锈蚀裂缝下钢筋混凝土柱承载力的有限元分析.pdf

2 0 1 4 N o 6 王纪伟 ， 等： 锈蚀裂缝下钢筋混凝土柱承载力的有限元分析 5 5 1 2模 型建 立 在 损 伤 塑 性 模 型 的 基 础 上 ， 混 凝 土 采 用 C 3 D 2 0 R， 二十节点二次六面体减缩积分单元 ， 钢筋 采用 T 3 D 2 ， 两节点线性三维桁架单元 ， 且 e m b e d于 混凝土中， 柱顶则采用参考点控制的位移加载 ， 可有 效避免加载点的应力集 中。钢筋混凝土柱的截面尺 寸取为 3 5 0 m m X 3 5 0 m m， 柱高 3 0 0 0 m m， 纵 筋为 4 1 6， 箍筋为 8 ， 加密 区间距为 1 0 0 m m， 非加密 区为 2 0 0 m m， 保护层厚度为 3 5 m m， 验算后得 出其 承载力设计值约为 1 8 0 0 k N， 具体配筋如图 2所示。 图 2钢筋 混凝 土柱 配筋 通过有限元计算 ， 发现分布在柱角的锈蚀纵裂 缝对构件的承载力影响较小 ， 所以文中着重研究分 布在柱 中的锈蚀横缝 ， 通过引言中的阐述 ， 可 以具体 的在构件中把横缝分 为以下几类 ： ( 0 20 7 ) ， C ， 5 0； ( O 2 0 7 ) ， C， 1 0 0； ( 0 2 0 7 ) ， C， 2 0 0 ； ( 0 2 0 7 ) ， C， 3 5 0； 其 中缝宽从 0 2 mlT l 变化到 0 7 m m， 缝深恒 为 保 护 层 厚 度 c ， 缝 长 则 从 5 0 m m一1 o 0 m m2 0 0 m m 3 5 0 mm依次 变化 ， 具体在有 限元 中 的实现 ， 则主要通过生死单元且 中间单元加密减小 误差 的方式来拟合不 同形态下的横裂缝 ( 图 3 ) 。 图 3 生死单元拟合横裂缝的钢筋混凝土柱 2有 限元结果分 析 2 1 轴心受压下的承载力 对钢筋混凝土柱施加 1 0 mm的轴心位移载荷 ， 观察其在无横裂缝与含有不 同横裂缝下的极限承载 力变化情况 ， 见表 2 。 表 2 轴心受压下的极限承载力 k N 5 0 mm 1 0 0mm 2 0 0 mm 3 5 0 ram 无横裂缝 2 7 1 2 5 O 2 7 1 2 48 2 7 1 2 4 6 2 7l 2 3 9 2 5 5 0 9 8 2 5 5 0 9 4 2 5 5 0 2 7 2 5 5 0 0 4 2 3 7 6 2 6 2 3 7 5 53 2 3 7 5 3 0 23 6 6 0 4 2 0 9 2 01 2 0 9 0 5 6 2 09 0 4 7 2 0 8 6 7 6 2 7 48 9 9 分析结果表 明： 1 ) 缝长保持一致 ， 仅缝宽变化时。钢筋混凝土 柱的极 限承载力 随缝宽的增加仅有微小 的降低 ， 几 乎保持不变。但是 ， 相对于无横裂缝时 ， 在达到极限 承载力 后 ， 含 横缝柱 的承 载力则 均有 明显 的降低 ( 图 4 ) 。 图 4 轴心受压下缝长 5 0 m m时的位移一 荷载 曲线 2 ) 缝 宽保 持不变 ， 仅缝 长变 化 时。在 弹性 阶 段 ， 含不同缝长钢筋混凝土柱的承载力随位移的变 化基本一致 。弹塑性阶段 ， 随缝长的增加 ， 承载力增 加的速率逐渐的降低 。塑性 阶段 ， 含裂缝最长的构 件 ， 最先受到破坏， 并且所能承受的极限承载力也最 低 ， 而随着缝长的逐渐减小 ， 相应的构件也陆续的开 始破坏 ， 之后 ， 承载力不断的降低 ， 最后趋于稳定 ， 但 此阶段降低的速率则有明显差异 ， 即裂缝越长 ， 降低 的速率就越慢 ， 反之 ， 裂缝越短 ， 承载力降低 的就越 快 ， 且没有横缝的钢筋混凝 土柱进入破坏阶段后 的 承载力下降速率最快。图5为缝宽0 2 m m、 缝长逐 渐变化的位移一 荷载曲线 。 图5 轴心受压下缝宽 0 2 m m时的位移一 荷载曲线 2 2 小偏心受压下的承载力 实际中的钢筋混凝土柱均是不同程度的偏心受 压构件 ， 因此基于偏 心受压下 的裂缝拟合则更具有 意义 。首先对小偏心受压下的承载力进行分析， 其 偏心距为 5 0 m m， 偏心方 向与裂缝同侧 ， 结果见表 3 及 图 6 。 表 3 小偏心受压下 的极 限承载 力 k N 5 0 mm l 0 0ram 2 0 0ram 3 5 0mm 无横裂缝 1 8 2 0 61 l 8 2 0 6 0 1 8 2 0 5 9 l 8 l 8 3 8 1 7 6 4 7 6 1 7 6 4 6 2 1 7 6 4 5 7 1 7 6 3 1 9 1 6 4 8 5 2 l 6 48 4 6 l 6 4 8 2 7 1 64 7 1 7 1 4 5 8 8 7 1 4 5 8 7 5 1 4 5 8 6 4 1 4 5 8 61 1 8 5 8 2 5 f _ - _ 5 6 四川建筑科学研究 第 4 O卷 图 6 小偏心受压下缝宽 0 2 m m 时的位移一 荷载 曲线 图 7 大偏心受压下缝宽 0 2 mm时的位移一 荷载 曲线 对 比表 3与表 2 ， 发现在相同的位移荷载下 ， 小 偏心受压后的极限承载力相对于轴心受压时均有较 大幅度的降低。但是 ， 其随裂缝形态变化所呈现出 来 的规律基本是相同的。 图 6为缝宽 0 2 mm保持不变 、 缝 长从 5 0 m m 到 3 5 0 m m不断变化的小偏心受压位移一 荷载曲线 。 与轴心受压下的图 5进行 比较 ， 得出： 整体变化趋势 和规律是相似的， 但是也存在一定的差异。即在小 偏心受压 的情况下 ， 承载力达到极限值后 ， 其放缓的 速率会随缝长的增加越来越快 ， 且越发明显 ， 而轴心 受压时的放缓速率则较为均匀。出现这种现象的主 要原因为 ： 钢筋混凝土柱的横缝越长 ， 初始缺陷就越 大 ， 在小偏心的基础上会使偏心程度越发严重 ， 其最 终结果会直接导致受压 区的混凝土更早 的被压碎 ， 也就意味着受拉 区的钢筋会提前承受拉应力 ， 从而 较大幅度的减缓承载力下降的速率。 2 3 大偏心受压下的承载力 大偏心受压的钢筋混凝土柱 ， 比较少用 ， 由于 自 身承载力已经有相当大的折减 ， 同时， 横缝 的存在使 其进一步 的削弱 ， 所 以工程 中应尽 量 的避免使用 。 有限元分析后的具体数值见表 4及图 7 。 表 4 大偏心 受压下 的极 限承载 力 k N 5 0 mm 1 O O mm 2 0 0 mm 3 5 0 tar a 无横裂缝 8 5 6 1 4 8 5 6 O1 8 5 5 8 3 8 5 5 6 4 81 7 0 4 8l 6 8 6 8 1 6 6 9 8 l 3 7 8 7 6 2 3 9 7 6 2 3 4 7 5 6 8 3 7 5 4 0 5 6 5 3 2 l 6 4 5 3 O 6 4 1 5 6 6 4 0 6 4 8 6 8 1 5 综合分析可 以得出 ： 不同的偏心能够很大程度 上影响到钢筋混凝土柱 的承载能力 ， 以及承载力达 到极限值后随位移下降的速率 ，即偏心越严重 ， 相 应的承载能力就越低 ， 并且其到达承载力极限值后 的下降速率就越慢。 3 承载力影响分析 表 5为钢筋混凝土柱产生横裂缝后的承载力损 失情况。为了更为直观的观察其 中的规律 ， 结合图 8得 出： 轴 心受压下 的承载力损失较 大， 大偏 心次 之 ， 小偏心最小 。出现这种情况是因为轴心受压下 的承载力主要有混 凝土提供 ， 钢筋的贡献率 较小。 偏心受压则不 同， 混凝土受压的同时 ， 受拉钢筋同样 分担着很大一部分承载力 ， 而钢筋锈蚀产生的横裂 缝主要是对混凝土形成缺 陷， 因此造成轴心受压下 的承载力损失相对最大。 表 5 横裂缝产生后的承载力损失 02C一 5 0 0 2 C 1 0 0 0 2 一 C- 2 0 0 0 2 C一 3 5 0 不同形态的横裂缝 图 8 不同形态横裂缝下的承载力损失 4 结 语 通过规范提供 的混凝土本 构参 数及 a b a q u s提 供 的混凝土损伤塑性模型分析 了锈蚀横裂缝对钢筋 昆 凝土柱的承载力影响情况 ， 得 出以下结论。 1 ) 影响钢筋 昆凝土柱承载力 的裂缝 主要 为箍 筋锈蚀后产 生的横裂缝。主要 表现在横缝 的长度 上 ， 缝 越长 ， 影响越大 ， 且不可忽视 ， 而缝 宽影响较 小， 承载力随缝宽的增长仅有略微降低。 2 ) 横裂缝对轴心受压钢筋混凝 土柱 的承载力 影响最大， 其次是大偏心及小偏心。 3 ) 由于损伤塑性模型没有考虑 到 昆 凝 土 的粘 性及混凝土与钢筋之间的粘结滑移情况 ， 所以还存 在一定的不足。 2 0 1 4 N o 6 王纪伟 ， 等： 锈蚀裂缝下钢筋混凝土柱承载力的有限元分析 5 7 参 考 文 献： 2 3 史庆轩 ， 李小健 ， 牛荻涛 钢筋 锈蚀前 后混凝 土偏 心受压 构件 承载力试验研究 J 西安 建筑科 技大 学学 报 ， 1 9 9 9， 3 1 ( 3) ： 2 1 8 _ 2 21 DE KOS TER M ， BU YL EBOD1 N F， MAUREL O， e t a 1 Mo d e l i n g o f t h e fl e x u r a l b e h a v i o u r o f R C B e a m s s u b j e c t e d t o l o c a l i z e d a n d U n i f o r m c o r r o s i o n J E n g i n e e r i n g S t mc t u r e s 2 0 0 3， 2 5( 1 0 )： 1 3 3 3 1 3 4 1 潘毅 ， 陈朝 晖 钢筋混凝土基本构建 腐蚀后性能 的试 验研究 J 四川建筑科学研究 ， 2 0 0 4 ， 3 0 ( 3 ) ： 7 1 _ 7 4 4 赵新 锈蚀钢筋混凝土梁工作性能的试验研究 D 长沙： 湖南大学 ， 2 0 0 6 5 G B 5 0 0 1 0 -2 0 1 0混凝土结构设计规范 s 6 G B 5 0 2 9 2 -1 9 9 9民用建筑可靠性鉴定标准 s 7 C E C S一 2 9 3 2 O 1 1房屋裂缝检测与处理技术规程 s 8 T G P S 0 1 1 1 9 9 8三峡工程混凝土裂缝 评判 和处理规定 s 9 张劲 ， 王庆扬 ， 胡守营 ， 等 A B A QU S混凝土损伤 塑性模 型参 数验证 J 建筑结构， 2 0 0 8 ， 3 8 ( 8 ) ： 1 2 7 1 3 0 ( 上接第 5 O页) 立的模型进行了静力非线性有限元数值模拟。在此 基础上 ， 对多个影响组合长柱力学性能的几何 、 材料 参数进行 了分析 ， 得到了以下结论。 1 ) 有限元模拟与试验测得 的组合柱荷载一 轴 向 应变曲线 、 屈服和极 限承载 力 、 延性 系数均吻合较 好， 证明了本文的几何模型建立、 材料属性与本构关 系的选择 、 网格的划分 、 模型 的加载等基本正确 ， 本 文所采用的有限元模型是合理有效的。 2 ) 分析研究表 明： 截面含骨率大小对组合 长柱 的受力性能影响较大。通过采取增加截面的含骨率 的措施 ， 可以提高此类组合长柱的总体承载力 ； 混凝 土轴心抗压强度对组合长柱的荷 载一 轴 向应变曲线 有明显影响， 适当的提高混凝土轴心抗压强度可以 在一定程度上提高组合长柱 的承载力 ； 方钢管厚宽 比的增加使组合长柱的屈服承载力和极限承载力都 出现相应增长 ， 同时极限荷载下轴 向应变的增加使 得组合长柱的延性得到提高。 参 考 文 献： 1 S a k i n o K， Na k a h a r a H， M o r i n o S ， e t a 1 B e h a v i o r o f c e n t r a l l y l o a d e d c o n c r e te f i l l e d s t e e l t u b e s h o r t c o l u m n s J o u ma l of S t r u c t u r a l E n g i n e e r i n g J A S C E， 2 0 0 4， 1 3 0 ( 2 ) ： 1 8 0 1 8 8 2 荆树英 ， 郑小庆 ， 朱金栓 方形 后壁钢 管混凝 土短柱 受力性能 的研究 J 工业建筑 ， 1 9 8 9 ( 1 1 )： 8 1 3 3 韩林海 ， 陶忠 方钢管混凝土轴压力学性 能的理论分析 与试 验研究 J 土木工程学报 ， 2 0 01 ， 3 4 ( 2 ) ： 1 7 2 4 4 朱美春 ， 王清湘 ， 刘 士润 ， 等 钢 骨一 放 管管 自密实高 强度混凝 土轴压长柱试验研 究 J 大连理 工大学 学报 ， 2 0 0 6 ， 4 6( 6 ) ： 8 7 5 - 8 7 9 5 王清湘 ， 朱美春 ， 冯秀峰 型钢一 方钢管 白密实 高强度混凝土轴 压短柱受力性能 的试验研究 J 建筑结构学报 ， 2 0 0 5， 2 6 ( 4 )： 2 7 31 6 朱美春 ， 王清湘 ， 冯秀峰 轴心受压钢骨一 方钢 管 自密实高强度 混凝土短柱的力学性能研究 J 土木工程学报 ， 2 0 0 6 ， 3 9 ( 6 ) ： 3 5 4 1 7 S a k i n o K， N a k a h a r a H， Mo ri n o S ， e t a 1 B e h a v i o r of c e n t r al l y l o a d e d c o n c r e t e f i l l d s t e e l - t u b e s h o r t e o l u ms f J J o u rnal o f S t ruc t u r al E n gin e e ri n g ， A S C E， 2 0 0 4， 1 3 0 ( 2 ) ： 1 8 0 1 8 8 f 8 N E O G I P K， S E N H K C o n c r e t e fi l l e d t u b u l a r s t e e l c o l u mn s u n d e r e c c e n t ri c l o a d i n g J T h e S t r u c t E n g r ， 1 9 6 9， 4 7 ( 5 ) 9 S H AK I R- K H A HI H， Z E G HI C H E Z E x p e ri me n t a l b e h a v i o r o f c o n c r e t e fi l l e d r o l l e d r e c t a n g u l a r h o l l o w s e c t i o n c o l u mn s J T h e S t r u c t En g r ， 1 9 8 9， 6 7 1 O 王铁成 ， 郝贵强 ， 申 鑫 ， 等 钢 管与混 凝土粘结 性能 的试验 与理论分析 J 工业建筑， 2 0 0 8 ， 3 8 ( 5 ) ： 9 6 - 9 9 1 1 汤文锋 ， 王毅红 ， 史耀华 新型钢管混凝土节 点的非线性有 限 元分析 J 长安大学学报 ： 自然科学版 ， 2 0 0 4， 2 4 ( 9 ) ： 6 0 -6 3