锈蚀钢筋混凝土梁抗弯性能数值分析

锈蚀钢筋混凝土梁抗弯性能数值分析

赵健1,李成2, 闫鑫1

(1.陕西冶金设计研究院有限公司 陕西 西安 710032；2.西安科技大学 陕西 西安 710054)

摘要：借助于ANSYS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combin39来考虑锈蚀后钢筋-混凝土粘结滑移性能变化，开展了10组锈蚀率为0～20%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10%的梁在达到屈服荷载以前刚度退化不明显，而锈蚀率为15%、20%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：TG386文献标识码：A

收稿日期：2015-05-25；修订日期：2015-06-18

作者简介：赵健(1967-)，男，高级工程师，从事建筑结构设计工作。

Numerical analysis of bending performance of corroded RC beam

ZHAO Jian1,LI Cheng2,YAN Xin1

(1. Shaanxi Metallurgical Design & Research Institute Co.，Ltd.，Xi’an 710032, China;

2. Xi’an University of Science & Technology, Xi’an 710054, China)

Abstract：The bond performance between corroded bars and concrete were simulated by inserted 3 sets of mutually orthogonal nonlinear spring elements combin39 in the concrete and steel elements, 10 FE models of simply supported beam were simulated by ANSYS, the corrosion ratios of steel bars was 0～20%. The result shows that with the increase of corrosion ratio, the beam’s bearing capacity decreased, the initial stiffness of the beam remain unchanged, stiffness sudden changed with the concrete cracking, before reaching the yield load,the stiffness degradation of beams with a little corrosion rate( < 10% ) is not obvious, while the the corrosion rate reached 15% and 20% , the beams stiffness appeared just degraded significantly, with the corrosion ratio increased , the slip value and the slip distribution rule changed, the concrete cracks tend to concentrated in the mid-span, failure forms of members changed from balanced failure to brittle failure.

Keywords：corrosion; bond-slip; numerical analysis; bearing capacity

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1991年召开的第二届国际混凝土耐久性会议上，Mehta P K[1]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-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研究[2-8]、理论研究[9-12]以及数值分析[13-14]。试验研究的试件来源主要有三类：快速锈蚀试件[4,6,8]、自然暴露试件[2,5]以及实际工程中替换下来的锈蚀构件[3,7]；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-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ANSYS，考虑锈蚀后构件材性变化以及钢筋-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10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%、10%、15%、20%，模型编号为CB-A(CB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CB-5)。混凝土梁截面尺寸150 mm×250 mm，长2 400 mm C35混凝土，纵筋采用HRB335钢筋，箍筋采用HPB235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 Fig.1　The construction of corroded RC beam

1.1混凝土本构模型

混凝土立方体抗压强度fcu,k=35 MPa，单轴抗压强度fc=16.7 MPa，单轴抗拉强度ftk=1.57 MPa，混凝土单轴受压应力-应变关系上升段采用Hognestad建议的模型(式1)，压应力过峰值点后为水平段(式2)。

(1)

当ε0<εc≤εcu时：σc=fc

(2)

式中，ε0-峰值应变，取0.002；εcu-极限压应变，取0.0033。

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[15]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-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- 应变曲线表达式可按如下参数确定。

当0<ηs≤5%时：

(3)

(4)

当ηs>5%时：

(5)

(6)

图2　锈蚀钢筋本构模型 Fig.2　Corroded reinforced constitutive model

1.3锈蚀钢筋混凝土粘结-滑移本构模型

锈蚀钢筋-混凝土间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-混凝土粘结-滑移关系的基础上引入“粘结强度降低系数”[16-17]来考虑锈蚀程度对粘结强度的影响。未锈蚀钢筋-混凝土粘结-滑移本构关系采用滕智明[18]模型(式8)，“粘结强度降低系数”采用徐善华[16]根据A.J.AL-Sulailmani等[19]的试验数据回归分析建立的计算公式(式9)。

τs=β·τ

(7)

(8)

β=

(9)

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solid65，材料本构关系采用多线性等向强化模型MISO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0.95，关闭压碎，单元尺寸50 mm。钢筋单元采用2节点杆单元LINK8，材料本构关系采用双线性等向强化模型BISO输入，单元尺寸50 mm。在坐标位置重合的钢筋单元与混凝土单元节点间插入3个相互垂直的2节点非线性弹簧单元COMBIN39，其中平行与钢筋长度方向的1个弹簧单元模拟钢筋-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)。

图3　有限元模型模型 Fig.3　The finite element model of the unit

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-挠度曲线，可以发现：①当荷载较小时，弯矩-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-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(ηs≤10%)，不同锈蚀程度梁的荷载-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CB-15、CB-20，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(ηs≤10%)的梁，其达到屈服荷载后弯矩-挠度曲线都具有一个平缓段，而对于锈蚀率较大的CB-15、CB-20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-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-挠度曲线 Fig.4　The load-deflection curve

2.2锈蚀率对钢筋-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-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-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10%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15%、20%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，10%的锈蚀率是一个临界点。

图5　不同锈蚀率下钢筋-混凝土相对滑移 Fig.5　The relative slip of reinforced-concrete under different corrosion rate

图6　不同锈蚀率下钢筋-混凝土梁裂缝分布图 Fig.6　The reinforced-concrete cracks distribution under different corrosion rate

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(ηs≤10%)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10%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，混凝土裂缝分布趋于集中于跨中部位，构件破坏形态由适筋破坏向少筋破坏转变。

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