鋼筋混凝土結構均勻銹脹開裂力學分析

何瀟鑫（湖南軟件職業學院，湖南 湘潭 411100）

鋼筋混凝土結構均勻銹脹開裂力學分析

何瀟鑫
（湖南軟件職業學院，湖南 湘潭 411100）

鋼筋銹蝕會導致剩余鋼筋與混凝土的粘結力減弱已經產生膨脹銹蝕物質進一步劣化混凝土結構，對開裂過程結構的銹蝕率與銹脹力的時程變化規律的了解是當前科研重點，能有助于對鋼筋混凝土結構的劣化機理及維修加固提供理論價值。

鋼筋混凝土結構；銹脹開裂；力學行為分析

1　引言

現有的理論分析難以量化地表述鋼筋銹蝕的過程，試驗條件很難模擬出構件的真實的情況，因此集中于混凝土銹蝕的結構彈塑性理論分析和有限元的程序分析的方法。有許多文獻對鋼筋混凝土的開裂分析有細致有限元的分析，如采用電化學方法加速銹蝕混凝土構件，采用試驗的方法測試混凝土構件保護層銹脹時期的銹蝕率，但是采集的數據數量較少且數據的穩健性難以保證。在試驗的基礎上采用有限元程序針對試驗構件，討論了各個因素對混凝土保護層開裂時刻鋼筋銹蝕率的影響。

2　混凝土銹脹開裂分析方法

2.1混凝土本構模型

混凝土本構模型主要是為了形象的表達混凝土在各種軸應力作用下的應力應變之間的關系，目前研究最常見的是非線性彈性和彈塑性的本構關系。為了便于鋼筋混凝土的數值計算，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。結構單元用梁單元、桿單元、殼單元和實體單元等。通過軟件數值模擬可以得到各個時間段結構的受壓屈服面和受拉破壞面塑性屈服區、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際情況。

2.2開裂準則

開裂是混凝土病害最常見的現象之一，對混凝土結構的安全性及使用性能影響極大。為研究混凝土開裂對結構的受力影響，采用數值模擬的方法進行仿真計算分析，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值分析的關鍵。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致的。其中拉伸作用主要包括后繼破壞本構關系與斷裂能開裂準則。在進行理論分析時劣化的混凝土開裂模型由受壓應力面確定，而受壓及受拉屈服面均以等效靜水壓力和等效偏應力代替，其受力表達式為式（1）：

式中：fc--單軸最大抗壓應力；εc--單軸最大抗壓應力；αa--單軸受壓應力-應變關系曲線參數。

2.3混凝土本構關系及參數的選取

混凝土本構關系主要表達混凝土在在各種軸力作用下應力應變的關系。目前為止，學者們在大量實驗和數據理論分析的基礎上提出了大量混凝土本構關系模型。各個材料的受力性質均有所不同，主要體現在其本構關系上。混凝土的本構模型表征的是混凝土材料的應力與應變之間的關系，體現在各個受力狀態下。由混凝土應力應變實驗可知當其受單軸壓力作用時，當應力小于混凝土抗壓強度的30%的階段應力應變的數據基本為直線，表現為彈性狀態；當所受到的應力為混凝土抗壓強度 80% ～90%時，應力應變值的關系呈曲線形式即非線性變化，該階段為混凝土的塑性變形，此時混凝土的裂縫大量產生并且發展；若應力值繼續增長到達峰值之后，混凝土即為軟化階段，此時混凝土屈服破壞。為研究混凝土受拉狀態下本構關系并適當簡化模型，在進行理論研究時令混凝土未開裂之前為線彈性關系，而開裂以后基于軟化效應，采用雙線性軟化本構關系，其表達式為式（2）～式（4）：

式中：ws、σs為曲線拐點處對應的裂縫寬度和拉應力；w0為拉應力零點處對應的裂縫寬度。

2.4有限元模型的建立及網格劃分

由于數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構的裂縫產生與發展。其仿真計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，為簡化數值模擬的過程，假定混凝土中鋼筋發生的銹蝕為沿軸向均勻發生的，因此混凝土內鋼筋銹蝕可按平面應變問題簡化處理。并考慮鋼筋在混凝土結構中的位置分別劃分中部單孔、角部單孔、多孔模型。因此應根據結構的受力原理進行合理劃分網格。在混凝土的孔洞周圍應力一般比較集中，故在數值分析時孔洞周圍的網格劃分需進行適當的密化，方能符合實際情況。

3　保護層均勻銹脹開裂分析

對模型施加均勻銹脹力直至裂縫貫穿保護層，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的位置和區域。鋼筋在混凝土結構中均勻銹蝕時，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，保護層邊緣處開始出現裂紋，并開始擴大；最終裂縫沿最短路徑貫穿保護層。

與理論分析不同的是，有限元分析能夠很好的模擬裂縫擴展的路徑和方向，當混凝土邊緣裂縫出現后，裂縫由邊緣向內擴展，形成貫通縫。由開裂區域的分布可以看出，有限元模擬結果與理論分析中將混凝土分為內環塑性區和外環彈性區這一假設是吻合的。

4　結論

鋼筋銹脹力對鋼筋混凝土構件作用的情況進行了分析，鋼筋銹蝕對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，從混凝土構件內部開始出現裂縫至保護層外側出現裂縫，最后混凝土保護層出現貫通裂縫，此刻雖然混凝土結構不會立刻破壞，為塑性變化階段，但混凝土保護層對鋼筋的保護作用已經失效，同時銹蝕產物具有吸水作用，能加快鋼筋的銹蝕反應，因此出結構安全角度而言可認為構件已經失去工程作用。

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

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

［3］馮賽.鋼筋混凝土結構銹脹開裂的仿真研究［D］.昆明理工大學，2015.

［4］彭建新，胡守旺，張建仁等.鋼筋混凝土結構銹脹開裂寬度的試驗研究及預測模型［J］.實驗力學，2014，29（01）:33-41.

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