氯鹽和硫酸鹽侵蝕下RC梁受彎性能分析

吳 慶, 曹俊鎬, 陳小健

(江蘇科技大學 土木工程與建筑學院,江蘇 鎮江 212003)

文中主要對混凝土構件在2種鹽共同侵蝕后抗力性能退化規律進行研究，采用大型通用有限元軟件ANSYS分析了腐蝕鋼筋混凝土梁受彎性能.

1 鋼筋混凝土梁的材料參數

1.1混凝土參數

混凝土軸心抗拉強度ft,通過混凝土軸心抗拉強度與混凝土立方體抗壓強度值之間的關系得到[6]

(1)

式中:δ為變異系數,對于C25的混凝土取0.16;αc2為高強混凝土的脆性折減系數,對C40及以下取1.00；fcu為抗壓強度,通過立方體抗壓試驗測得.

在有限元模型中,混凝土采用多線性等向強化定義其本構關系,混凝土破壞準則選用William-Warnke5參數破壞準則,通過定義混凝土的極限受拉強度和受壓強度,確定混凝土在多軸應力狀態下的破壞準則.

1.2 鋼筋參數

銹蝕鋼筋的名義彈性模量和名義屈服強度可以通過彈性模量和屈服強度的衰退模型得到[7].

屈服強度:

當0<ρ≤5%fyx=(1-0.029ρ)fy

(2)

當ρ>5%fyx=(1.175-0.064ρ)fy

(3)

彈性模量:

當0<ρ≤5%Esx=(1-0.052ρ)Es

(4)

當ρ>5%Esx=(0.895-0.031ρ)Es

(5)

式中:ρ為鋼筋的銹蝕率,fyx為鋼筋的名義屈服強度,fy為鋼筋的屈服強度,Esx為鋼筋的名義彈性模量,Es為鋼筋的彈性模量.

由于本試驗只測出了銹蝕鋼筋的重量損失率,在后面進行ANSYS有限元分析時,需要用鋼筋的截面積對Link8單元進行實常數的設定,那么銹蝕鋼筋截面損失率可以通過下面關系確定[8]:

當ρ<2%ηs=η

(6)

當2%≤ρ≤10%ηs=0.015+0.97η

(7)

當10%<ρ≤20%ηs=0.062+0.95η

(8)

式中:ρ為鋼筋的銹蝕率,ηs為截面損失率,η為重量損失率.

在有限元模型中,鋼筋采用雙線性各向同性硬化模型,根據上述公式修改其截面面積、屈服強度以及彈性模量.

1.3 粘結滑移關系

銹蝕后鋼筋和混凝土之間的粘結強度降低系數β的表達式[9]

(9)

式中:ρ為銹蝕鋼筋的銹蝕率.

在進行有限元模擬時,鋼筋-混凝土之間的粘結滑移關系用以上介紹的未銹蝕鋼筋-混凝土之間的粘結滑移關系和銹蝕后鋼筋-混凝土之間的粘結強度降低系數β的乘積來表示,即

τ=β(9.81×102s-5.74×104s2+0.837×106s3)

(10)

文中通過選用不同的鋼筋-混凝土之間的粘結滑移關系進行多次有限元分析,最終發現以上的鋼筋-混凝土之間粘結滑移關系與試驗結果相對比較吻合,因此,選取式(10)為鋼筋和混凝土之間的粘結滑移關系.

由于鋼筋與混凝土之間的滑移主要是沿鋼筋長度方向,所以垂直于鋼筋方向的彈簧剛度取一個大數,即不考慮在垂直方向的滑移.

2 有限元模型的建立

2.1 算例基本參數

算例采用鋼筋混凝土矩形截面簡支梁,梁截面尺寸b×h=150 mm×200 mm.梁的跨度l=1 500 mm.縱向受拉鋼筋為2φ20,架立筋為2φ10,為了防止鋼筋混凝土梁受剪性能不足導致過早發生破壞,在沿著梁的長度方向均勻配置了φ6@150的箍筋.混凝土強度為C25,混凝土的保護層厚度為15 mm,在加載點和支撐處都假設了50 mm的剛墊板.具體示意如圖1,試驗構件基本腐蝕情況如表1.

圖1 試驗梁截面尺寸及配筋示意圖(單位：mm)Fig.1 Test beam cross section diagram(Unit：mm)

表1 試驗梁腐蝕情況Table 1 Bearing capacity test results of test beam

2.2 有限元模型

根據梁的尺寸采用時間建模的方法建立模型,縱筋和箍筋的位置采用工作平面切分的方法切割.為了節省計算時間,把梁的對稱性考慮進去,所以受腐蝕梁建模時取梁跨長的一半進行建模,混凝土單元的劃分經過多次網格調整最終確定下來,如圖2a);鋼筋單元的有限元模型如圖2b)；鋼筋與混凝土之間的粘結單元如圖2c).

a) 混凝土單元

b) 鋼筋單元

c) 粘結單元

由于本模型采用了原結構的二分之一,故在對稱面上要施加對稱約束.在支座和加載處,為了避免荷載直接加在混凝土節點上容易造成在支座和加載處出現較大的應力集中現象,故在這兩處分別加上了厚為50 mm的剛性墊板.在加載的過程中,采用荷載增量法,將設計的極限荷載分成多個荷載步,然后再轉換為節點荷載施加在對應的節點位置上.

3 結果分析

3.1 荷載-撓度關系

對鋼筋混凝土梁進行有限元承載力分析,得到鋼筋銹蝕后各鋼筋混凝土梁承載力曲線如圖3,有限元分析值與試驗結果值對比情況如表2.

圖3 梁的荷載-撓度曲線Fig.3 Beam load-deflection curve

表2 有限元分析結果與試驗值結果的對比Table 2 Contrast between the finite element analysis and experimental results

從圖3中可以看出,隨著腐蝕程度的加深,鋼筋混凝土梁承載力退化的越厲害;從表2中可以看出,數值分析的結果與試驗值基本吻合,表明所選用的本構關系和單元類型適用于受腐蝕鋼筋混凝土構件的性能分析.

3.2 跨中截面處混凝土的應力分布

圖4為跨中截面處混凝土的應力-應變關系分布.從圖中可以觀察:當梁承受彎矩較小時,如荷載值為50 kN時,受拉區混凝土的拉應力還未達到混凝土的抗拉強度時,跨中截面的混凝土應力是遵循線性分布這一規律的;隨著梁承受彎矩逐步加大,如荷載值為250 kN時,受拉區混凝土發生開裂現象,退出工作,這時混凝土的拉應力為零,但是受壓區混凝土的應力卻發生了飛速增長;當梁承受彎矩進一步加大時,如荷載值為580 kN,受壓區混凝土的應力繼續增大,中和軸逐步上移,最終使得受壓區混凝土的壓應力達到混凝土抗壓強度極限值,混凝土就被壓碎.

圖4 鋼筋混凝土梁跨中截面的應力-應變關系Fig.4 Cross section of concrete in the load-stress

3.3 鋼筋與混凝土的粘結滑移分析

圖5為受腐蝕鋼筋混凝土梁的鋼筋與混凝土之間滑移量與荷載之間的關系.由于beama0,beama3的腐蝕程度相當,故取beama0作為代表與beama4比較.從圖中可以看出:當荷載比較小的時候(受拉區混凝土還未有開裂),相對滑移量很小.隨著荷載的增加,鋼筋與混凝土之間的滑移量呈波浪形式發展.這正是由于荷載的增大,導致混凝土受拉區裂縫的開展,從而使得鋼筋和混凝土之間的滑移量發生了變化.從圖中對比發現:當鋼筋混凝土梁遭受的腐蝕不是很大的時候,其鋼筋和混凝土之間的粘結滑移性能退化的不大,因此鋼筋和混凝土之間的滑移量與未遭到腐蝕鋼筋混凝土梁是十分相像的.但是對于受腐蝕比較嚴重的鋼筋混凝土梁,由于鋼筋和混凝土之間的粘結作用發生了嚴重的退化,彎剪區的縱筋會沿著梁的縱向發生很大的滑移,當梁的承載力達到極限荷載的時候,鋼筋的滑移量就已經很大了,不能有效地承擔拉應力.

a) beama 0

b) beama 4

4 結論

文中建立了考慮鋼鋸架與混凝土之間粘結性能的有限元模型,對受腐蝕鋼筋混凝土梁進行了有限元分析,研究結果表明:在腐蝕初期影響構件承載力和剛度下降的主要原因是材料被腐蝕后其性能發生了改變；而隨著腐蝕程度的加深,構件承載力和剛度下降主要是由于鋼筋與混凝土之間的粘結滑移性能退化造成的.

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