高温后锈蚀钢筋混凝土梁抗弯性能分析

吕丽萍，刘才玮，李令辉

(青岛理工大学土木工程学院，青岛 266033)

当前基于常温锈蚀的钢筋混凝梁性能研究较多，试验研究[1-3]表明，对全跨均匀锈蚀的钢筋混凝土梁而言，在锈蚀率较小的早期阶段，钢筋与混凝土之间粘结性能退化对梁的抗弯承载力影响有限；随着锈蚀率的增大，粘结强度大幅降低，力不能有效地在钢筋和混凝土之间传递，钢筋的强度不能得到充分发挥，梁的承载能力受到一定削弱；当钢筋受到较为严重的锈蚀时，梁的破坏模式容易发生改变，即容易发生脆性破坏。

在数值模拟方面,杨成等[4]对不同箍筋锈断位置RC梁的抗剪性能进行了分析。Kallias和ImranRafiq[5]建立了二维非线性RC梁有限元模型,并研究了不同位置钢筋锈蚀对RC梁弯曲性能的影响。Vu等[6]通过数值分析研究了锈蚀率、轴压比和配箍率等参数对锈蚀RC柱抗震性能的影响。为了探讨沿海桥墩在服役期内遭受地震荷载时的破坏模式与等效塑性铰长度随时间的变化规律，钢筋本构采用瞬变钢筋本构。

以上研究都是基于常温下的锈蚀钢筋混凝土试验和数值分析研究，锈蚀钢筋混凝土梁在受火过程中所受荷载越大，应力水平越高，剩余承载力越低，损伤越严重。基于此，论文在参考相关文献的基础上，采用ABAQUS有限元软件进行高温后锈蚀钢筋混凝土梁抗弯性能的静动力数值模拟分析，希望能够为今后的高温后锈蚀梁有限元研究提供参考。

1 参考实验工况

考虑纵筋锈蚀率、受火时间以及保护层厚度对钢筋混凝土梁动力特性及力学性能的影响，选取四个工况进行有限元建模分析。混凝土梁长为3 m，其中有效长度为2.4 m，截面宽度为150 mm,高度为300 mm。试验设计参数见表1。

2 基本假定

混凝土结构在承受火灾作用时，其温度场的分布容易受到各种复杂因素的干扰，为了保证温度场的模拟具有现实操作性而又尽可能符合实际情况，该文在采用ABQUS有限元软件进行温度场分析时采用如下假设：

1)混凝土视为各向同性材料；

2)忽略内力和变形对温度场的影响，在火灾下不考虑结构的热膨胀变形；

3)忽略混凝土的各种组成成分在高温下发生物理化学反应时所释放的热量；

4)认为混凝土和钢筋之间的热传导没有热量损耗。

3 温度场模型的建立

使用有限元分析软件ABAQUS对锈蚀混凝土梁进行建模。在单元类型选择方面，混凝土采用8节点实体单元(DC3D8)，钢筋采用2节点线性单元(DC1D2)。试件三面(两个侧面及底面)受火，在网格划分前，首先在钢筋位置处进行切分，以此保证钢筋和混凝土共节点，钢筋与混凝土之间采用Tie约束，构件受火面和背火面对流换热系数分别取25 W/(m2·℃)和9 W/(m2·℃)，斯蒂芬-玻尔兹曼常数为5.67×10-8W/(m2·K4)，发射率0.8。网格大小划分为10 mm×10 mm×10 mm。有限元模型见图1和图2。

由于在试验过程中，混凝土发生了爆裂，并且爆裂的位置、范围及尺寸存在较大随机性，同时，不同区域的爆裂并不一定同时发生，同一区域爆裂的完成也不一定只经过一次爆裂，试验设计时所布置的温度测点并不一定正好位于爆裂区域附近，试验时无法实时观测到炉内情况，只能听到混凝土爆裂的声音，因此在温度场模拟时，按照实际爆裂情况进行模拟存在较大困难，为了便于计算，假定在听到爆裂的第一时间即完成了全部爆裂。就混凝土的爆裂尺寸而言，该文爆裂情况与混凝土柱的爆裂试验现象相类似，即爆裂尺寸不均匀，在火灾试验结束后可以观察到，爆裂面凹凸不平，有的地方可见箍筋，有的地方箍筋上仍有混凝土，因此该文选取平均爆裂深度为2/3混凝土保护层厚度，爆裂范围按照火灾试验结束后所记录真实爆裂情况进行建模。图3为部分爆裂严重的有限元模型，其中部件一为发生爆裂的混凝土。

4 静力模型的建立

高温后的静力模拟需要以构件的历经最高温度场为基础，通过修改.inp文件中的预定义场，赋予力学模型以python脚本程序获得的节点历经最高温度。

在上述基础上参考文献[2]提供的高温后材料力学性能参数，赋予力学模型以高温后对应的力学性能参数。

对力学模型而言，在网格划分上，网格大小与温度场模型相同。在单元类型上，混凝土采用具有缩减积分的8节点三维实体单元(C3D8R)，钢筋采用2节点三维桁架单元(T3D2)，有限元模型见图4，高温后锈蚀钢筋与混凝土的粘结采用SPRING2弹簧单元，K1约束钢筋与混凝土在水平方向位移，弹簧刚度由能量等值原理确定，即根据现有的本构模型。K2和K3约束二者之间垂直于水平方向的法向方向的位移，结合实际特点，弹簧刚度可取极大值。上述粘结关系的定义通过修改.inp文件来完成。按照试验的简支梁边界条件进行定义，按照三等分加载方式进行加载，选择静力通用分析步进行计算。

选用等效截面法对火灾后锈蚀混凝土梁的残余抗弯承载力和残余抗弯刚度进行计算分析。图5为荷载-挠度曲线的试验值和模拟值对比图,以梁B1和梁B3以及梁B5和梁B8为例进行分析。

由图5可知：试验中，未受火未锈蚀的梁的破坏过程表现出三阶段特征，即未开裂弹性阶段、开裂弹性阶段、塑性破坏阶段，而未受火混凝土梁在锈蚀率达到0.069之后，受火时间为60 min的锈蚀混凝土梁的锈蚀率达到0.056时，受火时间为120 min时的锈蚀混凝土梁的破坏过程缺少未开裂的弹性阶段，表现出二阶段特征，但模拟的破坏过程始终表现出三阶段特征，这是因为在模拟时未考虑因锈蚀或高温而产生的初始裂缝影响。

5 结 论

a.使用有限元分析软件ABAQUS对混凝土构件发生的爆裂现象进行模拟，验证了考虑爆裂影响的温度场模拟在精确程度上要高于未考虑爆裂的温度场模拟。

b.静力模拟的破坏过程始终表现出三阶段破坏特征，这是因为在模拟时未考虑因锈蚀或高温而产生的初始裂缝影响，虽然模拟结果与试验结果在破坏过程上存在一定的差异，但二者的极限荷载吻合较好。

c.通过模拟值与试验值的对比可知该文的模拟效果良好，证明该文选用的火灾后锈蚀钢筋和混凝土的材料性能本构模型以及二者之间关于粘结滑移本构模型的等能量法简化模型可以满足实际工程需要。