e r ee x p l o r e d T h er e s u l t ss h o wt h a tt h et
12、h r e e d i m e n s i o n a lm e s o s c a l em o d e lc a ne f f e c t i v e l ys i m u l a t et h ep u n c h i n gs h e a rb e h a v i o ro f c o r r o d e ds l a b c o l u m n j o i n t s T h ep u n c h i n gs h e a rb e a r i n gc a p a c i t ya n dp e a kd i s p l a c e m e n t o f f i x e ds u
13、 p p o r t e ds l a b c o l u m n j o i n t s o f t h e s a m e s i z e a r eh i g h e r t h a n t h o s eo fs i m p l ys u p p o r t e do n e s,w h i l et h es t i f f n e s si sc l o s e d A st h ec o r r o s i o nr a t ei n c r e a s e s,t h et e n s i l e r a n g eo f t h es t e e lm e s ha t t
14、h eb o t t o mo f t h ep l a t e i n c r e a s e s,a n dt h ed a m a g et ot h ep l a t eb e c o m e sm o r es e v e r e T h ed e c r e a s ei nb e a r i n gc a p a c i t yo ft h ef i x e da n ds i m p l ys u p p o r t e dp l a t ec o l u m nj o i n t ss l o w sd o w n,t h es t i f f n e s ss h a r
15、p l yd e c r e a s e s,t h ep e a kd i s p l a c e m e n t i n c r e a s e s,a n dt h e i n f l u e n c eo f b o u n d a r yc o n d i t i o n sw e a k e n s T h ep l a s t i cd e f o r m a t i o na b i l i t yo f t h e f i x e ds u p p o r ts p e c i m e n i s l e s sa f f e c t e db yt h ec o r r o
16、 s i o nr a t e T h eh i g h e rt h e i m p a c ts p a nr a t i o,t h el o w e rt h es t i f f n e s sa n db e a r i n gc a p a c i t yo f t h e j o i n t,t h eg r e a t e rt h ep e a kd i s p l a c e m e n t,a n dt h ef a s t e rt h el o a dd e c r e a s e sa f t e rf a i l u r e T h ec o r r o s i
17、 o no fs t e e lr e i n f o r c e m e n th a sas m a l l e ri m p a c to nt h eb e a r i n gc a p a c i t y,s t i f f n e s s,a n dp e a kd i s p l a c e m e n to f j o i n t sw i t hah i g h e r i m p a c t s p a nr a t i o K e yw o r d s:s t e e lr e i n f o r c e m e n tc o r r o s i o n;s l a b
18、c o l u m nj o i n t;p u n c h i n gs h e a rf a i l u r e;n u m e r i c a ls i m u l a t i o n引言钢筋混凝土(R C)结构提前丧失承载性能的主要原因为钢筋锈蚀.锈蚀导致钢筋横截面积减少,使其易在锈蚀处屈服.其次,由于锈蚀产物的体积是其所消耗铁的倍倍,钢筋锈蚀会引发混凝土保护层开裂.混凝土保护层开裂或剥落以及钢筋肋高减少,会进一步削弱混凝土与钢筋的相互作用,降低构件的整体力学性能,从而影响结构的安全性和耐久性.因此,对锈蚀钢筋混凝土构件的承载力进行评估有重要的科学与工程意义.无梁楼盖结构体系中的R C
19、板柱节点承受柱端荷载,四周板中混凝土可能会发生剪切破坏,致使柱冲出板外,发生冲切破坏.研究者对未锈蚀R C板柱节点抗冲切性能的研究已较为完善.一般而言,抗冲切性能与板的尺寸、配筋情况、柱端几何特征以及混凝土材料的力学特性等因素有关:板厚的增加可以显著提升冲切承载力,同时增加延性;增加冲跨比可以有效提升板的延性,但会牺牲一定的承载力;冲切承载力与抗剪钢筋配筋率呈现非线性正相关,当板厚较小时这种数学关系不明显;变形能力强、表面粗糙的抗剪钢筋可以有效提高冲切承载力 .关于纵筋对抗冲切性能的贡献,目前尚无一致认识:部分研究者认为只有在纵筋率较小时,才 有 必 要 通 过 增 加 纵 筋 率 来 提 升
20、 冲 切 承 载力 ;易伟建等 则认为钢筋可以提供一定的销栓力,即便在纵筋率较大时,增加纵筋率仍可明显提高冲切承载力;T i a n等 认为纵筋提高冲切承载力的本质是增大了混凝土剪压区高度.此外,柱端几何特征对冲切承载力存在一定影响,例如,方柱柱角存在明显的应力集中现象,该处混凝土可能首先发生剪切破坏;柱短边附近存在明显的应力集中现象,柱截面长宽比越大,板的冲切承载力越低;冲切截面计算周长与板有效高度的比值越大,冲切承载力越低;魏巍巍等 总结众多试验数据和计算公式,得出冲切承载力与混凝土的抗压强度fc或fc成正比.对于锈蚀钢筋混凝土板柱节点的抗冲切性能,目前仅有零星 研 究,尚 未 形 成 系
21、 统 认 识.A o u d e等 发现,钢筋的锈蚀往往伴随着裂缝的形成、板刚度的降低.S a i d等 进一步指出,钢筋锈蚀导致R C板刚度亏损后,混凝土板的破坏不再呈现脆性而倾向于延性,但承载力下降.尽管如此,由于研究工作有限,现阶段对锈蚀R C板冲切破坏机制及损伤演化规律的认识仍不清晰.此外,相关影响因素(如冲跨比或边界支承条件)改变时,板内钢筋受力状态发生变化,钢筋锈蚀对构件抗冲切行为的影响可能不尽相同,需要进一步探讨完善.鉴于此,本文从细观角度出发,考虑混凝土内部结构的非均质性,开展锈蚀R C板柱节点抗冲切行为模拟,分析边界条件对抗冲切性能的影响.在此基础上,研究锈蚀率对固支节点冲切
22、承载力、刚度、位移、延性的影响.此外,探讨冲跨比对锈蚀R C板柱节点抗冲切性能的影响.建筑科学与工程学报 年锈蚀钢筋混凝土板三维细观模型 细观模型的建立 几何模型为了模拟锈蚀钢筋混凝土板柱节点的冲切行为,基于A B AQU S软件建立三维有限元数值模型,如图所示.参考文献 中的试验概况,板尺寸为 mm mm mm,柱头尺寸为 mm mm mm.板的底部和顶部均布置等间距钢筋网:底部钢筋间距为 mm,直径为 mm;顶部钢筋间距为 mm,直径为 mm.混凝土保护层厚度为 mm,可得冲跨比为(柱边到支座位置的水平距离为冲跨,其与有效板厚的比值为冲跨比).图钢筋混凝土板柱节点抗冲切性能三维细观有限元数
23、值模型(单位:mm)F i g Dm e s o s c a l e f i n i t e e l e m e n tn u m e r i c a lm o d e l f o rp u n c h i n g s h e a rb e h a v i o ro fR Cs l a b c o l u m nj o i n t s(u n i t:mm)混凝土是由粗细骨料、水泥和外加剂等加水拌合而成的一种复合材料.在细观尺度上,混凝土的内部结构是非均质的,这是其宏观力学性能尺寸效应和非线性的来源.因而,本文从细观角度出发,将混凝土看作由骨料颗粒、砂浆基质及二者之间的界面过渡区组成的三相复合
24、材料,各相具有不同的力学特性.为简化模拟,假设骨料为球形,取等效骨料粒径为 mm和mm,基于F u l l e r级配曲线确定骨料数目,采用自编F o r t r a n程序将其随机分布于砂浆基质中,建立随机骨料模型.界面过渡区的实际厚度一般为 m,在三维模拟中难以实现,本文参照Z h o u等 的研究,将界面过渡区的尺寸等效为mm.混凝土各组分采用八节点六面体单元进行网格划分,钢筋采用二节点线单元划分.详细建模过程参见文献 .材料本构关系一般混凝土材料发生破坏时,由于骨料强度相对较高通常不发生破坏,因此在模拟中将骨料视为弹性体.砂浆的力学性能与混凝土相近,采用已得到广泛应用的塑性损伤模型 描
25、述其力学行为,如图所示,其中:下标c和t分别表示压缩和拉伸;为应力;为应变;E为初始弹性模量;d为损伤因子;f为强度;c 和t 分别为达到峰值抗压与抗拉强度时所对应的压缩与拉伸应变;e lc和e lt为弹性应变;p lc和p lt为塑性应变.界面过渡区与砂浆基质成分相似但因孔隙率较高而性能相对较弱,一般为后者的 .图混凝土塑性损伤模型应力应变曲线F i g S t r e s s s t r a i nc u r v eo f c o n c r e t ep l a s t i cd a m a g em o d e l由于其力学参数(弹性模量、强度等)较难测得,参考文献 采用反演法确定.具
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