锈蚀钢筋混凝土受弯构件性能退化规律研究.pdf

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 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 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 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 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 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 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 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。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 ； 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 ) 。 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 ) 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 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 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产生 “ 体积 自锁” 2 1 1 ， 因此 ， 本文混凝土部件采用 C 3 D 8 R。钢筋采用桁架 单元 T 3 D 2 ，计算采用 S T A T I C G E N E R A L进行静力 分析。在赋 予混凝土单元材料属性时 ，粘滞系数 ( V I S C O S I T Y P AR AME T E R ) 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 0 0 1 0 0 0 5之间可以得到较好的收敛结果f 1 6 1 。 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 C O U P L I N G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 N L G E O M设置为 O N t= ， 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 E m b e d d e d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 2 0 1 3年第 4期 混凝土与水泥制品 总第 2 0 4期 2 xl O 7 l _8 x1 0 1 5 x1 0 1 2 xl 0 7 09 xl O 7 0 6 1 0 7 0 3 x1 O O 01 8 位 移 m m 图 1 6 试验梁受压区混凝土应力一 位移曲线 挠 度 ra m 2 1 l o 6 1 8 1 o 6 1 5 1 0 6 皇1 2 1 0 0 9 1 0 O 6 l O 0 3 x1 O O 位移 m m 图 l 7 试验梁受拉区混凝土应力一 位移曲线 扑 晕 靛 图 1 9 试 验 梁 荷 载 一 挠 度 曲 线 ( 4 )图 1 9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 1 8 试验梁钢筋应力一 位移曲线 图 2 0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 q t = M 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 ： 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 ； 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 ； 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 5 0 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 ； ( 7 7 )一 降低系数 ， 采用式( 7 ) 。 本文结合文献 1 1 ， 2 3 2 5 的实验数据进行 ( 叼 ) 对锈蚀率 叼回归拟合 ， 可得到式 ( 7 ) 。 ( ) = 1 0 4 7 - 0 0 2 7 2 6 ( 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 A B A Q U S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， 2 0 0 9 【 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， 1 9 9 6 【 3 】Me h t a P K a n d B u r r o w s R W B u i l d i n g D u r a b l e S t r u c t u r e s i n t h e 2 1 t h c e n t u r y J C o n c r e t e I n t e r n a t i o n a l ， 2 0 0 1 ( 3 ) ：4 5 【 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， 2 0 0 2 ， 3 6 ) ： 3 7 1 3 8 0 【 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， 2 0 0 4 ， 3 4 ( 1 0 ) ： 3 6 3 8 【 6 】 袁迎 曙， 余 索 锈蚀 钢筋混凝土 梁的结构性 能退化 【 J 1 建筑 结构学报， 1 9 9 7 ， 1 8 ( 4 ) ： 5 1 - 5 7 7 】 吴庆， 章鑫森 ， 袁迎 曙 不 同加速方法锈 蚀钢筋混凝 土梁性 能 比较【 J 安徽理工大学学报： 自然科学版 ， 2 0 0 5 ，2 5 ( 3 ) ： 2 1 2 5 8 李果， 戴靠 山， 袁迎曙 钢 筋混凝土耐久性实 验方法研究 J 】 淮海工学院学报， 2 0 0 2 ， 1 1 ( 3 ) ： 5 6 5 9 9 】 章鑫森 人工气候与恒电流法加速锈蚀钢筋砼梁的结构性 能比较研究【 D 徐 州： 中国矿业大学， 2 0 0 4 1 0 】 惠云玲 ， 李荣 ， 林志伸， 等 混凝土基本构件钢 筋锈蚀前后 性能试验研究m 工业建筑， 1 9 9 7 ， 2 7 ( 6 ) ： 1 4 1 8 1 1 陶峰 ， 王林科， 王庆霖， 等 服役钢筋混凝 土构件承 载力 的 试验研究 J 工业建筑， 1 9 9 6 ， 2 6 f 4 ) ： 1 7 2 0 1 2 黄振 国， 李健 美， 郭乐工， 等 受腐蚀 钢筋混 凝土材料基 本 性能与受弯构件 的试验研究 J 建筑结构， 1 9 9 8 ( 1 2 ) ： 1 8 2 O 1 3 1 全明研 老化和损伤的钢筋混凝 土构件 的性 能 J 】 工业建 筑 ， 1 9 9 0 ， 2 0 ( 2 ) ： 1 0 1 3 1 4 惠卓 ， 王 庆霖 受损构件 承载 力的计算 机模 拟 J 西安 建 筑科技大学学报， 1 9 9 7 ， 2 9 ( 4 ) ：4 3 0 4 3 4 【 l 5 】 王丽 ， 邓 思华 基于 A B A Q U S的混凝 土梁 受弯 破坏实 验 非线性分析f J 1 土木 建筑工程信息技术， 2 0 1 0 ， 2 ( 1 ) ： 6 4 6 7 【 1 6 刘劲松， 刘红军 A B A Q U S钢筋混凝土有限元分析【 J 装备 制造技术， 2 0 0 9 ( 6 ) ： 6 9 7 0 1 7 】 吴庆 基 于钢筋锈 蚀 的混凝 土构件 性能 退化 预计模 型 【 M 徐州 ： 中国矿业 大学出版社， 2 0 0 9 【 l 8 中南建 筑设计 院 G B 5 0 0 1 0 2 0 0 2混凝 土结 构设计 规范 北京： 中国建筑工业 出版社， 2 0 0 2 1 9 吕西林 ， 金 国芳， 吴 晓涵 钢筋混凝 土结构非线 性理论与应 用 M 上海： 同济大学 出版， 1 9 9 7 【 2 0 王金 昌， 陈页开 A B A Q U S在土木工 程中的应用 M】 杭州： 浙江大学 出版社 ， 2 0 0 6 2 1 曹金凤 ， 石亦 平 AB A Q U S有限元分析 常见 问题 解答 M】 北京： 机械工业 出版社 ， 2 0 0 9 2 2 】 石亦平 ，周玉蓉 A B A Q U S有 限元分析实例详解 M】 北 京： 机械 工业 出版社 ， 2 0 0 9 【 2 3 赵羽习 钢筋混凝土结构粘结性能和耐久性 的研 究 D 杭 州 ： 浙江 大学 ， 2 0 0 1 2 4 】 李荣钢筋混凝 土构件锈蚀后正截 面承载力 的试验研 究 【 D 北京 ： 冶金 部建 筑研 究总院 ， 1 9 9 6 【 2 5 袁 迎曙， 章鑫林， 姬永生 人 工气候 与恒 电流通 电加 速锈蚀 钢筋混凝土梁 的结构性能 比较研究 J 土木 工程 学报， 2 0 0 6 ， 3 9 ( 3 ) ： 4 2 4 6 收稿 日期 ： 2 0 1 3 - 0 2 2 8 作者简介 ： 周效 国( 1 9 7 8 一 ) ， 男 ， 讲 师。 联 系 电话 ： 1 3 8 5 2 9 81 4 3 8 E ma i l ： z h o u x ia o g u o _7 8 0 5 0 21 6 3 c o m 一 51