钢筋混凝土锈蚀膨胀力的数值模拟研究.pdf

1 9 8 建 筑 技 术 A r c h i t e c t u r e T e c h n o l o g y 第 4 4卷第 3期 2 0 1 3年 3月 Vo 1 4 4 No 3 Ma r 2 01 3 钢筋混凝土锈蚀膨胀力的数值模拟研究 李悦颜超 ，辜 中伟 ( J 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， 1 0 0 1 2 4 ， 北京 ) 摘 要： 计算分析钢筋混凝土中钢筋锈蚀量产生 的膨胀应力是目前混凝土耐久性研究的重点问题 。 考虑混 凝土中钢筋的不均匀锈蚀现 象，应用有限元分析软件A B A Q U S 对钢筋锈蚀引起 的混凝土内应 力进行数值模拟 ， 总结混凝士主拉应力的分布规律。 关键词： 钢筋锈蚀 ； 应力分析 ； 混凝土 ； 有限元 中图分类号 ： T U 5 1 1 3 2 文献标识码 ： A 文章编号 ： 1 0 0 0 4 7 2 6 ( 2 0 1 3 ) 0 3 0 1 9 8 0 4 NUM EI UCAL SI M ULATI oN RES EARCH FoR CoRROSI ON EXPANS I oN S TRES S oF REI NFoRCED CoNCRETE L I Yu e，YAN Cha o，GU Zh on g we i ( K e y L a b o r a t o r y o f U r b a n S e c u r i t y a n d D i s a s t e r E n g i n e e r i n g MO E ，B e i j i n g Un i v e r s i t y o f T e c h n o l o g y ，1 0 0 1 2 4 ，B e i j i n g ，C h i n a ) Abs t r a c t ： I t i S a k e y p o i n t i n c u r r e n t r e s e a r c h o f c o n c r e t e d u r a b i l i t y t o c a l c u l a t e a n d a n a l y z e t h e e x p a n s i o n s t r e s s g e n e r a t e d d u e t o c o rro s i o n o f s t e e l b a r s i n r e i n f o r c e d c o n c r e t e Co n s i d e rin g t h e u n e v e n r u s t o n s t e e l b a r s i n r e i nfo r c e d c o n c r e t e fi n i t e e l e m e n t a n a l y s i s s o f t w a r e A B A Q U S i S u s e d f o r n u m e ri c a l s i m u l a t i o n o f s t r e s s i n c o n c r e t e d u e t o r u s t i n g o f s t e e l b a r a n d d i s t r i b u t i o n l a w o f t h e ma i n t e n s i l e s t r e s s o f c o n c r e t e i s s u mma r i z e d Ke y wo r ds ：rus t i n g o f s t e e l b a r ；s t r e s s a n a l y s i s ；c o n c r e t e ；fin i t e e l e me n t 钢筋混凝土结构中的钢筋发生锈蚀后会发生体积 膨胀 ， 其产生铁锈 的体积是相应钢筋体积的2 4 倍 ， 在 混凝土和钢筋交界面上产生压力 ，称为钢筋锈蚀膨胀 力， 严重时会因混凝土主拉应力过大而开裂 ， 因此研究 钢筋锈蚀对混凝土内应力分布的影响有重要意义。 有限元法广泛应用于混凝土应力场分析 。文献1 3 采用有限元方法分析了钢筋锈蚀引起的混凝土破坏 过程 ， 取扩孔试验 中一典 型模型 ， 应用有限元程序对试 件进行过程仿真 ，分析了试件混凝土保护层应力场随 径向膨胀位移的变化情况 ，对裂缝的出现趋势进行预 测并与试验结果比较 。张伟平 4 1 用A N S Y S 软件进行了 混凝土中钢筋锈胀过程的计算机仿真分析。叶文亚等 5 1 用A N S Y S 软件模拟了多根锈蚀钢筋对周围混凝土应力 场的影响 。 上述研究多基于锈蚀均匀膨胀的原理进行 ， 但钢筋实际锈胀过程是不均匀的。A B A Q U S 是一套功 能强大的工程模拟有限元软件 ，其解决问题的范围从 相对简单的线性分析到许多复杂的非线性问题 。本文 通过A B AQ U S 有限元软件模拟钢 筋锈蚀 的非均 匀膨 胀 ， 研究锈蚀膨胀对混凝土内应力分布的影响。 收稿 日期 ： 2 0 1 2 1 0 1 3 基金项 目： 北京 市自然科 学基 金重大课 题“ 北京城市基础设施耐久性研 究” ( 8 1 0 0 0 0 1 ) ： 国家科技支撑项 目“ 多 因素耦合作用下桥隧混凝土 开 裂特性拟合分析 ” ( 2 0 1 1 B AE 2 7 B 0 4 7 ) 作者 简介 ： 李悦 ( 1 9 7 2 一) ， 男 ， 河 北唐 山人 ， 教授 ， e ma i l ：l i y u e b j u t e d u 1 模型的建立 目前有限元软件模拟混凝土中钢筋锈蚀膨胀产生 的混凝土内应力有3 种途径 ：对混凝土试件施加径向 力、对混凝土试件设置温度膨胀环和对混凝土试件施 加径向位移。本文采用施加径 向位移的方法对混凝土 保护层 开裂前钢筋锈蚀不均匀膨胀进行数值模拟 ， 更 接近真实情况。文中假设沿轴向钢筋的锈蚀膨胀是均 匀的 ，因此钢筋锈蚀膨胀过程可按平面应变 问题处理 分析 ， 用直径相同的孔洞来代表钢筋 ， 以便实现位移的 施加。大量试验证明混凝土结构中钢筋锈蚀是不均匀 的 ， 朝向混凝土保护层一侧的钢筋膨胀更大一些 ， 因此 本文有限元模拟 中的径向位移场采用文献6 中分析得 出的位移场 ( 图1 ， 2 ) ， 图中 是锈蚀层最大厚度 ， U 2 是锈 蚀层最小厚度 为各锈蚀位置与 轴的夹角。 图1 非角区钢筋表面混凝土的径向位移分布 2 0 0 建筑技术 第 4 4卷第 3期 模型弹性设计的基本原理 。 同时随路径映射距离增加 ， 混凝土最大主拉应力逐渐减小 ，在路径映射距离为1 3 m m左右时 ， 混凝土最大主拉应力达到最低值 ； 但 随后 最大主拉应力有缓慢增大的趋势 ，在混凝土保护层最 外侧处明显高于应力最小值 ，说明混凝土保护层最外 表面处也可能早于内部某些部位提前开裂。 从图8 可看出， 对背向混凝土保护层一面 ， 混凝土 最大主拉应力同样在与钢筋表面接触处最大，但随映 射距离增加 ， 最大主拉应力减小 ， 在混凝土最外侧几乎 降为零 ， 说明最外侧是不易开裂的部位 。 对路径 1 ， 通过调整 的大小来研究不同锈蚀程度 对混凝土最大主拉应力的影响 ， 结果如图9 所示 。可看 出锈蚀程度越大 ， 混凝土最大主拉应力就越高 ， 钢筋表 面混凝土就越易因所受拉应力大于抗拉强度而开裂。 不同锈蚀程度沿路径1 的混凝土最大主拉应力的变化 基本一致 ， 即随着映射距离增加 ， 混凝土最大主拉应力 减小 ， 当靠近混凝土保护层最外边缘时 ， 最大主拉应力 有增大的趋势 ； 但也可发现随锈蚀程度减小 ， 靠近混凝 土保护层最外边缘的主拉应力增大幅度也减小 ，当径 向位移为0 5 m时 ， 基本没有增大的趋势。 图9 路径1 不同锈 蚀程度最大主拉应力变化 已 1 C 4 0 混凝土的抗拉强度为1 7 1 N m m 。通过调 试 可知 ， 当 = 2 1 m， tz 2 = 1 3 m时 ， 钢 筋 锈 蚀产 生 的混 凝土最大主拉应力大致达到1 7 1 N m m ，位于钢筋与 混凝土表面交接面处 ， 此时混凝土发生开裂 ， 如图1 0 所 示 。 图1 0 混凝 土开裂时最大主拉应力云图 2 2 角 部单 孔模 型和 单排双 孔模 型 假设钢筋锈蚀层最大厚度 = 1 5 t x m， 最小厚度 ： = 1 m， 对模型进行计算和分析 ， 混凝土最大主拉应力云 图见 图 1 1 。 1 2 。 图1 1 角部单孔模型最大 主拉应力云 图 图1 2 单排双孔模型最大 主拉应力云图 从 图中可看出 ， 对于角部单孔和单排双孔模型 ， 钢 筋锈蚀膨胀对混凝土最大主拉应力的影响和中部单孔 一 致 ，即在混凝土与钢筋表面接触处混凝土最大主拉 应力最大 ， 然后向四周减小 ， 在保护层最外侧处有增大 的趋势。对比图1 1 ， 1 2 可看出 ， 多根钢筋同时锈蚀时会 对混凝土的最大主拉应力产生影响 ，在部分区域 由于 共同膨胀会产生最大主拉应力叠加 。在单根钢筋锈蚀 膨胀下 ， 混凝土的最大主拉应力为1 4 6 2 MP a ， 而在双根 钢筋锈蚀膨胀下 ， 最大主拉应力增加到1 5 3 3 MP a 。 由于 实际工程中混凝土结构很少有单排一根钢筋的情况 ， 多为单排多根钢筋并存 ，相邻钢筋的间距会对混凝土 最大主拉应力造成很大影响， 为此进行了以下研究。 在其他参数不改变的情况下 ，通过改变相邻钢筋 的间距。得出了钢筋间距对混凝土最大主拉应力的影 响( 图1 3 ) ， 其中p 为混凝土 由于单根钢筋锈蚀膨胀产 生的最大主拉应力 ， p ： 为双根钢筋锈 蚀膨胀产生 的混 凝土最大主拉应力 ， s 为钢筋间距 ， r 为钢筋直径。 3 O 2 l 8 2 6 2 4 2 - 2 2 0 1 8 1 6 1 4 1 2 1 0 0 8 2 1 r 图1 3 路径2 最大 主拉应力变化 从图1 3 可看出， 相邻钢 筋间距越小 ， 混凝土最大主 拉应力叠加程度越大。当钢筋间距与直径比在4 以内 时，相邻钢筋膨胀对混凝土最大主拉应力的影响特别 显著 ： 当钢筋间距为钢筋直径的8 倍时 ， 应力叠加现象 基本消失。实际工程中钢筋间距一般都小于钢筋直径 的5 倍 ， 所 以须考虑相邻钢筋锈蚀膨胀对混凝土 内应力 产生的叠加作用。 第 4 4卷第 3期 2 0 1 3年 3月 Vo 1 4 4 No 3 Ma r 2 01 3 建 筑 技 术 Ar c h i t e c t u r e T e c h n o l o g y 2 01 一 种组合模型在地面沉降预测 中的应用研究 熊春宝，王海涛 ( 天津大学建筑工程学院 ，3 0 0 0 7 2 ，天津) 摘要 ： 根据B P 神经网络模 型和 自适应滤波模型模拟预测值相对 于真实值上下波动的特点 ， 应用方差理论 建立B P 神经网络自适应滤波组合模型 ， 将其应用到天津富裕广场三期工程基坑周边地面沉降分析预测中。通过 与独 立的B P 神经网络和 自适应滤波模型模拟预测数据对比 ， 证明了组合模 型模拟预 测的高精确性 。 关键词 ： B P 神经 网络 ； 自适应滤波 ； 组合模型 ； 地面沉降 ； 预测 中图分类号 ： T U 4 7 l 文献标识码 ： A 文章编号 ： 1 0 0 0 4 7 2 6( 2 0 1 3 ) 0 3 0 2 0 1 0 4 S TUDY 0N APP LI CATI oN oF A COM BI NED M ODEL ON LAND S UBS I DENCE FORECAS T Xl ONG Chu n b a o W ANG Ha i -t ao ( S c h o o l o f C i v i l E n g i n e e r i n g ，T i a n j i n U n i v e r s i t 3 ，3 0 0 0 7 2，T i a n j i n ，C h i n a ) Ab s t r a c t ：BP n e u r a l n e t wo r k a n d a d a p t i v e fil t e r c o mb i n e d mo d e l wa s b ui l t wi t h v a ria n c e t h e o r y a c c o r d i n g t o t h e c h a r a c t e ris t i c o f s i mu l a t i o n a n d f o r e c a s t v a l u e f r o m i n d e p e n d e n t BP n e u r a l n e t wo r k mo d e l a nd a d a p t i v e fil t e r mo d e l f l u c t u a t i n g r e l a t i v e l y t o t h e t r u e v a l u e Th e c o mbi n e d mo d e l wa s u s e d t o a na l y z e a n d f o r e c a s t t h e l a n d s u b s i d e n c e a r o u n d f o u n d a t i o n o f t h e t h i r d p e ri o d p r o j e c t o f T i a n j i n F u y u S q u are Hi g h a c c u r a c y o f t h e c o mb i n e d mo d e l wa s p r o v e d b y c o mp a rin g t h e c o mb i n e d mo d e l d a t a wi t h t h e r e s u l t s fro m i n d e p e n d e n t BP n e u r a l n e t wo r k mo d e l a n d a d a p t i v e f i he r mo d e 1 Ke y wo r d s ：BP n e u r a l n e t wo r k ；a d a p t i v e fil t e r ；c o mb i n e d mo d e l ；l a n d s u b s i d e n c e ；f o r e c a s t 沉降分析在建筑设计、施工和使用过程 中是一项 非常重要的工作 ，尤其是施工建设过程中观测数据的 分析 ， 更是安全和质量环节不可或缺的内容。 为保证施 工正常进行 ，需建立基于已有沉降观测数据的时间序 列模型 ， 并用其模拟和预测地面沉降值。 收稿 日期 ： 2 0 1 2 0 9 2 8 基金项 目： 国家重点基础研究发 展计划 ( 9 7 3 计划 ) 课 题( 2 O 1 0 C B 7 3 2 1 O 6 ) 作者 简介 ：熊春 宝 ( 1 9 6 4 一 ) ，男 ，湖北 武汉人 ，教授 ，博 士 ， e ma i l ： l u h a i _t j 1 2 6 c o m 3结论 建立研究工程 问题时间序列模型已有很多成果 ， 如王杰等 - 提出的A R 模型预测基坑水平位移 ； 杨茜嘲 利 用改进的B P 神经 网络模型预测隧道长期沉降 ； 米鸿燕 等3 利用灰色B P 神经网络模 型对沉降进行预测 。在已 有的工程问题时间序列预测模型中 ，大都只是采用新 型模型或通过对模型 自身算法的改进来提高精度 ， 而 通过数理统计方式来组合的预测模型较 少。 本文根据数理统计方差理论 ， 使用Ma t l a b 编程 ， 实 现对在时间序列分析预测中应用较广泛且精度较高的 B P 神经网络模型和自适应滤波模型的组合 ， 并将其应 ( 1 )基于有限元软件A B A Q U S 分析可知 ，在混凝 土与钢筋表面接触处 ，由于钢筋锈蚀膨胀产生的混凝 土最大主拉应力最大 ； 随着路径映射距离的增加 ， 混凝 土最大主拉应力逐渐减小。 ( 2 )不同锈蚀程度会对混凝土最大主拉应力产生 不同影响 ， 当锈蚀程度小时 ， 靠近混凝土保护层最外边 缘的主拉应力几乎不增长。 ( 3 )钢筋相邻距离会对混凝土的主拉应力产生影 响 ， 钢筋间距越近影响越明显 ， 实际工程中需考虑相邻 c 钢筋锈蚀膨胀对混凝土拉应力产生的影响。 参考文献 1 王巧平 钢筋混 凝土锈裂损 伤规律 试验研 究及 理论分 析 【 D 】 ， 南 京 ： 河海大学 。 2 0 0 4 2 牟艳君 ， 袁迎曙 ， 姬永生基于钢 筋锈蚀膨胀 的混凝 土应力分析方 法 J 淮海工学院学报( 自然科学版) ， 2 0 0 6 ， 1 5 ( 1 ) ： 6 6 7 0 3 夏宁 ， 任青文 ， 李宗利砂浆锚杆锚 固段锈蚀胀裂过程 的数值模拟 及分析 J 岩石力学与工程学报 ， 2 0 0 6， 2 5 ( 7 ) ： 1 4 8 1 1 4 8 5 4 张 伟平 ， 张 誉混凝 土中钢筋 锈胀过程 的计算机 仿真分析 J 同 济大学学报2 0 0 1 ( 2 9) ： 1 3 7 5 1 3 7 7 5 叶文亚 ， 李 国平 ， 范立础钢筋锈t 虫 量对周围混凝土应力场的参数 敏感性分析 J 上海公路 ， 2 0 0 8 ， 4： 2 9 3 3 6 薛 圣广钢筋非均 匀锈蚀引起 的保 护层开裂有 限元分析 D 两 安 ： 西安建筑科技大学 2 0 0 8