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硫酸盐腐蚀钢筋混凝土板受弯力学性能的退化规律.pdf

上传人:gr****et 文档编号:54889 上传时间:2021-06-20 格式:PDF 页数:6 大小:396.87KB
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资源描述

1、2 0 1 2年第 1 0期 1 0月 混 凝 土 与 水 泥 制 品 CHI N A C ONC RE T E AND C E MENT P RODUC 2 01 2 No 1 0 0c t o b e r 硫酸盐腐蚀钢筋混凝土板受弯力学性能的退化规律 周效 国 , 汪俊华 ( 1 江苏科技大学船舶与海洋工程学院, 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 ) 摘要 :通过 大型非线性数值分析软件 A B AQUS对受硫酸 盐腐蚀后 的钢 筋混凝土板进行模 拟分析 ,揭 示 了 A B A QUS中塑性损伤模 型进行非线性模拟的有

2、效性 以及钢筋混凝土板 受腐蚀后 受弯性能 的退化规律。 通过模 拟结 果和试验结果的对比, 可以看 出, A B AQUS非线性模拟是行之有效 的。从 A B AQUS模拟结果和试验结果均 可看 出 随着腐蚀度 D 的增加 , 板 的极 限承载 力、 延性和 刚度逐渐减 小, 其 中承 栽力下降 约 3 - 5 , 延性下 降约 1 9 2 8 , 刚度下 降 9 。 9 6 一 1 9 4 3 , 而跨 中挠度逐渐增 大 , 这主要 是 因为随着硫 酸盐 的不断侵 蚀 , 生成膨胀性物质钙矾 石 , 板 截面 的损伤 不断严重 , 使得 截面的有效抗 弯高度 以及 弹性 模量 降低 , 最

3、终造成 板的承载 力、 延性 、 刚度的 降低 以及 跨 中挠度 的增 大。 关 键 词 : 硫 酸 盐 腐 蚀 ; 塑性 损 伤 模 型 ; 受 弯性 能 ; 腐 蚀度 ; 承 载 力 ; 挠 度 ; 延 性 ; 刚 度 Ab s t r a c t : T h e l a 职e s c a 1 e n o n l i n e a r f i n i t e e l e m e n t s o f t w a r e A B A Q U S i s u s e d t o s i m u l a t e t h e r e i n f o r c e d c o n c r e t e s

4、l a b a t t a c k e d b y s u l f a t e t o r e v e a l t h e e f f e c t i v e n e s s a b o u t n o n l i n e a r s i mu l a t i o n o f d a ma g e d D 1 a s t i c mo d e l i n AB AQUS a n d t h e f l e x u r a 1 p e rf o r ma n c e d e g r a d a t i o n l a ws o f r e i n f o r c e d c o n c r e

5、t e s l a b a t t a c k e d b y s u l f a t e C o mp a r e d w i t h t h e s i mu l a t i o n r e s u l t s a n d e x p e r i m e n t a l r e s u l t s ,i t S f o u n d t h a t t o u s e A B A Q U S t o s i m u l a t e n o n l i n e a r p e r f o rma n c e i s e f f e c t i v e T h e u l t i m a t e

6、 s t r e n g t h , d u c t i l i t y a n d s t i f f n e s s o f t h e s e s l a b s g r a d u a l l y d e c r e a s e w h e n t h e c o r r o s i o n d e g r e e D i n c r e a s e s ,a n d t h e u l t i ma t e s t r e n g t h d e c r e a s e a b o u t 3 - 5 ,t h e d u c t i l i t y d e c l i n e s

7、a b o u t 1 9 - 2 8 ,t h e s t i f f n e s s d e c l i n e a b o u t 9 9 6 - 1 9 4 3 , me a n w h i l e t h e d e fl e c t i o n i n c r e a s e s b e c a u s e o f t h e c o n s t a n t e r o s i o n o f s u l f a t e , wh i c h r e s u l t s i n mu c h e x p a n s i v e s u b s t a n c e ( E t t r

8、 i n g i t e ) , a n d t h e c r o s s - s e c t i o n s o f the s l a b c o n t i n u e t o d a ma g e s e r i o u s l y , a l l t h e s e ma k e t h e e ff e c t i v e fl e x u r al h e i g h t of the c r D s s - s e c t i o n a n d t h e e l a s t i c mo d u l u s d e c r e a s e ,wh i c h ma k e

9、 the u l t i ma t e s t r e n g t h ,d u c t i l i t y ,s t i f f n e s s of t h e s l a b s r e d u c e a n d t h e d e fl e c t i o n i n c r e a s e s i n t h e e n d Ke y wo r d s :S u l f a t e c o r r o s i o n ;Da ma g e d p l a s t i c mo d e l ;Be n d i n g p e r f o rm a n c e ;C o rro s i

10、 o n d e g r e e ;U l t i ma t e s t r e n g t h ; D e f l e c t i o n ; Du c t i l i t y ; S t i f f n e s s 中图分类号 : T U 5 2 5 文献标识码 : A 文章编 号 : 1 0 0 0 - 4 6 3 7 ( 2 0 1 2 ) 1 0 5 1 - 0 6 0前言 无论是遥远古罗马时代诸如斗兽场等建筑群 、 古老 中国大地 湾遗址 的仰韶文化建筑群 , 还是现代 化混凝土建筑世界的今天 , 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 1 。而 随

11、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 , 造成巨大 的经济损失 。硫酸 盐对结构物的腐蚀破坏是 四类 主要的劣害之一 , 我 国广大地 区都富含着硫酸盐 , 硫酸盐腐蚀也造成 了大量的结构物 的损伤破坏【7 】 , 因此 , 我国广大地区 的结构物正面临着越来越严重的硫酸盐腐蚀。进行 硫 酸盐对混凝土结构物腐蚀破坏 的研究越来越 受 到业 界 的关 注 。 试验研究可得到最为真实的数据 , 但较 为复杂 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) 。 且费用较高 , 也易受到试验条件的限制而难 以获得 理想结果 。数

12、值模拟相对较为简便 , 容易得到试验 不能轻易得到的现象和数据 。A B A Q U S作为现在最 通用最强大的非线性数值分析软件 , 正越来越受到 工程界和高校研究人员的青睐。 目前 , 非线性分析 是最为热门的课题之一 , 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 的数值模拟不 易得到合理 的 收敛结果。 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、 更贴合实际的研究结 果 。 1 试验 1 1 试件设计 混凝土采用掺 2 0 粉煤灰的 C 2 5混凝土 , 混凝 土配合比如表 1所示。试验板

13、长 、 宽、 高尺寸规格为 1 0 0 0 m mx 5 0 0 m mx 1 0 0 m m, 板用 P B表示 。板 的纵筋 一 5】一 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 2 0 1 2年第 1 0期 混凝土与水泥制品 总第 1 9 8期 表 1 C 2 5混凝土配合 比( 1 m 的重量 比) 水泥 粉煤灰 砂 石 水 注 : 初始 弯矩为受弯板在腐蚀状 态中所承受 的弯矩 , 其 中 肘 为试件设计抗弯承载力 , Mu = 2 3 5 k N m 。 均采用 0 8 1 0 0 mm, 分 布筋采用 6 1 9 0 m m, 混凝 土保护层为 1 5 m

14、m, 板的分组如表 2所示 。 1 2 腐 蚀方 法 为讨论实际工程中地下结 构的板受腐蚀后 力 学性能的退化规律 , 模拟压弯板 的受力状态 , 在应 力状态下腐蚀 ,将受力构件长期浸泡 于 2 0 浓度 ( 质量百分 比) 的硫酸钠溶液中, 采用干湿循环的腐 蚀方式 , 并定期 ( 1 0 d ) 更换腐蚀溶液实现溶液 的浓 度恒 定 , 如 图 l 、 图 2所示 。 百分 图 1 P B板应力腐蚀装置图 图 2 P B板 应 力腐 蚀 实 物 图 l - 3 加载程序 使用非金属超声检测仪采用超声平测法检测 板的腐蚀厚度后 , 计算出板的腐蚀度 蛔 。 试验在对平 板腐蚀过程 中施加

15、O 5 眠 的初始弯矩 , 为设计极 限弯矩 , 当腐蚀达到预期程度后继续对试件加载至 破坏。加载方式采用逐级加载 , 初期采用荷载控制 , 2 k N一级加载 ,进入屈服 阶段后采用位移控制 , 按 一 5 2一 百分 图 3 P B板加载简图 图 4 P B板加载实物图 0 0 5 ra m一级加载 , 加载过程如 图 3 、 图 4所示。 1 _ 4 试验结果 主要 试验结 果 如表 3及 图 5所示 。 表 3 不同腐蚀程度 P B板的主要试验结果 Z 控 跨 中挠度 r a m 图 5 不 同腐蚀程度受弯板荷载一 挠度 曲线 2 数 值分 析 2 混凝土参数的确定 根据文献【 1 l

16、 】 可知 , P B 1 、 P B 2和 P B 3受压区混 凝土的抗压性能参数如表 4所示 。 试件在应力条件下进行长期腐蚀试验 , 且只有 上部受压区受硫酸盐腐蚀 , 而下部受拉区则不受腐 蚀。 如图 1 和图 2所示。 因此 , 进行混凝土参数设置 时 只有受 压 区混 凝 土受 压 本构 关 系变 化 , 而受 拉 区 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 周效国, 汪俊华 硫酸盐腐蚀钢筋混凝土板受弯力学性能的退化规律 表 4 混凝土相关参数 p 图 6 混凝 土本构关 系曲线 混凝 土本构关 系则始终保持未腐蚀 时的本构关 系 不变 。将表 4中的混凝土

17、参数代入文献 1 2 】 中得到 混凝土的本构模型, 混凝土单轴受压本构关系代入 公式( 1 ) 。混凝土本构关系曲线如图 6所示 。 2 3 O + ( 3 2 0 【 ) + ( 。 一 2 ) 1 xl ( 1 ) 2 d( 一 1 )+ 2 式中, 。 、 O l d 按文献 1 2 】进行取值分别为 : = , y = u C ,厶 按表 4进行选取 。 c k 混凝土单轴受拉本构关系按下列公式 ( 2 ) 进行 计算 : 6 1 2 x - O 2 x 1 ; ; 1 ( 2 ) l 7 O t ( 一 1 ) 帆 式 中 , 按 文献 1 2 1进 行 取 值 为 : = , y

18、 = , = 2 0 N mm 。 2 2 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 ( 3 ) 。钢筋 的弹性模量为 E = 2 O x l O N m m , 屈服强度取标准值f y = 2 3 5 N mm 。 f E s , = , O - ( 3 ) 【 o - = f 一 2 - 3 AB A Q U S材料模型的确定 钢筋 混 凝 土 结 构非 线 性 问 题 主要 包 括 三 类 3 1 : 材料非线性 、 几何非线性、 边界条件非线性。材料非 线性是指钢筋和混凝土两种材料 在结构受力分 析 过 程 中,要 同时 考 虑 其 弹 性性 能 和 塑 形

19、 性 能 。 A B A Q U S通过分别定义钢筋和混凝 土的本构关 系 来实现材料非线性的特性,弹性阶段须分别输入两 种 材 料 的弹 性模 量 和泊 松 比 , 塑性 阶 段则 需 要 输入 两 种 材料 塑性 阶段应 力 和 对应 的非 线 性 应 变关 系 。 A B AQ U S中混凝 土塑性模 型 4 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 )以及 A B A Q

20、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 ( 混 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 。因此 , 一般采用混凝土损伤塑性模型进行混凝 土非 线性 问题 的模拟 分 析 。本 文考虑 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 4 单 元离散 考虑到计算 的时间成本和收敛 的难易程度 ,

21、本 文采用 S H E L L( 壳 ) 单元 中的 S 4 R单元 , 钢筋采用 R E B A R P L A Y E R( 钢筋层) 进行模拟 , 而且计算采用 的是 A B AQ U S E x p l i c i t 分析 , 使用 AB A Q u S E x p l i c i t 进行静力分析时 ,必须满足模 型的动能( K i n e m a t i c e n e r g y ) 不超过 内能 ( I n t e r n a l e n e r g y ) 的 5 - 1 0 1 5 l 。 2 5 边界条件 试验对试件板进行三分点加载方式 , 如图 3 、 图 4所示。耦

22、合约束是将被约束 区域与一个控制点之 间建立运动上 的约束关系。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 l5 _ 。因此 , 本文采用 C O U P L I NG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。通过耦合技术 , 约束控制点的 自由度 实 现 模 型 的简支 边 界条 件 。在 分 析 中 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 E 垌 。在本文的模拟 中对钢筋与 一 5 3 学

23、兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 2 0 1 2年第 1 0期 混凝土与水泥制品 总第 1 9 8期 混 凝土 的接 触做 了简化 处 理 ,是通 过 E m b e d d e d技 术将钢筋单元埋入混凝土单元 中来实现 的, 表示钢 筋和混凝土粘结完好 , 不存在滑移问题。 模型如图 7 所示 。 2 6 数值计算结果 ( 1 ) 从图 8 、 图 9以及后处理 中的变形动画显示 都可看 出 , 在板纯弯段 内的跨 中部位 , 板 的应力和 挠度都最大 , 符合理论分析和试验结果。 图 8 板 的应力 图 9板 的位 移 图 ( 2 ) 从 图 l O可以看 出

24、 , 在三组模拟过程 中 , 计 算过程中的动能基本为 0,同时在计算的过程中满 足 动 能( K i n e ma t i c e n e r g y )不 超 过 内能 ( I n t e r n a l e n e r gy) 的 5 一 1 0 要求 , 因此本文的三组模拟均可 看成 是 静力 分 析 , 从 而保 证 了本 文模 拟 结 果 的正 确 性 1 4 o 0 1 2 0 0 1 o o 0 章 8 0 0 6 o o 4 o 0 2 0 0 0 00 02 0 4 0 6 0 8 1 0 Ti me 图 1 0 模 型的动能 、 内能图 表 5 A B A Q U S模拟

25、与试验 结果对 比情况 ( 3 ) 图 1 1 表示的是跨中同一点 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 1 1 所示 ) 的 总体趋势基本一致 ,说 明本次模拟结果的有效性。 将实测板 的极限荷载值与 A B AQ U S的模 拟值进行 对 比分析 , 如表 5所示 。 从表中可以看出, A B A Q U S模拟结果与试验结 果吻合较好 , 再次说明本文所选用 的本构关系和单 元类型适用于腐蚀混凝土板的性能分析。 ( 4 ) 图 l 2表示 的是与图 1 1同一点 的应力一 位 移曲线图 , 从图 中可以看

26、 出三个模拟 曲线 , 应力都 经过 了弹性 、 弹塑性和塑性 阶段 , 最终应力都达 到 5 4 屈服应力 , 而且 随着腐蚀损伤度 的增大 , 混凝 土的 应力是逐渐减小的 , 这与试验结果 以及混凝土材料 参 数 的定义 是一致 的 。 3结果分 析讨 论 3 1 腐蚀损伤度 D对受弯板承载力的影响 通过试验及数值分析结果表明,随着腐蚀度 D 的增加 ,极 限荷 载 和开裂 荷 载均 有所 下 降 ,如 图 5 和图 8 所 示 。试 验显 示 开裂荷 载基 本上 保持 在极 限 荷载的 5 0 左右 , 腐蚀度 D似乎对受弯板的开裂荷 载没有造成太大的影响 , 这是由于试件 的腐蚀程度

27、 较 轻 , 以及 试 验误 差造 成 开裂 荷 载 的 变化 没 有 明显 的显示 出来 。但腐蚀板的极限承载力明显 降低 , 但 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 周效国, 汪俊华 硫酸盐腐蚀钢筋混凝土板受弯力学性能的退化规律 0 0 0 0 0 0 0 5 0 01 0 0 0 1 5 0 0 2 0 0 0 2 5 0 0 3 0 0 0 3 5 0 0 4 0 0 0 4 5 0 0 5 0 Di s p l a c e me n t mm 图 1 1 荷载一 位移曲线 降低程度不大 , 如表 6所示 。 3 2 腐蚀损伤度 D对受弯板延性的影响 通过对

28、 比 p f 曲线 ,可 以明显看 出随着腐蚀程 度的增大, 板的延性有所降低 , 在 P f 曲线中找出受 弯板屈服挠度 和极限挠度 列于表 7 。由表 7可 以看 出, 受腐蚀板的延性性能降低的较快。 表 6不同腐 蚀程度受弯板承载力 的比较 表 7 不 同腐蚀程度受弯板的延性 比 2 5 2 0 g- 鲁 1 5 Z 宝 1 0 0 5 O O O o 0 o O o 0 5 0 0 1 0 0 0 1 5 0 0 2 0 00 2 5 0 0 3 0 0 0 3 5 0 O 4 0 0 0 4 5 0 0 5 0 Di s p l a c e me n t ram 图 1 2 应力一

29、位移 曲线 比较受腐蚀后板的承载力和延性的变化 , 发现 随着腐蚀损伤度的增大 , 受腐蚀后受弯板承载力降 低的很小 , 降低 3 一 5 ; 板的延性降低 的却 , 延性 比降低 1 9 一 2 8 。可见腐蚀损伤度对受腐蚀板 的 延性性能的影响远大于对承载力的影响。 3 3 腐蚀损伤度对受弯板刚度的影响 通过 比较不同腐蚀程度板的 p f 曲线 ,受弯板 开裂后 , 在同级荷载下板 的刚度 随腐蚀程度的增加 明显降 低 。混 凝 土腐蚀层 等效 厚 度 = 0 9 5 l 4( 一 1 3 2 0 4 D + 1 0 1 1 2 ) 3 5 6 9 1 , 截面等效高度 h D = h d

30、 f + C f 1 0 , 以此计算受腐蚀后抗弯截面 的刚度 B, 不 同腐 蚀度下板抗弯截面的刚度 比较如表 8所示。 从表 中 8可知 , 随着腐蚀程度 的增加 , 抗 弯截 面的刚度降幅比较明显 , 降低了 9 9 6 - 1 9 4 3 。其 原 因为 : 当板开裂后 中和轴随垂直裂缝的延伸 向上 偏移 , 混凝土受压区高度减小 , 随着受压 区混凝土 的腐蚀 损伤度增大 , 腐蚀后的弹性模量越低 , 则截 面刚度减小 。则板开裂之后 , 在同级荷载作用下 , 腐 蚀损伤度越大 , 板的挠度越大。 表 8 不同腐蚀程度板刚度的 比较 4结 论 ( 1 ) 混凝土塑性损伤模型是 以 昆

31、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 ) 混凝土的非线性分析不可避免要遇到收敛 问题 , 一般采用位移加载方式要比力加载方式要容 易得到收敛结果 , 通过选取合理的参数 以及对诸如 初始增量步大小、 加载值大小 的选取和模型的简化 处理等手段 , 可得到较合理的结果 。 ( 3 ) 通过 A B A Q U S模 拟结果可 以看 出 , 随着腐 蚀程度 D的增大 , 板的承载力下降约 3 一 5 , 延性 下降约l 9 - 2 8 , 以及刚度降低 9 9 6 1 9 4 3

32、, 而 跨 中挠度逐渐增大 , 这与试验结果一致 。这是 因为 随着侵蚀物质硫酸盐的不断渗入 , 产生 的膨胀物质 ( 钙矾石 ) 造成了混凝土内部损伤 的不断加深 , 使得 构件 的抗弯截面的有效承载面积减小 , 相当于截面 的有效高度减小 , 以及截面刚度的减小 , 最终造成 一 5 5 5 4 3 2 1 O z _【 ) 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 2 0 1 2年第 1 O期 混凝土与水泥制品 总第 1 9 8期 构件承载力的下降和跨 中挠度 的增加。 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

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38、O 2 0 o o mm 2 荷载1 0 0 0 k N变量2 0 m m S S Z渗水砖试验机 3显示加载速度、曲线存储打印等 一 一 用于环保型渗水砖渗水 : 的测试 GC排水管外压试验成套设备 GB T 1 6 7 5 2 。 2 0 0 6 YD烟道试验机 1 试 验 直 径D 3 0 0 1 5 0 0 m 3 0 0 0 m m , L 2 0 0 0 4 0 0 0 m m 1 试 验 机 最 大 承 载 压 力 为3 0 0 k N 蕾 _曩 2眉 置显示峰值、加载速度、曲线、存储打印 2数届仪表精度 1 可 示峰值、加载 l l 、 l _ J l I 斗 卜 + h ,

39、L -f I 、 、 , 、 t , 士 上 、 、 H 、 曲线、速度、打印、数据存储等 DH 电布 十 何 载 位 杉 I 试 仪( 整 检 设 备 ) 程 1 0 - 2 0 0 k N,位移 1 2 m s H I I 荷载测试仪 ( 峰值保持) G S I I 型排水管内水压试验机( G B T 1 6 7 5 2 2 0 0 6 ) 1 通用于排水管、管桩等各种构造物体的测 与分析 2 程 2 0 、1 0 0 、2 0 0 、5 0 0 2 0 0 0 k N 试验机采用电动液压 一 GC 管 木 库 查 涮 试 谢 各r 罄 查 枪 河 各 、 j 币 , 州小 j 昆 毵 土

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