冻融环境含水率对墩柱混凝土劣化的影响研究.pdf

结构抗震 ：冻融环境含水率对墩柱混凝土劣化的影响研究收稿日期：作者简介：胡学亮（），男，硕士，高级工程师，从事道路与桥梁养护管理工作通信作者：方从启，男，博士，教授，博士生导师，从事混凝土结构耐久性、高等建筑材料和桥梁工程等研究胡学亮，郭保林，刘方洲，刘帅，方从启（山东高速集团有限公司，山东 济南 ；山东省交通科学研究院，山东 济南 ；上海交通大学船建学院，上海 ）摘要：基于 有限元分析软件，利用 语言二次开发出混凝土内部含水率设定脚本，对钢筋混凝土墩柱进行有限元模拟。在钢筋混凝土墩柱内部水的质量分数分别为 ，的情况下对模型进行冻融模拟，利用关键词“”设定混凝土失效拉伸应变，对拉伸应变达到失效拉伸应变的混凝土网格进行单元删除。以此研究探讨不同含水率对钢筋混凝土墩柱保护层的表观损伤、体积损失率与轴心荷载 位移变化规律等，建立钢筋混凝土墩柱在不同含水率下的冻融损伤预测模型。关键词：钢筋混凝土；墩柱；含水率；冻融中图分类号：文献标识码：文章编号：（）引言混凝土是 世纪世界上最重要的建筑材料之一，其消耗量甚至接近于水。在人们的传统观念上，混凝土坚固无比，但是很大一部分混凝土在达到使用寿命之前就已经存在耐久性问题，如冻融循环、盐溶液腐蚀、碳化、碱骨料反应等 因素引起的钢筋锈蚀与混凝土开裂、剥落。以上因素在实际工程运用中往往会进行耦合从而加重对混凝土耐久性的影响，导致钢筋混凝土结构极限承载力下降，最终发生各种安全事故。在发达国家，只有大约 的建筑资源被用于建设新设施中，剩下 的资源被用在现有结构的维修与保养中 。这使得钢筋混凝土结构的耐久性问题不得不被关注。等 通过研究发现混凝土开裂会导致其渗透性与扩散性上升，这会导致侵蚀介质更容易地接触到混凝土内部结构，从而加速混凝土结构的劣化。因此在预测建筑结构的耐久性与使用寿命时，若不考虑裂缝的影响，往往会高估结构的使用寿命而产生严重的后果。罗大明等 在混凝土结构耐久性评估与方法及工程实践经验的基础上，提出了构件、单元两层次，分为（），（），（）三个等级，并且得出了耐久性裕度系数，对混凝土结构耐久性寿命的计算提供了评定原则与方法，这对于实际工程运用中的混凝土结构耐久性评估方法提供了新的方向。徐文胜等 分析了混凝土结构在不同环境下受到的冻融损伤、复合盐腐蚀、强度失效和碳化侵蚀，揭示了复杂耦合条件下以及外加剂和掺合料对混凝土耐久性能劣化的协同效应，研究得出了盐侵冻融与碳化交替循环会暂时降低混凝土的毛细孔隙率，此工况将会造成更大的抗压性能损失，但会对混凝土的碳化深度起到一定程度的抑制作用。侯泽宇等 通过对不同配合比的混凝土进行质量、相对抗压强度、相对动弹性模量以及损伤层厚度变化分析，研究得出合理掺加矿物掺合料能够增强混凝土的抗盐侵蚀能力。此项研究可以运用于混凝土结构的维护和修补技术中，以增加结构的使用寿命与安全性。在混凝土耐久性研究方面取得了丰富的成果，但是在混凝土内部含水率方面，由于实际试验过程中混凝土的孔隙率不同且水分在空气中会蒸发，无法准确设置 钢 筋 混凝 土结 构 的 内 部 含 水 量。本 研 究 基 于 有限元分析软件，设计出钢筋混凝土墩柱模型，并且利用 脚本精确设置了混凝土结构的内部含水率。在冻融环境下模拟水冻胀造成的混凝土保护层剥落，测试钢筋混凝土墩柱模型的表观损伤与体积损失率，并研究其轴心荷载 位移曲线等力学性能的变化规律，最终建立钢筋混凝土墩柱在不同含水率下的冻融损伤预测模型。有限元模型 模型尺寸与配筋钢筋混凝土墩柱模型规格设计如图 所示：墩柱高度为 ，圆柱截面直径为 ，混凝土等级为 ，保护层厚度为 ；模型柱身纵筋全截面沿中心对称配置 根长度为 、直径为 的 级螺纹钢；箍筋设置为直径 的 级螺纹钢，加密区间距为 ，非加密区间距为 。为保第 卷 第 期年 月 山西建筑 证模型构件的整体性与稳固性，箍筋绑扎采用螺旋箍筋形式，采用螺旋式绑扎的钢筋骨架呈多个三角形紧密结合，相较于单箍绑扎更加牢固。?模型工况基于 有限元分析软件，模型见图 ，本模型利用 脚本对 进行二次开发，将混凝土网格中的部分混凝土材料转换为水，定义水在冻融环境下的体积膨胀系数。根据水的温度变化体积膨胀原理，对混凝土保护层造成挤压，设定“”关键词，对保护层区域的混凝土拉应变达到极限拉应变的混凝土网格进行单元删除，从而模拟保护层区域的混凝土受冻融而剥落。?本研究共设计了 种不同含水率的墩柱模型，水的质量分数分别为 ，。设置 个分析步：第 分析步为钢筋混凝土墩柱在冻融环境下因内部水冻胀造成保护层区域混凝土胀裂剥落。由于水的冻胀造成的混凝土损伤是在水结冰的相变瞬间完成的，水在固液相变瞬间的体积变化最大，相变体积膨胀系数为 。保护层区域的混凝土极限拉应变设置为 ，对大于此数值的混凝土网格视为剥落。第 分析步对上述已产生损伤的钢筋混凝土墩柱进行轴心受压加载。模型考虑到荷载作用下混凝土结构的开裂损伤具有非线性、随机性等因素，故本模型采用混凝土塑性损伤模型（），模型不仅可以模拟非线性、随机性等行为，如刚度退化等性质，还能在宏观上考虑微缺陷和微空洞的平均分布情况。混凝土的力学性能在弹性阶段采用线性模型进行表示，进入塑性损伤阶段后，混凝土的应力应变曲线表示 为 损 伤 因 子 和 初 始 弹 性 模 量 的 关 系式 ，见式（）：（）（）其中，为初始弹性模量；为混凝土单轴受拉（压）损伤因子。式（）中应力与应变为名义应力应变，本研究为模拟实际工程运用，采用真实应力应变，如式（）所示：（）（）（）其中，为真实应力；为真实应变。由于规范基于弹性损伤模型，未考虑到塑性应变，若将规范损伤因子 视为 模型损伤因子 ，将无法计算出损伤后的塑性应变，如图 所示 。?张劲基于规范中的混凝土单轴受拉压本构关系给出如下公式（见式（）：（）（）（，）（）其中 ，受压阶段取 ，受拉阶段取 ；为混凝土本构关系下降段系数，取 。根据上述式（）式（）计算得出的混凝土 模型见图 ，其中受拉阶段达到峰值前均为弹性段。?模拟结果 体积劣化规律图 为钢筋混凝土墩柱模型的混凝土保护层外表面损伤，从图 ，图 的混凝土体积变化趋势可见，在整个冻融过程中，混凝土的体积变化呈突然下降趋势，随后体积变化量较小，这是由于水冻胀所造成的混凝土损伤是在水结冰的相变瞬间完成的，水在固液相变瞬间的体积变化量最大。随着混凝土中含水率的增加，混凝土保护层达到极限拉应变的区域逐渐增第 卷 第 期年 月 胡学亮，等：冻融环境含水率对墩柱混凝土劣化的影响研究多，因冻胀剥落的外表面混凝土量逐渐增大。本文研究模型忽略混凝土本身因温度产生的体积变化，只考虑水冻胀造成的混凝土损伤，故水的质量分数为 的模型体积变化始终为 。?如图 所示，水在冻结之前与冻结之后混凝土墩柱的体积变化量较小，体积变化主要表现在水的固液相变瞬间。以 含水率（质量分数）的组别为例，相变时间段体现在分析步第 步第 步之间。步 步时，钢筋混凝土墩柱的体积由 降至 ，直线的斜率为 ；步 步时，钢筋混凝土墩柱的体积变化最大，由 降至 ，直线的斜率为 ；步 步时，依然处于水的相变过程中，钢筋混凝土墩柱的体积由 降至 ，直线的斜率为 ；在第 分析步之后，水由液体变为固体的相变过程基本完成，但随着温度的下降，水在固体状态仍会有较小的体积变化，该模型在第 分析步 分析步之间的体积由 降至 ，基本可视为一条水平线，可见水在冻结为固态后对钢筋混凝土墩柱的体积影响较小。从图 可以看出，钢筋混凝土墩柱的体积损失率随含水率的增加呈规律增加，水的质量分数为 时，体积损失率达到 ；水的质量分数为 时体积损失率最大，达到了 ，是水的质量分数为 时的 倍。且随着冻融次数的增加，体积损失率会越来越大，钢筋混凝土墩柱的混凝土保护层损伤也会越来越严重。轴心受压加载荷载 位移关系如图 所示给出了不同含水率情况下钢筋混凝土墩柱的轴压荷载 位移曲线有限元分析结果，可以看出随着含水率的变化，轴压荷载 位移曲线也呈规律变化。?轴压荷载 位移曲线有限元分析结果的峰值点随着含水率的增加而降低，水的质量分数为 时的轴压峰值荷载为 ，水的质量分数为 时的轴压峰值荷载为 ，的含水率（质量分数）使得轴压峰值荷载下降了 。且钢筋混凝土墩柱的刚度、延性以及耗能参数均随含水率的增加呈现退化趋势。结论通过对不同含水率的钢筋混凝土墩柱模型进行研究，并针对其体积损失率与力学性能退化情况进行分析，得到如下结论：）水在固液相变瞬间的体积变化量最大，处于液态或固态时，体积变化很小，故由于水冻胀所造成的混凝土损伤是在水结冰的相变瞬间完成的。）钢筋混凝土墩柱的体积损失率随含水率的增加呈第 卷 第 期年 月山西建筑 规律增加，水的质量分数为 时，体积损失率达到 ；水的质量分数为 时体积损失率最大，达到了 ，是水的质量分数为 时的 倍。随着冻融次数的增加，体积损失率会越来越大，钢筋混凝土墩柱的混凝土保护层损伤也会越来越严重。）轴压荷载 位移曲线有限元分析结果的峰值点随含水率的增加而降低，水的质量分数由 提高到 时，轴压峰值荷载下降了 。参考文献：，（）：，：，：，（）：罗大明，牛荻涛 基于钢筋锈蚀的混凝土结构耐久性评定 工业建筑，（）：，徐文胜，吴贤国，冯宗宝，等 复杂环境多因素耦合作用下混凝土耐久性能劣化分析 现代隧道技术，（）：侯泽宇，王家滨，郭庆军，等 复合盐侵蚀再生混凝土耐久性能退化试验研究 硅酸盐通报，（）：，张劲，王庆扬，胡守营，等 混凝土损伤塑性模型参数验证 建筑结构，（）：赵新宇 钢筋混凝土上翻悬挑梁裂缝数值模拟研究 山西建筑，（）：，中华人民共和国住房和城乡建设部 混凝土结构设计规范：北京：中国建筑工业出版社，滕楠，孙景江，杜轲 混凝土塑性损伤模型损伤因子计算方法对比研究 中国力学学会 第 届全国结构工程学术会议论文集（第册）北京：工程力学 杂志社，：，（，；，；，）：，“”，：；第 卷 第 期年 月 胡学亮，等：冻融环境含水率对墩柱混凝土劣化的影响研究