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    锈蚀钢筋混凝土受弯构件性能退化规律研究.pdf

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    锈蚀钢筋混凝土受弯构件性能退化规律研究.pdf

    2013年第4期 4月 混凝土与水泥制品 CHINA CONCRETE AND CEMENT PRODUCTS 2013 No.4 April 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212003;2.江苏科技大学土木工程与建筑学院, 镇江212003;3.中交二航局第三工程有限公司,镇江212003 摘要对不同锈蚀程度下的试验梁进行了加载试验,并利用ABAQUS中的塑性损伤模型Concrete Damaged Plasticity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 AbstractUse the loading test and the numerical analysis in the plastic damage model in ABAQUSConcrete Damaged Plasticityto get the structure properties of the corroded reinforced concrete beam with different corrosion degrees.The analysis results indicate that the corroded function makes the damage of the section,the effective section of reinforced steels decrease and the bond properties reduce between concrete and reinforced steels,all of these make the ultimate bearing capacity,ductility and section stiffness of the beams continue to drop with the corrosion rate increasing. Through the analysis,the calculation ula about the ultimate bending moment of the corrosion beam is obtained,which can provide a reliable basis for the structure design and structure strengthening in the actual engineering. Key wordsCorrosion rate;Plastic damage model;Bearing capacity;Deflection;Ductility 中图分类号TU525.9 文献标识码A 文章编号1000463720130446一O6 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[5-71,但与自然环境 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lloj,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。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ABAQUS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100mmx160mmx1500mm,底部 配2 12mm钢筋配筋率1.41%,屈服强度373.3 MPa;架立筋用208mm,箍筋dO6150mm,屈服强度 360MPa。混凝土保护层厚度15mrn,如图1所示。用 P0 32.5级普通硅酸盐水泥,粗骨料最大粒径16 mm,坍落度70inm,混凝土配合比为m水泥nl砂in石 in水11.752.980.55,28d标养强度为28MPa,弹性 模量E 为3.3xl04MPa。 基金项目住房与城乡建设科学技术计划项目2009一K23。 图1试验梁截面尺寸及配筋图 46。 2013年第4期 混凝土与水泥制品 总第204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/ 32 cL-2x ≤1 一一 1 1 矗 一12 式中, 、OLd按文献[17】取值, 。,yff/fc 按表1 选取。 混凝土单轴受拉本构关系按公式2计算 1.2x0.2x ≤1 Y 1一一X一一 21 .7 11 [ I x-1 式中, 按文献【l8]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[18】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 f0,xl T 赤 引 单轴受压损伤因子计算方程 i0,xl {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 2.0 xl0 N/ mm2 。 5 钢筋混凝土结构的非线性问题主要包括三类 91. 材料非线性、几何非线性、边界条件非线性。 ABAQUS中混凝土塑性模型。圳有Concrete Smeared Cracking弥散裂纹混凝土模型、Concrete Damaged Plasticity混凝土损伤塑性模型及ABAQUS,Explicit 中的Cracking model for concrete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Concrete Damaged Plasticity,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C3D20R单元,当应变大于20%-30%时, 需要划分足够密的网格才不会产生“体积自锁”[211, 因此,本文混凝土部件采用C3D8R。钢筋采用桁架 单元T3D2,计算采用STATIC GENERAL进行静力 分析。在赋予混凝土单元材料属性时,粘滞系数 VISCOSITY PARAMETER表示结构的柔软性,影响 计算效率,从而对计算收敛性影响很大,一般取 0.0010.005之间可以得到较好的收敛结果f161。 2.6边界条件 在非线性模拟中尽量不要对塑形材料施加点 荷载,而应根据实际情况使用面荷载或线荷载 1,因 此本文采用COUPLING技术将控制点和加载区域 进行耦合,然后对控制点施加点荷载从而实现对模 型施加面荷载来避免应力集中的出现。在分析中会 出现大位移、大转动等问题时即有几何非线性问题 时将NLGEOM设置为ONt,本文考虑几何非线性。 本文对钢筋与混凝土的接触做了简化处理,通过 Embedded技术将钢筋单元埋人混凝土单元中,表示 钢筋和混凝土粘结完好,不存在滑移问题。具体模 型如图8所示。 图8数值分析中试验梁的模型图 2013年第4期 混凝土与水泥制品 总第204期 2.]xlO7 l_8x10 1.5x10 1.2xl07 0.9xlO7 0.6107 0.3x1 O.O 018 位移/mm 图16试验梁受压区混凝土应力一位移曲线 挠度/ram 2.1lo6 1.81 o6 1.5106 皇1.210 0.910 O.6lO 0.3x1 O.O 位移/mm 图l7试验梁受拉区混凝土应力一位移曲线 扑 晕 靛 图19试验梁荷载一挠度曲线 4图19表示的是试验梁的荷载一位移曲线 图,从图中可以看出,板所受弯曲荷载和跨中挠度 与试验得到的荷载一位移曲线如图6所示的总体 趋势基本一致。 3_3锈蚀受弯构件的极限承载力对比分析 通过试验分析发现,当锈胀裂缝宽度不大时, 量 世 挠度/mm 图18试验梁钢筋应力一位移曲线 图20极限弯矩的回归拟合 锈蚀钢筋的力学性能退化不多,试验梁的力学性能 与控制梁相比没有很大变化。但是随着锈蚀程度的 增加,试验梁的力学性能都明显低于控制梁,且呈 现下降速度越来越快的趋势,其荷载一挠度曲线也 发生很大变化。本文定义qtM 锈蚀/M 控制,试验值与 数值分析结果对比如表3所示。 表3不同锈蚀程度下试验梁极限承载力试验值与数值分析的对比 分析锈蚀钢筋混凝土梁力学性能降低的原因, 主要是由于①由于混凝土产生沿筋纵裂甚至保护 层脱落,使得部分混凝土退出工作;②锈蚀钢筋截 面尺寸减小,并发生坑蚀现象,锈坑附近会产生明 显的应力集中,从而导致钢筋局部提前屈服,力学 性能下降;③钢筋与混凝土粘结界面的性质发生部 分改变,而顺筋裂缝又减弱了混凝土对钢筋的约束 作用,导致粘结退化,使得破坏区段内锈蚀构件的 混凝土和钢筋的平均应变大于正常构件,不能充分 地进行应力应变重分布;从表3可看出, 试验/ 数值 的比值随着锈蚀程度的增加越来越小,主要是因为 本文数值分析中没有考虑由于钢筋锈蚀造成的钢 筋和混凝土表面粘结性能的降低,因此使得试验值 一50一 与数值分析结果相差较大,但总体来看本文的数值 分析是可靠的。 对于锈蚀后钢筋混凝土梁的极限承载能力的 计算,本文建议采用如下公式进行计算 叼 ∞ 6 式中,眠一锈蚀后钢筋混凝土梁的极限弯矩; 加一未锈蚀钢筋混凝土梁的极限弯矩; 77一降低系数,采用式7。 本文结合文献[1 1,2325]的实验数据进行 叼 对锈蚀率叼回归拟合,可得到式7。 1.047-0.02726 7 3.4锈蚀受弯构件的延性比对比分析 延性是钢筋}昆凝土构件的重要性能指标,是制 田。 田。 ;{1 1 O O 5 0 5 0 5 0 5 4 3 3 2 2 l 1 O 2 m ∞ ∞ D }{{1l 0 5 O 5 O 5 0 5 O 5 0 5 5 5 4 4 3 3 2 2ll O 周效国,汪俊华,邹新祥 锈蚀钢筋混凝土受弯构件性能退化规律研究 定结构设计可靠度和构造措施的主要依据。本文延 性比是极限破坏是跨中的挠度与屈服时跨中挠度 的比值。分析结果如表4所示。 从表4我们可以发现,本文数值分析得到的延 性比与试验结果很是接近,从试验结果和数值分析 结果都可以看出,随着锈蚀程度的不断加深,试验 梁的延性不断降低,这是由于锈蚀造成了试验梁截 面的损伤,钢筋和混凝土之间的粘结性能不断下 降,造成了试验梁中混凝土越来越早地达到了钢筋 的屈服强度,最后试验梁破坏。 4结语 1混凝土塑性损伤模型是以混凝土受压破碎 和受拉开裂为准则的,通过本文的模拟结果证明利 用ABAQUS的塑性损伤模型进行混凝土的非线性 模拟分析是行之有效的。 2当锈胀裂缝宽度不大时,试验梁的力学性 能与控制梁相比没有很大变化。但是随着保护层脱 落、钢筋截面积减小及钢筋和混凝土粘结性能的退 化使得试验梁的力学性能都明显低于控制梁,且呈 现下降速度越来越快的趋势,其荷载一挠度曲线也 发生很大变化。 3由于锈蚀造成了试验梁截面的损伤,钢筋 和混凝土之间的粘结性能的不断下降,造成了试验 梁中混凝土越来越早地达到了钢筋的屈服强度,最 后试验梁破坏。从而导致试验梁的延性不断下降。 参考文献 [1】冯乃谦,邢锋.混凝土与混凝土结构的耐久性[M].北京机 械工业出版社,2009. 【2】罗福午.建筑结构缺陷事故的分析与防止【M].北京清华 大学出版社,1996. 【3】Mehta P.K.and Burrows R.W.Building Durable Structures in the 21th century[J].Concrete International,2001345. 【4]金伟良,赵羽习.混凝土结构耐久性研究的回顾与展望【J]. 浙江大学学报,2002,36371380. 【5】牛荻涛,陈新孝,王学民.锈蚀钢筋混凝土压弯构件抗震性 能试验研究[J].建筑结构,2004,34103638. 【6】袁迎曙,余索.锈蚀钢筋混凝土梁的结构性能退化【J1.建筑 结构学报,1997,18451-57. 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