腐蚀钢筋再生混凝土梁承载力数值模拟.pdf

低温建筑技术 2 0 1 5年第 1 期( 总第 1 9 9 期) DO I ： 1 0 1 3 9 0 5 j c n k i a w j z 2 0 1 5 0 1 0 3 3 腐蚀钢筋再 生混凝 土梁承载 力数值模拟 宋永吉 ， 叶方洁 ， 李洪明 ( 1 江苏筑原建筑设计有 限公司 ， 江苏常 州2 1 3 0 0 2； 2 南京航空航天大学土木工程系 南京2 1 0 0 1 6) 【 摘 要】 利用有限元方法对钢筋腐蚀率为 2 6 再生混凝土梁进行了模拟和分析， 通过对有限元计算结果 的分析， 可知梁的破坏形态、 竖向裂缝扩展过程和荷载 一挠度曲线均与试验结果类似。有限元计算得到腐蚀钢筋 再生混凝土梁的极限承载力比试验结果低约 6 。 【 关键词 】 有限元分析； 腐蚀钢筋； 再生混凝土梁； 破坏形态； 极限承载力 【 中图分类号】 T U 3 7 5 【 文献标识码】 B 【 文章编号】 1 0 0 1 6 8 6 4 ( 2 0 1 5 ) O 1 0 0 9 6 0 3 再生集料混凝土是指利用废旧混凝土破碎加工而成的 再生集料， 部分或全部代替天然集料配制而成的新混凝土， 简称再生混凝土 J 。 目前， 国内外对再生混凝土梁的研究 已经较多。I s h i 2 J 、 肖建庄 等人试验和研究分析都表明 再生混凝土梁抗弯正截面服从平截面假定； 其抗弯性能较 普通混凝土梁没有明显下降， 而刚度有所下降。但对于再 生混凝土梁处于腐蚀环境中承载力和变形的研究很少。钢 筋腐蚀是影响钢筋混凝土结构耐久性的主要原因。钢筋腐 蚀会导致混凝土结构过早破坏， 造成巨大的经济损失。 研究表明， 腐蚀钢筋再生混凝土梁的抗弯性能与腐蚀 钢筋普通混凝土梁相似。本文利用有限元分析软件 A N S Y S ， 根据腐蚀钢筋普通混凝土梁的抗弯分析方法， 对钢筋 腐蚀率为2 6 的再生混凝土梁进行了模拟和分析 ， 求解其 极限承载力。将 A N S Y S分析的结果与腐蚀钢筋再生混凝土 梁的加载试验结果对比， 分析了钢筋腐蚀后再生混凝土梁 的破 坏形 态 、 承载力 和挠 度的变化规 律 ， 为再生混 凝土梁 耐 久性的进一步研究提供科学依据。 1 原型简 介 再生混凝土试验梁尺寸为 b h L=1 2 0 m m 2 0 0 m m x 1 5 0 0 ra m， 强度 等级 R C 3 5 。梁主筋 为 2根直径 1 2 ra m 的 H R B 3 3 5级钢筋， 保护层厚度为 2 5 m m， 架立筋与箍筋均为直 径 8 ram的 H P B 2 3 5级 钢筋， 试 验梁两 端箍 筋 间距均 为 1 0 0 ra m， 跨中不配置箍筋。试件梁具体尺寸与配筋见图 1 。 5 0 0 。 5 0 0 5 0 0 图1 试件尺寸及配筋图 2 材料属 性 再生混凝土抗压强度 1 6 7 e 6 N m ， 抗拉强度 1 5 7 e 6 N m ， 弹性模量 2 5 3 e 1 0 ， 白 松比0 2 。再生混凝土本构模型采 用文献 4 给出的应力 一应变关系曲线。未锈蚀纵筋屈服 应变 1 6 e一 3 ， 屈服强度 3 3 5 e 6 N m ， 强化应变 0 2 ， 极 限强 度 5 1 0 e 6 N m ，弹性模量2 0 e l l N m 。架立筋屈服强度为 2 3 5 e 6 N m ， 弹性模量 2 1 e l 1 N m 。钢筋泊松比均取 0 3 。 本文钢筋腐蚀率为 2 6 ， 腐蚀钢筋应力 一应变关系参考文 献 5 。腐蚀钢筋与再生混凝土之间的粘结滑移关系根据 肖建庄等 的研究成果计算。 3单元类型的选择 采用钢筋与再生混凝土的分离式模型对腐蚀钢筋再生 混凝土梁进行有限元分析。箍筋和架立筋单元与再生混凝 土单元共用节点， 纵筋单元与再生混凝土单元之间由粘结 单元联接。A N S Y S设计时采用改进的 Wi ll i a mWa mk e五 参数破坏准则作为再生混凝土强度破坏准则。再生混凝土 选用 S O L I D 6 5单元， 钢筋选用 LIN K 8单元 ， 再生混凝土与钢 筋之间的粘结由C O MB I N E 3 9单元来模拟。 4 模型建立 本文根据有限元分析的特点和工作量的大小， 先创建 再生混凝土的实体模型， 然后对实体模型进行网格划分。 考虑到再生混凝土保护层厚度为 2 5 3 0 mm， 为使划分单元 规整、 尺寸统一 ， 再生混凝土六面体单元的尺寸为2 5 x 2 5 3 O 。架立筋和箍筋单元与再生混凝土单元共用节点， 将相 应位置处的节点联接即可。腐蚀纵筋单元应独立创建。在 每个纵筋单元 与再生 混凝土单元节点重合 处创建两个 C O MB I N E 3 9粘结单元。设置粘结单元的 自由度方向， 建立 平行于纵筋方向和垂直于纵筋方向的弹簧单元。创建的再 生混凝土单元、 钢筋单元与粘结单元如图 2所示。 采用弥散裂缝方式来处理再生混凝土开裂， 裂缝张开 剪力传递系数为 0 4， 闭合剪力传递系数为 1 。钢筋单元由 L I N K 8单元模拟， 架立筋与箍筋本构关系采用双线性随动强 化模型( B K I N ) ， 腐蚀纵筋本构关系采用多线性随动强化模 型( MK I N) 。腐蚀钢筋再生混凝土梁有限元模型创建完成， 在支座处施加 自由度约束， 跨中两点对称加载 1 0 0 k N， 于跨 中形成 0 6 m长的纯弯段。 5 模型求解 为加速再生混凝土梁计算的正常收敛， 不考虑再生混 凝土压碎 ， 关闭大变形选项 ， 打开线性搜索 、 预测等选项。 子步数设置为 1 0 0， 每个荷载子步的迭代次数为5 O ， 收敛误 差放宽到 3 。经过多次试算， 得到比较满意的计算结果。 宋永吉等： 腐蚀钢筋再生混凝土梁承载力数值模拟 瞳 氆 图2 再生混凝土单元、钢筋单元与粘结单元 图 进入通用和时间历程后处理器查看计算结果。图 4为 梁挠度 一时间( 荷载) 曲线图， 从图中可看出再生混凝土梁 最终为弯曲破坏。加载至钢筋屈服后， 再生混凝土梁的挠 度迅速增加 ， 弯曲裂缝持续开展， 当跨中挠度达到2 4 m m时， 即判定再生混凝土梁破坏。再生混凝土梁的弯曲破坏形态 如 图 3所示 。 图3 梁弯曲破坏形态图 此为适筋梁破坏模式， 破坏始于受拉区钢筋屈服， 在钢 筋应力达到屈服强度之初， 受压区边缘再生混凝土应变小于 受弯时的极限压应变 ， 当钢筋经历较大的塑性伸长 ， 裂缝急剧 开展 ， 梁挠度激增， 中和轴继续上移后 ， 纯弯段内最大裂缝宽 度迅速扩展， 梁宣告破坏， 此类破坏具有明显预兆。达到极限 承载力时， 构件挠度和裂缝分布如图5和图 6 所示。 O 8 一 0 8 o 螽- 2 4 爨； H4 -5 6 - 7 2 、 l O 0 0 7 6 022 8 0 3 8 0 6 3 2 0 6 8 4 时间 图4 粱挠度一 时间 ( 荷载 )曲线图 图5 粱挠度等值线图 由有限元模型计算出腐蚀钢筋再生混凝土梁的极限承 载力为 1 1 4 k N m， 试验结果为1 2 1 k N m ， 两者差值为 图6 粱裂缝分布图 6 。主要是因为梁达到极限承载力时， 钢筋与再生混凝土之 间产生了较大的粘结滑移。由于粘结作用降低 ， 受拉钢筋应 变趋于均匀， 使裂缝间纵向受拉钢筋应变不均匀系数增大， 再 生混凝土梁跨中挠度增加较快， 很快即发生了破坏。 图7 梁内纵筋粘结滑移图 6结语 ( 1 ) 利用有限元方法对钢筋腐蚀率为 2 6 再生混凝 土梁进行了模拟和分析 ， 再生混凝土选用 S O L I D 6 5单元， 钢 筋选用 L I N K 8单元， 再生混凝土与钢筋之间的粘结由 C O M B I N E 3 9单元来模拟。模拟分析结果与试验结果相符， 说明 这种分析方法是可行的。 ( 2 ) 通过对有限元计算结果分析， 可知梁破坏形态、 竖向裂缝扩展过程和荷载 一挠度曲线均与试验结果类似。 ( 3 ) 有限元计算得到腐蚀钢筋再生混凝土梁的极限 承载力比试验结果低约 6 ， 主要是由于腐蚀钢筋与再生混 凝土之间发生了较大粘结滑移后， 梁的刚度削弱较多， 跨 中 挠度迅速增加， 很快便发生了破坏。 参考文献 1 肖建庄再生混凝 士 M 北 京： 中国建筑工 业出版 社 ， 2 0 0 8 2 I s h i l l K e t a 1 F l e x i b l e c h a r a c t e ri s t i c o f R C b e a m w i t h r e c y c l e d c o 8 1 3 e a g g r e g a t e C P r o c e e d i n g o f t h e 2 5 #J S C E An n u a l Me e t i n g，Ka n t o Br a n c h 1 9 9 8：8 8 6 8 8 7 3 肖建庄， 兰阳 再生粗骨料混凝土梁抗弯性能试验研究 J 特种结构 ， 2 0 0 6， 2 3 ( 1 ) ： 91 2 ， 、 ， 0 。 墨 ： ， ， ， 一， ， ， ， ， ， ， 一 ， ， 9 8 低温建筑技术 2 0 1 5年第 1期( 总第 1 9 9期 ) DO I ： 1 0 1 3 9 0 5 j c n k i d w j z 2 0 1 5 O 1 0 3 4 轻钢 肋筋建筑模 网在 墙体 工程的应用 裴畅荣 ( 山西建筑工程 ( 集团J 总公司总承包 部。 太原0 3 0 0 0 0) 【 摘要】 轻钢肋筋建筑模网配合轻钢龙骨、 保温隔音材料、 水泥砂浆共同组合成一种新型的墙体材料， 成 活后有较高的墙体刚度、 抗裂性 、 稳定性， 本文结合工程实例阐述了轻钢肋筋建筑模网本身的优点， 及其工艺原 理， 介绍了其工艺流程， 得到了很好的经济、 社会效益。 【 关键词】 缩短工期； 降低成本； 节能环保 【 中图分类号】 T U 3 9 8 【 文献标识码】 B 【 文章编号】 1 0 0 1 6 8 6 4 ( 2 0 1 5 ) 0 1 0 0 9 8 0 2 当前， 随着国家对节能环保的日益重视 ， 建筑工程轻质 墙体材料愈来愈多， 有烧结空心砖 、 蒸压加气混凝土砌块、 轻骨料混凝土小型砌块等。但不管是哪种材料， 由于我们 操作工人水平不同， 或是材料尺寸大小不一， 或是材料强度 不稳定等因素， 导致砌体工程出现很多质量通病 ： 砂浆不饱 满、 墙体不顺直、 通缝、 砂浆强度不稳定， 墙体裂缝等。并 且， 由于材料的二次、 三次搬运， 水电安装的二次开槽， 造成 了材料的极大浪费， 也给施工现场带来了严重的扬尘污染。 轻钢肋筋建筑模网材料的问世， 解决了这一难题。下 面， 本人结合工程实例就轻钢肋筋建筑模 网在墙体工程 中 的研究与应用做一简要解析： 1 工程概况 我公司承揽的大同小新街高层住宅楼 ， 工程总建筑面 积 3 1 2 8 8 6 7 m ， 其中住宅建筑面积2 5 0 0 7 5 1 m 2 ， 商业建筑面 积 2 0 8 5 6 4 m 。地下车库建筑面积2 5 1 9 4 7 m ， 地下一层、 二 层建 筑面积各为 7 8 4 5 6 m ， 水箱 间、 电梯 机房建 筑面积 1 3 1 3 1 m 。首 层建 筑 面 积 7 0 9 5 7 m。 ， 标 准 层 建筑 面 积 8 0 5 2 7 m 。主楼地下两层， 层高为 3 6 m； 商业服务网点层高 均为 3 3 m。地上 3 6层 ， 为单元式住宅 ， 层高均为 3 O m； 顶 部电梯机房层高 4 8 m。建筑高度为 1 1 2 6 m， 室内外高差 0 3 0 6 m。耐火等级为一级 ， 抗震设防烈度为 8度， 地下 防水等级为一级， 屋面防水等级为 级。 该工程由于为临街建筑， 造 型复杂， 有好多空调板侧 板， 阳台侧墙均为 1 0 0 ra m厚 弧形混凝 土墙 ， 内隔墙均为 2 0 0 mm厚加气混凝土砌块墙。当时我项 目部存在三个迫在 眉睫的主要问题： 工期紧张； 加气混凝土砌块材料市场 供应量不足， 不能满足现场供应； 1 0 0 mm厚的空调板、 阳 台侧板弧形混凝土墙模板支设困难， 拆模后的部分墙体很 不美观 ， 且质量差。 为此 ， 我单位与建设单位、 设计单位协商采用轻钢肋筋 建筑模网体系代替加气混凝土砌块墙及处理外墙弧形混凝 土墙， 得到建设单位、 设计单位的同意。 2 轻钢肋筋建筑模网材料的介绍 轻钢肋筋网墙体材料是以双层轻钢肋筋网( v字型) 为 骨架 ， 填料为水泥砂浆的新型轻质墙体， 轻钢肋筋网是采用 热浸锌钢带扩拉成型 ， 钢网中等距离排列多条“ 一 ” 字型肋 筋 ， 形成钢网骨架的一种新型材料， 它与普通的砌体工程材 料相比具有以下优点： ( 1 ) 框架结构墙体厚度可以随意调整 ， 不受尺寸限 制， 不受形状限制， 有效利用房间使用面积。 ( 2 ) 由于双层轻钢肋筋网之间可以添加保温、 隔音材 料， 降低了墙体 自 重， 增加了保温、 隔音效果。 ( 3 ) 该墙体现场一次成型， 水泥砂浆与轻钢肋筋网形 成一个整体， 抗震性能好 ， 具有很强的吊挂力和抗冲击力。 ( 4 ) 墙体网片呈 V型设计， V型凹槽使水 、 电、 暖等预 埋管线变得方便、 快捷， 避免了二次开槽施工， 也节省了大 量的人工、 材料、 机械费用。 ( 5 ) 墙体工程与抹灰工程相结合 ， 施工进度快、 可缩 短工期 、 降低成本。 ( 6 ) 节能环保， 现场整洁， 便于安全文明管理， 具有 良 好的经济效益和社会效益。 3 工 艺原 理 轻钢肋筋建筑模网配合轻钢龙骨、 保温隔音材料、 水泥 砂浆共同组合成一种新型墙体材料， 成活后有较高的墙体 刚度、 抗裂性、 稳定性， 同时， 在墙体成形过程中， 可利用建 筑模网的 V字型凹槽预埋水、 暖、 电管道， 利用建筑模 网整 4 王浩再生混凝土强度指标及单轴受压本构关系研究 D 南 京 ： 南京航空航天大学 ， 2 0 0 9 5 张伟 平 ，商磴 峰 ，顺 祥林锈 蚀 钢筋 应 力 一应 变关 系研 究 J 同济大学学报( 自然科学版) ， 2 0 0 6 ， 3 4 ( 5 ) ： 5 8 6 5 9 2 6 肖建庄 ，雷斌锈蚀钢筋与再生混 凝土 间粘结性能试验研 究 J 建 筑结构学报 ， 2 0 1 1 ， 3 2 ( 1 ) ： 5 86 2 7 S o n g Y o n gj i ，wu J i n E x p e r i m e n t a l R e s e a r c h o n t h e F l e x u r a l P rop e r t ie s o f Co r r o d e d R e i n f o r c e d Co n c r e t e Be a ms wi t h Re c y c l e d C o a r s e A g g r e g a t e C ffP r o e e edi n g s o f t h e 2 n d i n t e rn a t i o n a l C O Il f e r e n c e 0 1 3 wa s t e e n g i n e e r i n g a n d ma n a g e me n t S h a n g h a t ： 2 01 0： 5 2 25 2 7 收稿 日期 2 0 1 40 9 2 4 作者简介 宋永吉 ( 1 9 8 7一) ， 男 ， 江苏常州人 ，工程师 ，从 事建 筑结构设计方 面的工作。