鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)均勻銹脹開裂力學(xué)分析

何瀟鑫（湖南軟件職業(yè)學(xué)院，湖南 湘潭 411100）

鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)均勻銹脹開裂力學(xué)分析

何瀟鑫
（湖南軟件職業(yè)學(xué)院，湖南 湘潭 411100）

鋼筋銹蝕會(huì)導(dǎo)致剩余鋼筋與混凝土的粘結(jié)力減弱已經(jīng)產(chǎn)生膨脹銹蝕物質(zhì)進(jìn)一步劣化混凝土結(jié)構(gòu)，對(duì)開裂過程結(jié)構(gòu)的銹蝕率與銹脹力的時(shí)程變化規(guī)律的了解是當(dāng)前科研重點(diǎn)，能有助于對(duì)鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的劣化機(jī)理及維修加固提供理論價(jià)值。

鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)；銹脹開裂；力學(xué)行為分析

1　引言

現(xiàn)有的理論分析難以量化地表述鋼筋銹蝕的過程，試驗(yàn)條件很難模擬出構(gòu)件的真實(shí)的情況，因此集中于混凝土銹蝕的結(jié)構(gòu)彈塑性理論分析和有限元的程序分析的方法。有許多文獻(xiàn)對(duì)鋼筋混凝土的開裂分析有細(xì)致有限元的分析，如采用電化學(xué)方法加速銹蝕混凝土構(gòu)件，采用試驗(yàn)的方法測試混凝土構(gòu)件保護(hù)層銹脹時(shí)期的銹蝕率，但是采集的數(shù)據(jù)數(shù)量較少且數(shù)據(jù)的穩(wěn)健性難以保證。在試驗(yàn)的基礎(chǔ)上采用有限元程序針對(duì)試驗(yàn)構(gòu)件，討論了各個(gè)因素對(duì)混凝土保護(hù)層開裂時(shí)刻鋼筋銹蝕率的影響。

2　混凝土銹脹開裂分析方法

2.1混凝土本構(gòu)模型

混凝土本構(gòu)模型主要是為了形象的表達(dá)混凝土在各種軸應(yīng)力作用下的應(yīng)力應(yīng)變之間的關(guān)系，目前研究最常見的是非線性彈性和彈塑性的本構(gòu)關(guān)系。為了便于鋼筋混凝土的數(shù)值計(jì)算，常采用受壓彈塑性與受拉彈性開裂模型以表述其非線性行為。結(jié)構(gòu)單元用梁單元、桿單元、殼單元和實(shí)體單元等。通過軟件數(shù)值模擬可以得到各個(gè)時(shí)間段結(jié)構(gòu)的受壓屈服面和受拉破壞面塑性屈服區(qū)、受力或位移云圖。鋼筋混凝土具有明顯的非線性，采用一般的簡化分析方法難以表征其實(shí)際情況。

2.2開裂準(zhǔn)則

開裂是混凝土病害最常見的現(xiàn)象之一，對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)的安全性及使用性能影響極大。為研究混凝土開裂對(duì)結(jié)構(gòu)的受力影響，采用數(shù)值模擬的方法進(jìn)行仿真計(jì)算分析，其中混凝土的裂紋與開裂后的性狀在有限元軟件中模擬是數(shù)值分析的關(guān)鍵。基于損傷彈性理論可知，裂紋后期的損傷行為是拉伸作用導(dǎo)致的。其中拉伸作用主要包括后繼破壞本構(gòu)關(guān)系與斷裂能開裂準(zhǔn)則。在進(jìn)行理論分析時(shí)劣化的混凝土開裂模型由受壓應(yīng)力面確定，而受壓及受拉屈服面均以等效靜水壓力和等效偏應(yīng)力代替，其受力表達(dá)式為式（1）：

式中：fc--單軸最大抗壓應(yīng)力；εc--單軸最大抗壓應(yīng)力；αa--單軸受壓應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線參數(shù)。

2.3混凝土本構(gòu)關(guān)系及參數(shù)的選取

混凝土本構(gòu)關(guān)系主要表達(dá)混凝土在在各種軸力作用下應(yīng)力應(yīng)變的關(guān)系。目前為止，學(xué)者們?cè)诖罅繉?shí)驗(yàn)和數(shù)據(jù)理論分析的基礎(chǔ)上提出了大量混凝土本構(gòu)關(guān)系模型。各個(gè)材料的受力性質(zhì)均有所不同，主要體現(xiàn)在其本構(gòu)關(guān)系上。混凝土的本構(gòu)模型表征的是混凝土材料的應(yīng)力與應(yīng)變之間的關(guān)系，體現(xiàn)在各個(gè)受力狀態(tài)下。由混凝土應(yīng)力應(yīng)變實(shí)驗(yàn)可知當(dāng)其受單軸壓力作用時(shí)，當(dāng)應(yīng)力小于混凝土抗壓強(qiáng)度的30%的階段應(yīng)力應(yīng)變的數(shù)據(jù)基本為直線，表現(xiàn)為彈性狀態(tài)；當(dāng)所受到的應(yīng)力為混凝土抗壓強(qiáng)度 80% ～90%時(shí)，應(yīng)力應(yīng)變值的關(guān)系呈曲線形式即非線性變化，該階段為混凝土的塑性變形，此時(shí)混凝土的裂縫大量產(chǎn)生并且發(fā)展；若應(yīng)力值繼續(xù)增長到達(dá)峰值之后，混凝土即為軟化階段，此時(shí)混凝土屈服破壞。為研究混凝土受拉狀態(tài)下本構(gòu)關(guān)系并適當(dāng)簡化模型，在進(jìn)行理論研究時(shí)令混凝土未開裂之前為線彈性關(guān)系，而開裂以后基于軟化效應(yīng)，采用雙線性軟化本構(gòu)關(guān)系，其表達(dá)式為式（2）～式（4）：

式中：ws、σs為曲線拐點(diǎn)處對(duì)應(yīng)的裂縫寬度和拉應(yīng)力；w0為拉應(yīng)力零點(diǎn)處對(duì)應(yīng)的裂縫寬度。

2.4有限元模型的建立及網(wǎng)格劃分

由于數(shù)值模擬分析具有較好的直觀性與可視化，因此采用有限元分析軟件研究混凝土結(jié)構(gòu)的裂縫產(chǎn)生與發(fā)展。其仿真計(jì)算分析模型的截面尺寸為200mm×200mm，鋼筋處用等直徑的孔洞來代替，為簡化數(shù)值模擬的過程，假定混凝土中鋼筋發(fā)生的銹蝕為沿軸向均勻發(fā)生的，因此混凝土內(nèi)鋼筋銹蝕可按平面應(yīng)變問題簡化處理。并考慮鋼筋在混凝土結(jié)構(gòu)中的位置分別劃分中部單孔、角部單孔、多孔模型。因此應(yīng)根據(jù)結(jié)構(gòu)的受力原理進(jìn)行合理劃分網(wǎng)格。在混凝土的孔洞周圍應(yīng)力一般比較集中，故在數(shù)值分析時(shí)孔洞周圍的網(wǎng)格劃分需進(jìn)行適當(dāng)?shù)拿芑侥芊蠈?shí)際情況。

3　保護(hù)層均勻銹脹開裂分析

對(duì)模型施加均勻銹脹力直至裂縫貫穿保護(hù)層，通過在有限元軟件中中查看開裂單元可以大致表示裂縫出現(xiàn)的位置和區(qū)域。鋼筋在混凝土結(jié)構(gòu)中均勻銹蝕時(shí)，裂縫開始形成于鋼筋與混凝土的交界處，并沿著鋼筋的直徑逐漸向外均勻拓展。隨著鋼筋銹蝕的延展，保護(hù)層邊緣處開始出現(xiàn)裂紋，并開始擴(kuò)大；最終裂縫沿最短路徑貫穿保護(hù)層。

與理論分析不同的是，有限元分析能夠很好的模擬裂縫擴(kuò)展的路徑和方向，當(dāng)混凝土邊緣裂縫出現(xiàn)后，裂縫由邊緣向內(nèi)擴(kuò)展，形成貫通縫。由開裂區(qū)域的分布可以看出，有限元模擬結(jié)果與理論分析中將混凝土分為內(nèi)環(huán)塑性區(qū)和外環(huán)彈性區(qū)這一假設(shè)是吻合的。

4　結(jié)論

鋼筋銹脹力對(duì)鋼筋混凝土構(gòu)件作用的情況進(jìn)行了分析，鋼筋銹蝕對(duì)混凝土受力情況的大致的過程有了比較清晰的了解。隨著銹脹力增大，從混凝土構(gòu)件內(nèi)部開始出現(xiàn)裂縫至保護(hù)層外側(cè)出現(xiàn)裂縫，最后混凝土保護(hù)層出現(xiàn)貫通裂縫，此刻雖然混凝土結(jié)構(gòu)不會(huì)立刻破壞，為塑性變化階段，但混凝土保護(hù)層對(duì)鋼筋的保護(hù)作用已經(jīng)失效，同時(shí)銹蝕產(chǎn)物具有吸水作用，能加快鋼筋的銹蝕反應(yīng)，因此出結(jié)構(gòu)安全角度而言可認(rèn)為構(gòu)件已經(jīng)失去工程作用。

［1］王雪松.荷載與環(huán)境作用下鋼筋混凝土銹蝕粘結(jié)力及銹脹開裂研究［D］.浙江大學(xué)，2013.

［2］劉榮桂，喻孟雄，姜慧等.鋼筋混凝土構(gòu)件銹脹開裂時(shí)刻的橢圓形非均勻銹脹應(yīng)力分析［J］.硅酸鹽通報(bào)，2015（07）:1769-1774.

［3］馮賽.鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)銹脹開裂的仿真研究［D］.昆明理工大學(xué)，2015.

［4］彭建新，胡守旺，張建仁等.鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)銹脹開裂寬度的試驗(yàn)研究及預(yù)測模型［J］.實(shí)驗(yàn)力學(xué)，2014，29（01）:33-41.

10.16640/j.cnki.37-1222/t.2016.18.095