正常使用狀態下鋼筋混凝土梁撓度非線性分析

張旭偉

(鎮江市住房與城鄉建設局抗震辦公室，江蘇鎮江 212000)

0 引言

在科技日益發展的今天，人們更加重視建筑結構的耐久性性能及設計。作為工業與民用建筑最重要的建筑結構——鋼筋混凝土結構，由于其使用面寬，因而研究其耐久性顯得尤為重要，近年來大量研究表明，鋼筋銹蝕是造成鋼筋混凝土構件性能退化的主要原因。

鋼筋混凝土結構的耐久性破壞過程主要是梁裂縫貫通后導致的鋼筋銹蝕。我們在結構檢測中可以觀測到梁表面的裂縫分布及裂縫寬度以及梁的撓度這些信息。為了更好的把握梁構件的耐久性，我們有必要對梁開展有限元模擬分析，將分析結果與現行規范對比，以建立正常使用狀態下梁撓度預測的通用分析辦法，為工程結構加固提供參考。

1 鋼筋銹蝕影響的鋼筋混凝土構件的有限元模型建立

鋼筋銹蝕對混凝土構件的影響主要體現在:鋼筋損傷;混凝土損傷;鋼筋和混凝土之間粘結性能的退化。

銹蝕后鋼筋損傷:對鋼筋，銹蝕導致其截面面積減小，鋼筋力學性能發生改變。

銹蝕對混凝土本身的特性無特殊影響，但部分銹蝕產物填充到混凝土孔隙中增加了混凝土的密實性，相應的影響了混凝土的力學性能，由于目前此方面的研究資料極少，為了計算簡化，本文在計算時假定混凝土各向同性，近似認為銹蝕前后混凝土彈性模量基本保持不變，混凝土單元仍采用原混凝土力學性能指標和本構模型。

有限元軟件提供了一種專門用于混凝土分析的8節點實體單元Solid65，該單元既可用于建立整體式的有限元模型，也可用于建立分離式的有限元模型，具有模擬混凝土材料的開裂、壓碎、塑性變形和蠕變的能力。

銹蝕后鋼筋和混凝土之間粘結性能的退化:鋼筋銹蝕后在鋼筋與混凝土的界面上生成疏松的銹蝕層，降低了鋼筋與混凝土之間的機械咬合力，同時，混凝土保護層的開裂也降低了外圍混凝土對鋼筋的約束作用，導致鋼筋與混凝土之間的粘結作用隨鋼筋銹蝕的加劇而發生退化。

粘結單元采用非線性彈簧單元Combine39，在相應的鋼筋單元節點和混凝土節點之間，設置3個長度為0、互相垂直、具有不同剛度的非線性彈簧單元。垂直于鋼筋的彈簧單元剛度取一個大數，即不考慮在垂直方向的滑移;平行于鋼筋的彈簧單元剛度是根據銹蝕鋼筋與混凝土的局部粘結滑移關系。

以圖1所示鋼筋混凝土簡支梁為例，建立有限元模型(見圖2)。

圖1 構件配筋及受荷圖

圖2 構件模型圖

建模分為3個階段，第1階段不考慮鋼筋單元與混凝土單元的相對滑移建立有限元模型，通過比較理論計算值來判斷模型是否正確;第2階段在縱向鋼筋單元與混凝土單元之間加入Combine39單元以考慮兩者的相對滑移，對比第1階段模型的承載力，驗算所加彈簧單元正確與否;第3階段通過對 Combine39單元進行修正來考慮鋼筋銹蝕對鋼筋與混凝土之間粘結力降低的影響，同時考慮鋼筋銹蝕造成的鋼筋截面減少和屈服強度降低，并對結果進行分析。

2 結果分析

為了與有限元計算結果進行對比，不考慮長期荷載效應的影響。對于三分點加載的簡支梁，其撓度可按如下公式計算:

根據我國規范，可得計算梁的撓度不考慮梁的收縮、徐變，其計算公式為:

其中，f為撓度;k為與加載方式有關的系數;r為曲率半徑。

加載下梁的撓度圖見圖3，銹蝕處跨中最大撓度見表1。

圖3 有限元計算14 000 N加載下梁的撓度圖

表1 銹蝕處跨中最大撓度

3 結語

1)基于有限元分析軟件，對局部銹蝕鋼筋混凝土梁進行模擬，可準確獲得實際工程中存在的局部銹蝕梁的受力性能。通過對受拉筋單元和非線性彈簧單元的特性設置，進行計算機模擬，可以克服實際局部銹蝕梁試驗研究中諸多不足。2)基于有限元軟件的裂縫寬度計算公式計算出梁的跨中撓度;并按照我國規范進行手算，計算出梁的跨中撓度。通過表1對比分析，發現在一定的誤差范圍內，從而證明該模型可用于工程實際分析設計。

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