基于ANSYS的锈蚀钢筋混凝土梁力学性能分析

摘 要：对已有的8根锈蚀钢筋混凝土梁进行有限元建模和分析，得到钢筋腐蚀率为0％、5.0％和10.0％的钢筋混凝土梁的荷载-跨中挠度曲线。研究结果表明，较高的锈蚀率会对RC梁的刚度、承载能力以及破坏形式等产生不利影响，且通过和破坏试验的对比分析，可以看出通过有限元软件ANSYS能较准确的模拟锈蚀RC组件的力学行为。研究成果可在一定程度上对耐久性损伤结构的加固有参考意义。

关键词：ANSYS 锈蚀钢筋 力学性能 耐久性

中图分类号：TU375.1   文獻标识码：A

Abstract： Based on the finite element modeling and analysis of 8 collected corroded reinforced concrete beams， the load—mid-span deflection curve of reinforced concrete beams with reinforcement corrosion rates of 0%， 5.0% and 10.0% are obtained. The results show that the higher corrosion rate has an adverse impact on the stiffness， bearing capacity and failure mode of RC beams， and that through the comparative analysis with the failure test， it can be seen that the mechanical behavior of corroded RC components can be accurately simulated by the finite element software ANSYS. This research results can have reference significance for the reinforcement of durable damage structures to a certain extent.

Key Words： ANSYS; Corroded  steel; Mechanical properties; Durability

钢筋锈蚀会导致钢筋的屈服强度和横断面积减小、钢筋和混凝土之间的粘结强度的降低以及混凝土膨胀开裂[1-2]，最终使钢筋混凝土组件的力学性能退化，甚至会引发安全问题，造成经济损伤。

目前，研究人员基本上都是通过破坏试验来研究锈蚀钢筋混凝土梁的力学行为，有限元分析是相对比较罕见的。近十几年来，有限元软件在土木工程领域得到了广泛的应用，其具有建模简单、节约材料和金钱、结果可靠等优点[3]。

因此，该文采用ANSYS对已收集到的锈蚀RC梁进行有限元建模，导出了载荷-挠度曲线，并总结出了钢筋锈蚀率对梁的承载能力、刚度和延性的影响规律。

1  锈蚀钢筋混凝土梁的本构关系

1.1 锈蚀钢筋

在该次ANSYS建模中，钢筋的本构关系选用能描述完全弹塑性的双线性模型。钢筋的腐蚀会造成其屈服强度和极限强度在一定程度上降低，锈蚀钢筋的屈服强度和极限应变与锈蚀率的函数关系如下[4]：

1.2 混凝土

一些学者对钢筋锈蚀情况下混凝土的本构关系进行了研究，但仍未能成功建立适用于ANSYS建模的混凝土本构模型[5]。为了简化建模过程和计算问题，该文暂不考虑混凝土因锈胀而造成的开裂，假定混凝土是具有均质性，且钢筋锈蚀前后其弹性模量不变。混凝土单元采用在1951年由Hognestad提出的本构关系，且不考虑其下降段。

1.3 锈蚀钢筋-混凝土

Houde和Mirza通过大量试验，回归出了粘结力与混凝土强度的经验公式[6]如下：

目前，研究人员在模拟钢筋锈蚀对粘结强度的影响时，常采用折减系数法，本文也选用这种方法来进行建模。

研究人员[7]通过大量的实验研究，给出了一个比较符合实际情况的锈蚀率与粘结作用折减系数的关系式。

其中，是混凝土与完好钢筋之间的粘结强度。

2 有限元实例分析

该实例考虑了由钢筋锈蚀所引起的钢筋横断面积的减小、钢筋屈服强度的下降以及粘结强度的退化，分别分析了在钢筋锈蚀率分别为0.0%、5.0%和10.0%时对承载能力、刚度以及延性的影响，并与文献[8]中的试验结果进行对比。

2.1有限元建模

2.1.1 计算参数

建立文献[8]中两点加载的RC梁，该梁相关参数为：混凝土强度为C30，钢筋为HRB335螺纹钢筋。梁的具体尺寸与配筋如图3所示。

2.1.2 模型建立

因在实际情况中，开裂会导致钢筋与混凝土之间变形的不协调，发生粘结失效与滑移[9]。故为了更好地模拟这种不协调变形，该文选用应用最为广泛的分离式建模。考虑到应力集中可能带来的不利影响，在三分点处和支撑处设置solid45单元垫块，混凝土及垫块、钢筋和弹簧单元如图4所示。

2.2 荷载-跨中挠度曲线

使用ANSYS软件分别运行锈蚀率为0%、5.0%和10.0%的钢筋混凝土梁，得到了不同锈蚀率情况下的荷载-挠度曲线，并将其与文献[8]中通过破坏实验得到的荷载-挠度曲线相比较。曲线如图5所示。

由图5分析可知：随着腐蚀率的逐渐增加，简支梁的极限荷载和变形都出现了下降的趋势。

（1）当施加荷载相对较小时，梁的中跨挠度随着载荷的增加而线性增加；加载到一定荷载后，曲线斜率减小，挠度迅速增大；在即将达到极限荷载时，荷载变化几乎无变化，曲线近似于水平直线，梁的破坏呈延性破坏。

（2）随着钢材的腐蚀率的增加，RC梁的极限荷载减小：未锈蚀钢筋的极限荷载为173.376 kN，当锈蚀率是5%时为153.065 kN（相对于未锈蚀钢筋下降了11.7%），10%锈蚀率时为137.177 kN（相对于未锈蚀钢筋下降了20.8%）。

（3）锈蚀率越大的梁变形能力也越差，梁在所受荷載作用下屈服阶段越来越短越不明显，破坏形式逐渐由延性破坏到脆性破坏转变。

（4）当施加载荷数值相等时，具有较高锈蚀率的梁挠度较大。这表明随着锈蚀率的增加，产生单位位移所需的力逐渐减小。

（5）使用ANSYS得到的载荷-挠度曲线与[8]中的失效试验得到的曲线趋势大致相同，考虑到在真实的破坏实验情况下，梁的初始缺陷以及因钢筋锈蚀引起的混凝土开裂等因素，ANSYS并不能完全准确的模拟真实梁的受力性能，锈蚀率为0%时试验值与模拟值极限荷载的相对误差为2.97%，5%时为7.1%。

3   结语

综上所述，随着钢筋锈蚀率的不断增加，RC梁的变形能力变差，屈服阶段越来越不明显，破坏形式逐渐从延性破坏到脆性破坏转变；钢筋的锈蚀对梁的刚度有很大影响。随着腐蚀率的增加，达到梁的相同位移所需的载荷减小，因此刚度降低；钢筋发生锈蚀对梁承载能力有不利影响，锈蚀率的增加会使梁的所能承受的极限荷载降低；ANSYS能够比较正确和快速地模拟锈蚀钢筋混凝土构件的力学性能，对耐久性损伤结构的加固有一定的参考意义。

参考文献

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[3]TALUJA R，PATIL P P，BANSAL G，et al.Computational Kinematic Characterization of Flow Past a Bluff Body for Type 304 Stainless Steel Material Using ANSYS Workbench[J].Materials Today：Proceedings，2021，46（20）：10471-10477.

[4]袁迎曙，余索.锈蚀钢筋混凝土梁的力学性能退化[J].建筑结构学报，1997，18（4）：51-57.

[5]郑山锁，陈嘉晨，郑淏，等.酸雨侵蚀弯曲型破坏钢筋混凝土柱抗震性能试验研究[J].中南大学学报（自然科学版），2021，52（10）：3680-3688.

[6] CHANG Y J，QIN S，HUANG M Q，et al.Analytical Model of the Bond Stress-slip Relationship for Reinforced Concrete Due to Splitting Failure[J].Construction and Building Materials，2021，287：123025.

[7]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，2002.

[8]周静雅.锈蚀钢筋混凝土梁力学性能研究[J].延安大学学报，2013，39（1）：70-73.

[9]陈光，陈俊成，周彤，等.锈蚀钢筋混凝土墩柱抗震性能试验和数值分析[J].公路工程，2021，46（5）：15-23.

作者简介：陈飞飞（1993—），男，本科，助理工程师，研究方向为道路与桥梁设计。