锈蚀预应力锚杆粘结性能研究

【摘要】

岩土工程中，影响锚固稳定最大的因素就是腐蚀和动荷载，对于腐蚀情况下，预应力锚索的粘结性能问题，开展了ABAQUS数值模拟研究，得到了锈蚀率、锚固长度、混凝土的抗拉强度对于粘结性能的影响。结果表明，在同一荷载峰值下，随着锈蚀率的增大，粘结应力峰值明显降低，锚固长度变大时，粘结应力约是1.2倍。

【关键词】锈蚀； 锚杆； 粘结性能

【中图分类号】T U417.1+16【文献标志码】A

［定稿日期］2023-08-10

［作者简介］关瑞士（1966—），男，硕士，正高级工程师，从事边坡防护与治理工作。

0 引言

为保证岩体的稳定性和安全性，通常会施加锚固系统，而锈蚀是导致锚固系统失效的主要原因之一，锈蚀导致锚固系统粘结系统退化是尤其致命的。钢筋的腐蚀导致其自身的有效横截面积降低。腐蚀物质所形成的膨胀应力引起了混凝土裂缝，从而减小了混凝土的有效断面高度，并损伤了钢筋与混凝土之间的连接界面［1］，最后引起了钢材和水泥粘结性能的降低［2］。目前，学者对于锈蚀钢筋与混凝土的粘结滑移关系［3］的研究大多采取实验方式［4］，主要包括了对腐蚀试块抗压强度［5］的简单拉拔实验［6］、中心对拉实验、梁式和柱式实验等［7］，但缺少了对腐蚀物质特性、混凝土断裂演化和黏附力能影响机理的考虑。本文将通过ABAQUS有限元软件来模拟锈蚀影响下锚杆与混凝土的粘结性能变化、滑移量、混凝土保护层厚度以及混凝土抗拉强度。

1 有限元模拟及模型的建立

本文采用ABAQUS软件模拟锈蚀影响下锚固长度以及混凝土抗拉强度对于粘结应力的影响，采用 ABAQUS软件进行有限元分析时，需要在 ABAQUS软件中建立相应的有限元模型。所建立的模型包括钢筋混凝土粘结单元（CONTORQ）、混凝土材料单元（MONCERFEN）和钢筋/混凝土接触面单元（CONTORU），其中钢筋与混凝土的接触面单元考虑了两种不同类型的界面，即水泥砂浆/混凝土界面。本文主要对钢筋混凝土粘结单元进行介绍，钢筋与混凝土的粘结单元主要考虑了水泥砂浆/混凝土界面，钢筋与砂浆/混凝土界面也有所涉及。

通过模拟混凝土模型见图１，模拟尺寸为30 cm×30 cm×30 cm，钢筋位于试块中心，半径为1.25 cm，锚固长度l＝5ｄ=12.5 cm。其中混凝土采用C30混凝土，CDP弹塑性模型，具体参数见表1。钢筋采用25 mm的HRB400钢筋作为受拉钢筋，具体参数见表2。

此模型中立方体混凝土块采用全固定的方式施加边界条件，对于钢筋施加0.4 kN的拉拔力，钢筋与混凝土之间设置摩擦系数为0.5的相互作用。这次模拟Cohesive参数中采用

试验数据τu=22.6 MPa；损伤起始Su=0.0368 d=0.44 mm，取为Su=0.44 mm；斜率K=22.6/0.44=50 MPa/mm；失效位移Sf=0.54×12=6.48 mm。

2 锈蚀试块拉拔过程分析

锚杆在岩体中的锚固作用，是依靠其与岩体中的岩体的粘结强度来实现的。根据粘结力理论，对于锚杆来说，它与岩体之间的粘结强度，即粘结力能，是由锚杆和岩石之间的摩阻力和粘结应力来决定的。此外，粘结强度还受到岩石物理力学性质和岩性等因素的影响。为了模拟锚杆与岩体之间的粘结力能随时间变化而发生改变这一特性，通过设置不同锚固条件（不同长度、不同间距、不同埋深等）来模拟锚杆与岩体之间的粘结强度，然后分别对这四种锚固条件下的粘结强度进行对比分析，从而为实际工程中的锚固设计提供参考依据。

采用ABAQUS中Cohesive模型来模拟锚杆在岩体中的粘结滑移情况。ABAQUS模型见图2～图4。

本文采用Cohesive中需要得到参数：τu、Su、Sf、K。

理论上根据美国混凝土学会文献推出的公式见式（1）。

τu=9.5fc/db（1）

式中：fc为混凝土轴心抗压强度（MPa）;db为锚杆的半径（cm）。

算出极限应力为15.3 MPa，得到极限加载力Pu=τuπdl=35 kN。

通过ABAQUS模拟出的试件滑移曲线见图5。

由图5可知，在开始加载的时候，预应力锚杆自由端没有出现滑移现象，构件混凝土与锚杆界面也没有出现粘结破坏的情况。但是，从加载端开始，滑移值Sl逐渐增大。当荷载增加到Ps=20 kN时，预应力锚杆自由端开始产生轻微位移，在到达极限荷载Pu=24 kN之前，自由端滑移值Sf始终非常小并且斜率也几乎没有变化。这表明混凝土与预应力锚杆产生相对位移以及交结破坏都是由加载端开始，然后逐渐蔓延，直至延伸到自由端。在达到峰值荷载Pu=24 kN时，滑移值为0.3 mm，此时，由于锈蚀导致交界面摩擦力减小，所以试件所能承受的荷载逐渐减小。荷载降至Pr=5 kN后开始进入缓慢下降阶段，自由端滑移值由3.4 mm增加，直到增加至4.5 mm，混凝土与预应力锚杆间锈蚀产物的产生开始发生显著粘结破坏，这时所施加在锚杆上的荷载只能靠混凝土与预应力锚杆间相互摩擦力来抵抗。而混凝土与锚杆之间的摩擦力又由混凝土的抗拉强度和锚杆与混凝土的粘结长度影响，由此可以得出混凝土抗拉强度以及混凝土与锚杆的粘结长度对极限粘结强度的影响较大。

3 结果与分析

由于锚杆锈蚀产生的影响，预应力锚杆与混凝土粘结区域之间形成了锈蚀钢筋的产物和混凝土被压碎的产物复合界面。这个复合界面的性质取决于钢筋的锈蚀程度、混凝土的强度以及损伤情况。其中锈蚀预应力锚杆的不均匀锈蚀由于锚杆锈蚀部位不同导致的不均匀锈蚀，也受锚杆与混凝土之间锚固长度的影响。当混凝土与预应力锚杆间开始发生粘结破坏，对于试件所施加的荷载只能靠混凝土与预应力锚杆间相互摩擦力来抵抗。岩体中的锚固系统多受到拉力，所以混凝土的抗拉强度对锚固系统的稳定性也起到了作用。

为此，结合已有试验数据，分别就锈蚀率、预应力锚杆的锚固长度、混凝土抗拉强度等对粘结强度的影响进行分析。

3.1 锈蚀率对粘结性能的影响分析

采用 ABAQUS建模时，考虑几点：

（1）首先建立钢筋混凝土本构模型，对 ABAQUS进行二次开发，在其中设置混凝土、钢筋材料的本构模型参数，采用 UMAT子程序调用 ABAQUS进行建模。在 ABAQUS中对混凝土和钢筋材料进行参数定义后，得到其本构关系。

（2） 对钢筋混凝土粘结性能分析中涉及到的粘结应力进行定义。粘结应力为粘结单元与弹性单元之间的相对位移引起的应变。

分别构建锈蚀率为2%、5%和7%的三种ABAQUS数值模型，通过折减系数的方法。在定义钢筋与混凝土的相互作用参数时，相应的摩擦系数分别取值0.59、0.31和0.18以模拟接触面情况。ABAQUS模拟出的粘结应力大小见图6。提取计算绘制极限粘结应力值分布见图7。

从图7中可以看出：在同一荷载峰值下，随着锈蚀率的增大，粘结应力峰值明显降低，同时粘结应力沿锚固长度方向的分布更加均匀。这是由于随着锈蚀产物的增加，钢筋肋和砂浆之间的接触面减小，导致相互摩擦力减小，机械咬合作用逐渐减弱。作用在锚杆上的荷载此时更易于在锚杆锚固段传递，因此粘结应力分布更趋均匀。

侵蚀量较大时，随着侵蚀量的增加，上升段的粘结能力显著下降，不仅极限荷载降低，极限滑移值也随之增加。针对影响钢筋砂浆试块耐压性能的浮锈现象与腐蚀裂纹的产生，大多影响钢筋砼试块抗压性能，以及混凝土钢筋中所形成或大或小的腐蚀裂纹密切相关。随着锈蚀速率增加，腐蚀裂纹延伸的直径也增加，混凝土中对钢筋直径的握裹力减小，钢筋硬度与结构强度也明显降低。

3.2 锈蚀影响下粘结锚固长度的影响

整合ABAQUS得到的数据，得出锚杆锚固长度对于粘结应力的影响见图8。当预应力锚杆锚固在混凝土的长度在12 cm时，他们之间的粘结应力约是原来的1.265倍，当锚固长度在18 cm时，粘结应力时原来的1.275倍。在岩体工程的锚固系统中，钢筋粘结在岩体的长度越长，由于钢筋直径的锈蚀程度和最大粘结应力越来越不匹配。在试块遭到破坏时，钢筋与混凝土测得的平均粘接强度和实际最大粘接强度之间的差值也越小。由此得出，根据均匀性假说，锈蚀影响的下的衰减系数会随着锚固长度的增大而减小。

3.3 锈蚀影响下混凝土抗拉强度的影响

在ABAQUS中改变混凝土的抗拉强度得到的拉伸损伤见图9。

得到抗拉强度对于粘结应力的影响见图10。

当混凝土强度达到2 MPa时，粘结应力只有原来的0.8倍，当混凝土强度达到3 MPa时，混凝土的粘结应力值和原来相似。混凝土的抗拉强度越高，锚固系统的抵抗锈胀开裂能力越强，对预应力锚杆的握裹力也越强。

4 结论

通过ABAQUS数值模拟软件对锈蚀影响下，锚杆锚固长度、混凝土的抗拉强度等对粘结应力的影响因素进行仿真，反映了腐蚀因素对预应力混凝土粘结性能的重要制约因子和退化机理。反映了锈蚀作用下钢筋混凝土粘结性能的主要影响因素及退化机制。

（1）锚固系统中，预应力锚杆的锈蚀程度越严重，锈蚀产物越多，导致混凝土与预应力锚杆的摩擦力减少，化学胶着力减小，粘结强度及粘结刚度显著下降。锚杆自由端检测出的荷载峰值也明显低于未锈蚀杆件。锈蚀钢筋的粘结力随锈蚀程度的增加而降低，但是钢筋混凝土构件中钢筋的粘结力不会发生变化。粘结力随荷载增大而降低，当荷载超过混凝土极限抗压强度时，粘结应力减小。结力与荷载间存在指数关系，随着荷载值的增大，粘结应力与荷载间的关系逐渐变小。随着荷载的增大，粘结应力逐渐减小。

（2）在一定范围内，在锈蚀影响下，锚固长度变大，粘结应力将会从1.265倍增长到1.275倍。

（3）随着锈蚀程度增加，钢筋锈蚀率增加，混凝土强度越高，抵抗锈胀开裂能力越强。

参考文献

［1］ 赵羽习，金伟良.锈蚀钢筋与混凝土粘结性能的实验研究［Ｊ］.浙江大学学报（工学版），2022，36（４）：352-356.

［2］ 谭东阳.锈蚀钢筋混凝土粘结性能试验研究［D］.重庆：重庆大学，2012.

［3］ 混凝土结构试验方法标准： GB 50152-2012［S］.北京：中国建筑工业出版社，2012.

［4］ 徐港.锈蚀钢筋混凝土粘结锚固性能研究［Ｄ］.武汉：华中科技大学，2007.

［5］ 洪小健，张誉.粘结滑移试验中的粘结应力的拟合方法［J］.结构工程师，2000，（3）：44-48.

［6］ 崔国建，张传庆，刘立鹏，等. 锚杆杆体-砂浆界面力学特性的剪切速率效应研究［J］. 岩土力学，2018，39（增 1）：284-290.

［7］ 任爱武，汪彦枢，王玉杰，等. 拉力集中全长黏结型锚索长期耐久性研究［J］. 岩石力学与工程学报，2011，30（3）：493-499.