锈蚀钢筋混凝土梁抗弯性能数值分析.pdf

8 4 重 型 机 械 2 O 1 5 N o ．5 锈蚀钢筋混凝土梁抗弯性能数值分析 赵健 ，李成 ， 闫鑫 ( 1 ．陕西冶金设计研究院有限公司 陕西 西安 7 1 0 0 3 2 ；2 ．西安科技大学 陕西 西安 7 1 0 0 5 4 ) 摘要： 借助于A N S Y S 平台，在混凝土单元与钢筋单元间插入 3组相互垂直的非线性弹簧单元 c o mb i n 3 9来考虑锈蚀后钢筋 一混凝土粘结滑移性能变化 ，开展了1 0组锈蚀率为0～ 2 0 ％的钢筋混凝土 梁抗弯性能数值分析，研究发现 ：锈蚀程度越高，梁的承载力越低，锈蚀程度对梁的初始刚度没有影 响，当受拉区混凝土开裂后 ，梁的刚度发生突变，锈蚀率不大于 1 0 ％的梁在达到屈服荷载以前刚度退 化不明显，而锈蚀率为 1 5 ％、2 0 ％的两组梁在受拉区开裂后出现了明显的刚度退化；锈蚀导致钢筋与 混凝土的相对滑移值以及滑移分布规律发生改变，随着锈蚀程度增加，混凝土裂缝趋于向跨中区域集 中，构件的破坏形态由适筋破坏向少筋破坏转变。 关键词：锈蚀 ；粘结滑移；数值分析；承载性能 中图分类号 ：T G 3 8 6 文献标识码 ：A 文章编号 ：1 0 0 1—1 9 6 X( 2 0 1 5 ) 0 5— 0 0 8 4— 0 5 Nume r i c a l a n a l y s i s o f b e nd i ng pe r f o r ma n c e o f c o r r o de d RC be a m Z HAO J i a n ，L I Ch e n g ，Y AN X i n ( 1 ．S h a a n x i Me t a l l u r g i c a l D e s i g n& R e s e a r c h I n s t i t u t e C o ． ，L t d ． ，X i ’ a n 7 1 0 0 3 2 ， C h i n a ； 2 ．X i ’ a n U n i v e r s i t y o f S c i e n c e&T e c h n o l o g y ， X i ’ a n 7 1 0 0 5 4， C h i n a ) Abs t r a c t：The b o n d p e rfo r ma nc e be t we e n c o rro d e d b a r s a nd c o n c r e t e we r e s i mu l a t e d b y i n s e r t ed 3 s e t s o f mu— t u all y o r t h o g o n a l n o n l i n e a r s p ri n g e l e me n t s c o mb i n 3 9 i n t h e c o n c r e t e a n d s t e e l e l e me n t s ，1 0 F E mo d e l s o f s i m— p l y s u p p o se d b e a m we r e s i mu l a t e d b y ANS YS． t h e c o r r o s i o n r a t i o s o f s t e e l b a r s w a s 0 —2 0 ％ ．T h e r e s u l t S H O WS t h a t wi t h t h e i n c r e a s e o f c o r r o s i o n r a t i o， t h e b e a m ’ S b e a r i n g c a p a c i t y d e c r e a s e d， t h e i n i t i a l s t i f f n e s s o f t h e b e a m r e ma i n u n c h a n g e d，s t i f f n e s s s u d d e n c h a n g e d w i t h t h e c o n c r e t e c r a c k i n g，b e f o r e r e a c h i n g t h e y i e l d l o a d，t h e s t i f f n e s s d e g r a d a t i o n o f b e a ms w i t h a l i t t l e c o rr o s i o n r a t e (< 1 0 ％ )i s n o t o b v i o u s ， w h i l e t h e t h e c o r r o s i o n r a t e r e a c h e d 1 5 ％ a n d 2 0 ％ ， t h e b e a m s s t i ff n e s s a p p e a r e d j u s t d e g r a d e d s i g n i f i c a n t l y ， w i t h t h e c o rr o s i o n r a t i o i n — c r e a s e d ，t h e s l i p v a l u e a n d t h e s l i p d i s t ri b u t i o n r u l e c h a n g e d，t h e c o n c r e t e c r a c k s t e n d t o c o n c e n t r a t e d i n t h e mi d — s p a n，f a i l u r e f o r ms o f me mb e r s c h a n g e d f r o m b a l a n c e d f a i l u r e t o b rit t l e f a i l u r e ． Ke y wo r d s ： c o rro s i o n；b o n d — s l i p；n u me r i c a l a n a l y s i s ；b e a ri n g c a p a c i t y 0 引言 对钢筋混凝土结构而言 ，一般大气环境下混 凝土的碳化以及海洋环境下氯离子的侵蚀作用等 都可能 导 致 混 凝 土 内部 的钢 筋 发 生 锈蚀 。在 1 9 9 1 年召开的第二届 国际混凝土耐久性会议上 ， 收稿 日期 ：2 0 1 5— 0 5—2 5 ；修订 日期 ：2 0 1 5— 0 6—1 8 作者简介：赵健 ( 1 9 6 7一) ，男 ，高级工程 师 ，从事建 筑结构设 计工作。 Me h t a P K L l 将钢筋锈蚀作为导致混凝土结构破 坏的最主要原因排在第一位。钢筋锈蚀对构件承 载力 的影响主要体现在锈蚀会导致钢筋有效截面 面积损失 ，锈蚀 的不均匀性会导致钢筋的力学性 能指标如强度 、塑性变形能力等发生退化 ，同时 锈蚀到一定程度时锈蚀产物的体积膨胀还会导致 混凝土保护层的开裂甚至剥落以及钢筋 一混凝土 间的粘结滑移性能的退化。 目前国内外对于锈蚀 钢筋混凝土结构承载性能退化的研究主要有试验 2 0 1 5 NO ． 5 重 型 机 械 8 5 研究 ] 、理 论研 究 坨 以及 数值 分析 " 。 试验研究 的试 件来源 主要 有三类 ：快 速锈蚀试 件 _ 6 l 8 ] 、自然暴露试件l 2 以及实际工程 中替换 下来的锈蚀构件 ， ；理论研究主要是通过引入 诸如“ 强度利用系数” 、“ 协 同工作系数 ” 等参数 考虑锈蚀后构件材料性能的变化以及钢筋 一混凝 土的粘结性能变化并建立锈蚀后构件的承载力退 化模型 ；本文在已有研究结果的基础上 ，采用 的 数值分析方法 ，借助于通用大型有限元软件 A N - S Y S ，考虑锈蚀后构件材性变化 以及 钢筋 一混凝 土粘结滑移变化 ，旨在研究不同锈蚀程度下钢筋 混凝土受弯构件的正截面承载性能退化过程。 1 锈蚀钢筋混凝土梁模型设计 为探究不同锈蚀程度下钢筋混凝土受弯构件 的正截面承载性能退化过程 ，本文设计 了 1 0组 锈蚀钢筋混凝 土梁模型 ，锈蚀率分别为 0 ( 未锈 蚀 ) 、 1 ％ 、 2 ％ 、 3 ％ 、 4 ％ 、 5 ． 5 ％ 、 7 ． 5 ％ 、 1 0 ％、1 5 ％ 、2 0 ％ ，模 型编 号为 C B—A( C B代 表锈蚀钢筋混凝 土梁 ，A代表锈蚀率( 百分率 ) ， 例如锈蚀率为 5 ％的梁 编号即为 C B一5 ) 。混凝 土梁截 面尺寸 1 5 0 mm2 5 0 mm，长 2 4 0 0 mm C 3 5混凝土 ，纵筋采用 HR B 3 3 5钢筋 ，箍筋采用 H P B 2 3 5钢筋 ，两点对称加载，如图 1所示。 图 1 锈蚀钢筋混凝 土梁 构造 F i g ． 1 T h e c o n s t r u c t i o n o f c o r r o d e d R C b e a m 1 ． 1 混凝土本构模型 混凝土立方体抗压强度 ． = 3 5 MP a ，单轴 抗压强度 =1 6 ． 7 M P a ，单轴抗拉强度 =1 ． 5 7 MP a ，混凝土单轴受压应力 一应变关 系上升段采 用 H o g n e s t a d建议 的模型 ( 式 1 ) ，压应力过 峰值 点后为水平段 ( 式 2 ) 。 当 ≤ 。 时 ： = [ 2 !f 0 一 ( ) ] ( 1 ) 当 0 < ≤s 时 ：o r = ( 2 ) 式 中，s 。 一峰值应变 ，取 0 ． 0 0 2 ； 一极 限压应 变 ，取 0 ． 0 0 3 3 。 1 ． 2锈蚀钢筋本构模型 锈蚀不仅会造成钢筋有效截面面积的损失 ， 还会导致钢筋各项力学性能的退化，本文采用袁 迎曙等_ 1 给出的锈蚀钢筋力学性能退化模 型( 图 2 ) 。其基本假定 ：( 1 ) 锈蚀钢筋的应力 一 应 变曲 线服从双折线形式 ，不考虑强化段 ；( 2 ) 锈蚀前 钢筋弹性模量与锈蚀后弹性模量相等 ；( 3 ) 锈蚀 钢筋的延伸率与极限应变的退化规律相同。锈蚀 钢筋 的应力 一 应变 曲线表 达式 可按 如 下参数 确定。 当 0 5 ％时： O y =( 0 ． 9 6 2— 0 ． 8 4 8 "q ) o r ( 5 ) !f u =( 1 ． 0 8 8—3 ． 5 7 5 3 ~ ) 8 ( 6 ) 式中， 为钢筋锈蚀率 ； 、占 为钢筋锈蚀前屈 服强度 、极限拉应变 ；O y 、fl u 为钢筋锈蚀后名 义屈服强度 、极限拉应变。 图 2锈蚀钢筋本构模型 F i g ． 2 C o r r o d e d r e i n f o r c e d c o n s t i t u t i v e mo d e l 1 ． 3 锈蚀钢筋混凝土粘结 一滑移本构模型 锈蚀钢筋 一混凝土问的粘结滑移关系是锈蚀 钢筋混凝土结构数值分析的关键问题 ，目前 比较 通用的做法是在普通未锈蚀钢筋 一 混凝土粘结 一 滑移 关 系 的 基 础 上 引 入 “ 粘 结 强 度 降 低 系 数” 来 考 虑锈 蚀程 度对 粘结 强度 的影 响 。 未锈蚀钢筋 一混凝土粘结 一滑移本构关系采用滕 智明 。 模型( 式 8 ) ，“ 粘结强度降低系数” 采 用 徐善华[ 根据 A ． J ． A L—S u l a i l ma n i 等 的试 验 数据回归分析建立的计算公式 ( 式 9 ) 。 = ／ 3 ( 7 ) 丁 ： ( 6 1 5 一 6 9 3 s + 3 l 4 0 s 一 4 7 8 0 s ) √ ， ( 8 ) = f 1 + 0 ． 5 6 2 5 ~ ／ - 0 ． 3 3 7 5 ~ ／ + 0 ． 0 5 5 6 2 5 7 ／ 一 0 ． 0 0 3 仉≤ 7 ％ 【 2 ． 0 7 8 6 7h - ∞ 仇> 7 ％ ( 9 ) 8 6 重 型 机 械 式中，r为未锈蚀钢筋 一混凝土粘结应力 ，MP a ； 为锈蚀钢筋 一混凝土粘结应力 ，M P a ；s为滑 移量 ，m m；卢为粘 结强度降低 系数 ；叼 为钢筋 锈蚀率 ；c 为混凝土保护层厚度 ，mm；d为钢筋 直径 ，m m； ． 为 混 凝 土 劈 裂 抗 拉 强 度 ， ． =0 ． 1 9 f 2 。 。 1 ． 4 有 限元模 型 建立过 程 采用分离式有限元模型 ，如图 3所示。混凝 土单元采用 8 节点三维非线性实体单元 s o l i d 6 5 ， 材料本构关系采用多线性等 向强化模型 MI S O输 入 ，张开裂缝的剪力传递系数取 0 ． 5 ，闭合裂缝 的剪力传递系数取 0 ． 9 5 ，关闭压碎，单元尺寸 5 0 m m。钢筋单元采用 2节点杆单元 L I N K 8 ，材 料本构关系采用双线性等向强化模型 B I S O输入 ， 单元尺寸 5 0 m m。在坐标位置重合的钢筋单元与 混凝土单元节点问插人 3个相互垂直的 2节点非 线性弹簧单元 C O MB I N 3 9 ，其中平行与钢筋长度 方向的 1 个弹簧单元模拟钢筋 一混凝土的粘结滑 移 ，垂直于钢筋长度方 向的 2个弹簧单元模拟混 凝土对钢筋的径 向约束作用 。耦合梁端部混凝土 单元节点与钢筋单元节点的 自由度以模拟锚固良 好的情况( 通常可以通过构造要求来保证) 。 ( a ) 混凝土单元 ( b ) 钢筋单元 ( c ) 弹簧单元 图3 有限元模型模型 F i g ． 3 T h e f i n i t e e l e me n t mo d e l o f t h e u n i t 2 模型计算结果与分析 2 ． 1 锈蚀率对梁的承载力及刚度的影响 图4所示为不 同锈蚀程度下梁的跨中截面弯 矩 一 挠度曲线 ，可以发现 ：①当荷载较小时，弯 矩 一 位移成线性关系，梁处于弹性 阶段 ，不 同的 锈蚀程度梁的初始刚度基本相同；②随着荷载继 续增加 ，受拉区混凝土开裂 ，荷载 一位移曲线 出 现了一个转折点，梁 的刚度出现了突变 ，当锈蚀 率较小时 ( 7 7 ≤1 0 ％) ，不 同锈蚀程度梁 的荷载 一 位移曲线在梁达到屈服前基本重合 ，即锈蚀程 度较小时不同锈蚀率梁的刚度退化过程并无太大 区别 ，但是对于锈蚀率较大的梁 ，例如 C B一1 5 、 C B一2 0 ，可 以发现开裂后 随着荷载增 加梁 的刚 度均出现了明显的退化过程 ，且锈蚀率越大 ，刚 度退化越 快；③锈蚀 率越高 ，梁 的屈服荷载越 低 ，对于锈蚀率较小 ( -q ≤1 0 ％) 的梁，其达 到 屈服荷载后弯矩 一挠度曲线都具有一个平缓段 ， 而对于锈蚀率较大的 C B一1 5、C B一 2 0梁则没有 明显的屈服平 台 ，其 主要原 因是锈蚀 程度较大 时 ，不仅造成受拉钢筋有效截面面积大 幅减少 ， 而且导致钢筋 一混凝土粘结滑移性能严重退化 。 梁的破坏形式逐渐 由适 筋破坏逐渐 向少筋破坏 演变 图 4 荷载 一挠度 曲线 2 ． 2 锈蚀率对钢筋 一混凝土粘结滑移的影响 图5所示为 6种锈蚀程度梁在不同荷载水平 下的钢筋 一混凝土相对 滑移图。从 图中可 以发 现，在较为接近 的荷载水平下 ，锈蚀程度越高 ， 钢筋 一混凝土相对滑移量峰值越大 ，且锈蚀导致 滑移分布规律发生明显改变 ，这说明在锈蚀导致 梁的内力重分布规律发生改变 ，直接导致的也就 是梁的受荷裂缝分布规律发生变化 。 2 ． 3 锈蚀率对裂缝分布的影响 图 6给出了不 同锈蚀程度梁破坏时的裂缝分 布情况，可以发现 ：锈蚀率 由 0增大到 1 0 ％ 过 程中，梁破坏时的裂缝分布 区别不是十分 明显 ， 当锈蚀率增大到 1 5 ％ 、2 0 ％时梁破坏 时的裂缝 明显减少且集中在跨中处。从裂缝 的分布变化结 合图 5所示滑移量分布上可以推断出锈蚀率不断 增大，导致钢筋混凝土相对滑移量增大 ，进而导 致混凝土裂缝数量减少 宽度增大 ，破坏形态 由 塑性破坏转变为脆性破坏 ，1 0 ％的锈蚀率是一个 临界点 2 0 1 5 N 0 ． 5 重 型 机 械 8 7 甚 g 嘲 潍 蜒 0 2 O 0 l 8 O l 6 口 0 1 4 0 1 2 嘲0 1 0 ： 0 0 4 0 O 2 0 O0 0 2 0 0 4 0 0 6 0 0 8 0 0 1 00 0 1 2 0 0 位置／ ram ( a ) CB- 0 0 200 400 600 8 00 1 000 l 200 位置／ mm ( d ) CB+ 1 0 E 宣 咖 潍 察 0 2 0 0 4 0 0 6 0 0 8 0 0 1 0 0 0 l 2 0 0 位 置／ ra m ( b ) CB 4 位置／ mm ( e ) CB- 1 5 宣 吕 螂 潍 挺 宕 吕 卿 蜒 0 2 0 0 4 0 0 6 0 0 8 0 0 l 0 0 0 1 2 0 0 位置／ ram ( c ) CB- 7 5 图 5 不同锈蚀率下钢筋 一混凝土相对滑移 Fi g ． 5 Th e r e l a t i v e s l i p o f r e i n f o r c e d—c o nc r e t e un d e r di f f e r e n t c o r r o s i o n r a t e 霾 ( a ) CB- 0 ( b ) CB． 4 ( c ) CB 7 5 ( d ) CB- 1 0 同 下 哥 丰 ” H ， } 干 辨j f 醐 # 半 ： 4 -+0- 4 4 斗 + +斗 十 4 - 4-斗 1 4- 4 t }{ }女 t { }{ {々 } { ， }}+ { 卜 } 一 } 聿 斗+ } 书如 + 斗 } 斗 辛 卜 {1 } 睾| { } 量 } 卜 } P } 寸壹 _ 也 盘 生士 盘 “盎 I u _主 士 圭 生虫 t 盘圭 } { 船 ： ” 墟 臻j 删 【 e ) CB 一 1 5 ( f ) CB一 2 0 图6 不同锈蚀率下钢筋 一混凝土梁裂缝分布图 F i g ． 6 T h e r e i nfo r c e d—c o n c r e t e c r a c k s d i s t r i b u t i o n u n d e r d i f f e r e n t c o r r o s i o n r a t e 3 结论 ( 1 ) 锈 蚀程度对构件 的初始 刚度影 响不大 ， 主要是因为构件受荷初期 ，钢筋与混凝土的相对 滑移量很小 ，构件的屈服荷载值随锈锈蚀率增大 而不断降低 。 ( 2 ) 受拉 区混凝土开裂后 ，梁的刚度将 会出 现突变 ，当锈蚀率较小 ( 叼 ≤1 0 ％) 时不 同锈 蚀 率梁的刚度退化过程并无太大区别 ，而锈蚀率超 过 1 0 ％的梁在受拉 区开裂后 出现 了明显 的刚度 退化过程 ，且锈蚀率越大 ，刚度退化越快 ； ( 3 ) 随着锈蚀率增大 ，钢筋 与混凝土的相对 滑移量以及滑移分布均发生明显改变 ，混凝土裂 缝分 筋破 参考 [ 1 ] [ 2 ] [ 3 ] [ 4 ] [ 5 ] [ 6 ] [ 7 ] [ 8 ] [ 9 ] 位置／ ram ( f ) CB- 2 0 布趋于集中于跨中部位 ，构件破坏形态由适 坏向少筋破坏转变。 文献 ： Me h t a P K．C o n c r e t e d u r a b i l i t y—fi f t y y e a r ’ S p r o g r e s s ． P r o c ．o f t h e 2 n d I n t e r 『 C 1 。Co nf．o n C o n c r e t e Du r a - b i l i t y ，ACI S P 1 2 6—1 ， 1 9 9 1 ： 1～3 1 ． 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[ J ] ．工业建筑 ， 1 9 9 7 ， 0 6 ： 1 5—1 9． 黄振国，李健美，郭乐工 ，等．受腐蚀钢筋砼材料 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 0 ． 袁迎曙，余索．锈蚀钢筋混凝土梁的结构性能退化 [ J ] ．建筑结构学报 ，1 9 9 7 ，0 4 ：5 1 — 5 7 ． 牛荻涛，翟彬，王林科，等．锈蚀钢筋混凝土梁的 承载力分析[ J ] ．建筑结构，1 9 9 9 ，0 8 ：2 3— 2 5 ． 金伟良，赵羽习． 锈蚀钢筋混凝土梁抗弯强度的试 验研究[ J ] ．工业建筑 ，2 0 0 1 ，0 5 ：9—1 1 ． 沈德建 ，吴胜兴 ．大气 环境锈蚀 钢筋混凝土梁力学 性能试验研究及分析[ J ] ．土木工程学报， 2 0 0 9， 0 8：7 5—8 2． 王 国业 ，王亮 ，杨永生 ，等．钢筋锈蚀对混凝 土梁 抗弯性能影响试验 [ J ] ．沈 阳建筑大学学报(自然 科学版 ) ，2 0 1 3 ，0 3 ：4 5 4— 4 6 0 ． 牛荻涛，卢梅，王庆霖．锈蚀钢筋混凝土梁正截面 受弯承载力计算方法研究 [ J ] ．建筑结构 ，2 0 0 2 ， ∞ 叭 ∞ 0 O 0 0 0 0 O 0 2 O 8 6 4 2 O 8 6 4 2 0 2 2ll11l O O O 0 O O O O 0 0 O O O O 0 0 0 O O O O O O 0 O O 0 0 O gsl， 軎 靶 O O 0 0 O O 0 O 8 8 重 型 机 械 2 0 1 5 NO ． 5 1 0： 1 4 一l 7 ． [ 1 0 ]吴庆，袁迎曙．基于钢筋锈蚀的混凝土梁承载能力 退化预计模型[ J ] ．中国矿业大学学报，2 0 0 8 ，0 4 ： 50 9—51 3． [ 1 1 ]金伟良，夏晋，蒋遨宇，等．锈蚀钢筋混凝土梁受 弯承载力计算模型[ J ] ．土木工程学报 ，2 0 0 9 ，1 1 ： 6 4—70． [ 1 2 ]邢国华 ，牛荻涛．锈蚀钢筋混凝土梁的受弯分析模 型[ J ] ．中南大学学报(自然科学版) ，2 0 1 4，0 1 ： 1 9 3—2 0 1 ． [ 1 3 ]王晓刚，顾祥林 ，张伟平．锈蚀钢筋混凝土梁抗弯 性能数值模拟 [ J ] ．建筑科学与工程学报，2 0 0 9 ， 01：49—54． [ 1 4 ]伍雪南 ，徐为，孙勇，等．考虑粘结滑移的锈蚀钢 筋混凝土梁数值模拟研究 [ J ] ．工业建筑，2 0 1 2 ， S 1 ： 1 2 6—1 2 9 ． [ 1 5 ]袁迎曙 ，贾福萍 ，蔡跃．锈蚀钢筋混凝土梁 的结构 性能退化模型[ J ] ．土木工程学报，2 0 0 1 ，0 3 ：4 7 —52+9 6． [ 1 6 ]徐善华．混凝土结构退化模型与耐久性评估[ D] ． 西安：西安建筑科技大学，2 0 0 3 ． [ 1 7 ]梁岩，罗小勇，肖小琼，等．锈蚀钢筋混凝土粘结 滑移性能试验研究[ J ] ．工业建筑，2 0 1 2 ，1 0 ：9 5 — 1 0 0． [ 1 8 ]王传志， 藤智明．钢筋混凝土结构理论 [ M] ．北 京 ：中国建筑工业 出版社 ，1 9 8 5 ． [ 1 9 ]A 1 一 S u l a i ma n i G J ， K a l e e m u l l a h M，B a s u n b u l I A ．I n — fl u e n c e o f c o r r o s i o n a n d c r a c k i n g o n b o n d b e h a v i o r a n d s t r e n g t h o f r e i n f o r c e d c o n c r e t e m e m b e r s[ J ] ．A C I S t r u c t u r a l J o u r n a l ，1 9 9 0 ， 8 7 ( 2 ) ．