钢筋锈蚀对钢筋混凝土结构动力特性影响数值分析

顾 炜 汤红卫*

(山东大学土建与水利学院，山东 济南 250100)

钢筋锈蚀对钢筋混凝土结构动力特性影响数值分析

顾 炜 汤红卫*

(山东大学土建与水利学院，山东 济南 250100)

利用有限元软件ANSYS，对发生钢筋锈蚀后的钢筋混凝土结构进行了数值模拟，探讨了在钢筋不同锈蚀程度的情况下，钢筋混凝土结构固有频率的变化情况，模拟结果表明，钢筋锈蚀对钢筋混凝土梁的固有频率有显著影响，钢筋混凝土梁的固有频率随着钢筋锈蚀程度的加深而呈减小趋势。

钢筋混凝土结构，锈蚀，固有频率，ANSYS

0 引言

钢筋混凝土结构是目前应用较为广泛的结构形式之一，但是由于其材料自身和使用环境的特点，使得混凝土结构存在严重的耐久性问题[1]。钢筋锈蚀导致钢筋截面减小，使混凝土保护层胀裂甚至脱落，削弱钢筋与混凝土之间的粘结性能，使结构的承载能力降低[2]。当前，针对钢筋锈蚀机理及影响因素、锈蚀钢筋的力学性能、锈后钢筋混凝土结构承载能力等方面的研究较多，而对钢筋锈蚀对结构动力特性影响研究相对较少。钢筋锈蚀不仅使结构的承载能力降低，也使结构的刚度发生改变，进而导致结构动力特性发生变化[3]。而结构动力特性的变化可以用于结构健康监测[4]。因而，开展钢筋锈蚀对混凝土结构动力特性影响的研究是十分必要的。

本文利用ANSYS有限元软件，建立锈蚀钢筋的钢筋混凝土结构有限元模型，对不同锈蚀程度下的钢筋混凝土结构的动力特性进行计算和分析。

1 有限元模型的建立

1.1 钢筋混凝土结构的基本情况

分析模型为钢筋混凝土T形梁，T形梁总长为1 350 mm，翼缘长600 mm，截面尺寸为(600×100)mm2,梁肋长1 250 mm，截面尺寸为(100×100)mm2。整个试件中只使用一根通长钢筋，钢筋总长为1 500 mm，其中与混凝土粘结的长度为1 350 mm。混凝土等级为C20，钢筋选用直径为10 mm的Ⅰ级圆钢。试验梁尺寸见图1。

1.2 有限元模型的基本假定

结构的振动一般分线性振动和非线性振动。对于一般的建筑结构，一般将其控制在线性振动的范围内。一般假定在分析过程中，整个结构处于弹性范围内，不考虑钢筋和混凝土的非线性影响。

1.3 有限元模型的建立

混凝土选用Solid65单元，采用Link8单元模拟钢筋，用Combin39三维非线性弹簧单元来模拟锈蚀钢筋和混凝土之间的力学性能变化。锈蚀钢筋和混凝土之间的粘结强度关系按式(1)考虑：

τcor=βτ

(1)

其中，β为粘结强度系数；τ为未锈蚀钢筋和混凝土之间的粘结强度。

混凝土的弹性模量Ec=2.55×104N/mm2,泊松比μc=0.2。钢筋的弹性模量Ec=2.1×105N/mm2,泊松比μs=0.3。

有限元分析模型见图2。

2 钢筋混凝土结构的固有频率计算和分析

本文采用ANSYS有限元软件计算了在钢筋0%，5%，10%和15%四种锈蚀阶段下的钢筋混凝土梁的固有频率。

钢筋锈蚀程度由其锈蚀深度衡量，钢筋的锈蚀率计算公式如下：

(2)

其中，η为钢筋的锈蚀率；R为钢筋的直径；l为钢筋的锈蚀深度。

不同锈蚀阶段下，计算所得的钢筋混凝土结构的固有频率如表1所示。

表1 钢筋混凝土梁的固有频率

从表1中可以看出，钢筋混凝土梁的固有频率总体呈下降趋势，原因可以归结如下：

1)开始锈蚀时，由于钢筋和混凝土之间出现裂隙，二者间的结合不再紧密，使整个钢筋混凝土梁的刚度降低，从而导致钢筋混凝土梁固有频率减小。但是，此时由于锈蚀脱落的钢筋有效的填充了钢筋和混凝土之间的缝隙，这就使得5%阶段的固有频率有降低，但是幅度不大；

2)在10%阶段，此时由于钢筋进一步被锈蚀，而脱落的钢筋已无法再有效填充钢筋和混凝土之间的缝隙，这就使得在此阶段钢筋混凝土结构的固有频率有明显的降低；

3)在15%阶段的时候，由于钢筋锈蚀程度加深，整个钢筋混凝土结构产生胀裂，这就使得结构被破坏，钢筋和混凝土之间的粘结进一步被削弱，因此整个结构的固有频率进一步降低。

3 结语

本文通过ANSYS软件，研究了钢筋锈蚀对钢筋混凝土梁固有频率的影响。模拟计算发现，固有频率随着钢筋锈蚀程度的加深呈减小趋势。模拟结果表明，钢筋锈蚀对钢筋混凝土梁动力特性有显著影响，由于固有频率随着锈蚀损伤程度的加深而减小，据此推断固有频率可以作为损伤指标用于混凝土结构腐蚀损伤检测。

[1] 金伟良,赵羽习.混凝土结构耐久性研究的回顾与展望[J].浙江大学学报(工学版),2002,36(4):371-380.

[2] 惠云玲,李 荣.混凝土基本构件钢筋锈蚀前后性能试验研究[J].工业建筑,1997(6):11-18.

[3] 曾 力,郭院成,张 彬.部分锈蚀钢筋混凝土结构动力特性的数值分析[J].世界地震工程,2009，25(1):12-15.

[4] Doebling S W, Farrar C R, Prime M B. A summary review of vibration-based damage identification methods[J]. Shock and Vibration Digest,1998,30(2):91-105.

Numerical analysis of effects of corrosion on modal parameters of reinforced concrete structures

Gu Wei Tang Hongwei*

(SchoolofCivilEngineering,ShandongUniversity,Jinan250100,China)

The natural frequency of corroded reinforced concrete structures are simulated by finite element method. The change of the natural frequency of the reinforced concrete structure under the different degree of corrosion was discussed. The results show that the corrosion of reinforced concrete has a significant effect on the natural frequency of reinforced concrete beams, and the natural frequency decreases with the depth of corrosion.

reinforced concrete structure, corrosion, natural frequency, ANSYS

1009-6825(2017)02-0058-02

2016-11-04

顾 炜(1991- )，男，在读硕士

汤红卫(1965- )，男，硕士生导师，教授

TU375.1

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