鋼筋銹蝕對鋼筋混凝土結構動力特性影響數值分析

顧 煒 湯紅衛*

(山東大學土建與水利學院，山東 濟南 250100)

鋼筋銹蝕對鋼筋混凝土結構動力特性影響數值分析

顧 煒 湯紅衛*

(山東大學土建與水利學院，山東 濟南 250100)

利用有限元軟件ANSYS，對發生鋼筋銹蝕后的鋼筋混凝土結構進行了數值模擬，探討了在鋼筋不同銹蝕程度的情況下，鋼筋混凝土結構固有頻率的變化情況，模擬結果表明，鋼筋銹蝕對鋼筋混凝土梁的固有頻率有顯著影響，鋼筋混凝土梁的固有頻率隨著鋼筋銹蝕程度的加深而呈減小趨勢。

鋼筋混凝土結構，銹蝕，固有頻率，ANSYS

0 引言

鋼筋混凝土結構是目前應用較為廣泛的結構形式之一，但是由于其材料自身和使用環境的特點，使得混凝土結構存在嚴重的耐久性問題[1]。鋼筋銹蝕導致鋼筋截面減小，使混凝土保護層脹裂甚至脫落，削弱鋼筋與混凝土之間的粘結性能，使結構的承載能力降低[2]。當前，針對鋼筋銹蝕機理及影響因素、銹蝕鋼筋的力學性能、銹后鋼筋混凝土結構承載能力等方面的研究較多，而對鋼筋銹蝕對結構動力特性影響研究相對較少。鋼筋銹蝕不僅使結構的承載能力降低，也使結構的剛度發生改變，進而導致結構動力特性發生變化[3]。而結構動力特性的變化可以用于結構健康監測[4]。因而，開展鋼筋銹蝕對混凝土結構動力特性影響的研究是十分必要的。

本文利用ANSYS有限元軟件，建立銹蝕鋼筋的鋼筋混凝土結構有限元模型，對不同銹蝕程度下的鋼筋混凝土結構的動力特性進行計算和分析。

1 有限元模型的建立

1.1 鋼筋混凝土結構的基本情況

分析模型為鋼筋混凝土T形梁，T形梁總長為1 350 mm，翼緣長600 mm，截面尺寸為(600×100)mm2,梁肋長1 250 mm，截面尺寸為(100×100)mm2。整個試件中只使用一根通長鋼筋，鋼筋總長為1 500 mm，其中與混凝土粘結的長度為1 350 mm。混凝土等級為C20，鋼筋選用直徑為10 mm的Ⅰ級圓鋼。試驗梁尺寸見圖1。

1.2 有限元模型的基本假定

結構的振動一般分線性振動和非線性振動。對于一般的建筑結構，一般將其控制在線性振動的范圍內。一般假定在分析過程中，整個結構處于彈性范圍內，不考慮鋼筋和混凝土的非線性影響。

1.3 有限元模型的建立

混凝土選用Solid65單元，采用Link8單元模擬鋼筋，用Combin39三維非線性彈簧單元來模擬銹蝕鋼筋和混凝土之間的力學性能變化。銹蝕鋼筋和混凝土之間的粘結強度關系按式(1)考慮：

τcor=βτ

(1)

其中，β為粘結強度系數；τ為未銹蝕鋼筋和混凝土之間的粘結強度。

混凝土的彈性模量Ec=2.55×104N/mm2,泊松比μc=0.2。鋼筋的彈性模量Ec=2.1×105N/mm2,泊松比μs=0.3。

有限元分析模型見圖2。

2 鋼筋混凝土結構的固有頻率計算和分析

本文采用ANSYS有限元軟件計算了在鋼筋0%，5%，10%和15%四種銹蝕階段下的鋼筋混凝土梁的固有頻率。

鋼筋銹蝕程度由其銹蝕深度衡量，鋼筋的銹蝕率計算公式如下：

(2)

其中，η為鋼筋的銹蝕率；R為鋼筋的直徑；l為鋼筋的銹蝕深度。

不同銹蝕階段下，計算所得的鋼筋混凝土結構的固有頻率如表1所示。

表1 鋼筋混凝土梁的固有頻率

從表1中可以看出，鋼筋混凝土梁的固有頻率總體呈下降趨勢，原因可以歸結如下：

1)開始銹蝕時，由于鋼筋和混凝土之間出現裂隙，二者間的結合不再緊密，使整個鋼筋混凝土梁的剛度降低，從而導致鋼筋混凝土梁固有頻率減小。但是，此時由于銹蝕脫落的鋼筋有效的填充了鋼筋和混凝土之間的縫隙，這就使得5%階段的固有頻率有降低，但是幅度不大；

2)在10%階段，此時由于鋼筋進一步被銹蝕，而脫落的鋼筋已無法再有效填充鋼筋和混凝土之間的縫隙，這就使得在此階段鋼筋混凝土結構的固有頻率有明顯的降低；

3)在15%階段的時候，由于鋼筋銹蝕程度加深，整個鋼筋混凝土結構產生脹裂，這就使得結構被破壞，鋼筋和混凝土之間的粘結進一步被削弱，因此整個結構的固有頻率進一步降低。

3 結語

本文通過ANSYS軟件，研究了鋼筋銹蝕對鋼筋混凝土梁固有頻率的影響。模擬計算發現，固有頻率隨著鋼筋銹蝕程度的加深呈減小趨勢。模擬結果表明，鋼筋銹蝕對鋼筋混凝土梁動力特性有顯著影響，由于固有頻率隨著銹蝕損傷程度的加深而減小，據此推斷固有頻率可以作為損傷指標用于混凝土結構腐蝕損傷檢測。

[1] 金偉良,趙羽習.混凝土結構耐久性研究的回顧與展望[J].浙江大學學報(工學版),2002,36(4):371-380.

[2] 惠云玲,李 榮.混凝土基本構件鋼筋銹蝕前后性能試驗研究[J].工業建筑,1997(6):11-18.

[3] 曾 力,郭院成,張 彬.部分銹蝕鋼筋混凝土結構動力特性的數值分析[J].世界地震工程,2009，25(1):12-15.

[4] Doebling S W, Farrar C R, Prime M B. A summary review of vibration-based damage identification methods[J]. Shock and Vibration Digest,1998,30(2):91-105.

Numerical analysis of effects of corrosion on modal parameters of reinforced concrete structures

Gu Wei Tang Hongwei*

(SchoolofCivilEngineering,ShandongUniversity,Jinan250100,China)

The natural frequency of corroded reinforced concrete structures are simulated by finite element method. The change of the natural frequency of the reinforced concrete structure under the different degree of corrosion was discussed. The results show that the corrosion of reinforced concrete has a significant effect on the natural frequency of reinforced concrete beams, and the natural frequency decreases with the depth of corrosion.

reinforced concrete structure, corrosion, natural frequency, ANSYS

1009-6825(2017)02-0058-02

2016-11-04

顧 煒(1991- )，男，在讀碩士

湯紅衛(1965- )，男，碩士生導師，教授

TU375.1

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