水工環境下銹蝕鋼纖維混凝土梁抗沖擊性能研究

楊敬芝，陳 輝

(1.水利部漳衛南局德州水利水電工程集團有限公司，山東 德州 253000；2.溫州大學 甌江學院，浙江 溫州 325035)

1 沖擊荷載作用下水工鋼纖維混凝土的耐久性問題

鋼纖維強度高且具有一定的延性性能，摻入到混凝土中具有良好的阻裂作用，因此鋼纖維混凝廣泛應用與水工、河道等水工環境[1]。由于鋼纖維材料和水工混凝土結構常用鋼筋化學組成相近，因此在水工氯離子環境中，混凝土中的鋼纖維也會發生銹蝕現象[2-4]。例如：鋼纖維應用于人工拋灑除冰鹽的混凝土道面和橋面、常年接觸氯離子的海工以及河流混凝土建筑物。已有研究成果表明，海洋及灑冰鹽環境中氯離子破壞鋼筋鈍化膜，鋼纖維和鋼筋表面的鈍化膜遭到破壞后，在氧氣和水分充足的條件下，鋼纖維和鋼筋發生銹蝕[5-10]，進一步導致鋼纖維混凝土銹脹開裂和力學性能退化，從而影響到整個水工混凝土結構的安全問題。在環境、施工和荷載等因素作用下，混凝土會產生開裂，裂縫處的鋼纖維和鋼筋脫離混凝土載體保護后，在氯離子的作用下，鋼纖維的銹蝕速度會更快，腐蝕會更加嚴重（圖1）。

圖1 鋼筋、鋼纖維銹蝕導致水工混凝土損傷

水工混凝土結構在交通工程中車橋相撞、船橋相撞都是偶然荷載作用下的頻發事件，其后果不但導致橋毀、車船損、人傷，而且造成大量的交通擁堵，造成的直接和間接經濟損失巨大。由于車船意外導致的沖擊荷載，對水利工程結構的安全性構成了巨大的挑戰，嚴重威脅到生命、財產安全以及社會的和諧穩定[11]～[13]。因此，為了科學合理地評估水工環境中鋼纖維混凝土結構的受力性能，從而對其進行可靠性鑒定、耐久性分析與維護，對水工混凝土構件在沖擊荷載作用下的力學行為退化研究顯得尤為重要。

本文采用三維有限元顯式動力分析軟件LS-DYNA 對水工環境下銹蝕鋼纖維混凝土梁進行有限元模擬，分析考慮不同銹蝕率和沖擊能量等參數對銹蝕鋼筋混凝土梁的抗沖撞性能的影響，為水工混凝土結構在沖擊荷載作用下的力學行為評定奠定理論基礎。

2 鋼纖維混凝土梁模型建立

2.1 銹蝕鋼纖維混凝土力學性能

鋼纖維混凝土采用實體建模，將鋼纖維彌散在整個混凝土中，采用整體式鋼纖維混凝土模型，其單元視為連續均勻材料。鋼纖維混凝土采用SOLID164 單元，鋼筋采用LINK160 單元。選用C30 鋼纖維混凝土，材料參數為：單軸抗壓強度σys=20.1 MPa，單軸抗拉強度為σts=2.01 MPa，彈性模量E=3.0×104N/mm2，質量密度為ρ=2.5×10-6kg/mm3，泊松比V=0.2[14]。考慮銹蝕率的影響銹蝕鋼纖維及鋼筋筋的動力本構模型采用前期研究成果[9～10]，梁模型尺寸及配筋如圖2 所示。

圖2 梁模型尺寸及配筋

2.2 幾何尺寸

梁試件的幾何尺寸見圖3，考慮計算精度及計算時間等要求，沖擊塊采用剛體Rigid 模型，落錘質量100 kg。混凝土單元網格取為10 mm×10 mm×10 mm，建模及網格劃分如圖3 所示。

圖3 梁的有限元模型建立

2.3 邊界條件

銹蝕鋼纖維混凝數值模型梁邊界條件為簡支，其支座材料選用剛體*MAT_RIGID 模型[14]。支座與數值梁模型之間定義自動單面接觸*CONTACT_AUTOMATIC_SINGLE_SUFACE，計算接觸的動力和靜力摩擦系數取0.8。

3 沖擊荷載作用下銹蝕鋼纖維混凝土梁受彎性能分析

采用LS-DYNA 軟件建立有限元模型，對水工銹蝕鋼纖維混凝土梁進行非線性動力有限元計算，方案如表1 所示，并對結果進行分析，以獲取各參數對落錘沖擊銹蝕混凝土梁受彎性能動力響應的影響規律。

表1 沖擊荷載作用下銹蝕鋼筋混凝土梁受彎性能數值模擬分析方案

3.1 鋼筋和鋼纖維銹蝕率的影響

圖4 為銹蝕鋼纖維混凝土梁銹蝕率不同時沖擊力和撓度時程曲線。從圖中可以看出隨著銹蝕率的增大，銹蝕鋼筋混凝土梁的破壞程度增大，沖擊力和撓度時程曲線的形狀相似，沖擊力峰值變化不明顯，平均沖擊力降低，沖擊過程中的沖量降低。隨著縱向鋼筋和鋼纖維銹蝕率的增加，跨中最大撓度急劇增大，銹蝕鋼纖維混凝土梁荷載特征值降低。如圖5 所示為沖擊力峰值、沖量、沖擊時間、平均沖擊力、耗散能量和跨中最大撓度隨著銹蝕率的變化規律。隨著銹蝕率的增加，銹蝕鋼纖維混凝土的承載力和截面剛度減小，梁跨中最大撓度和殘余撓度增大，這是由于梁在相同沖擊能量的情況下，由于銹蝕鋼纖維梁的剛度降低，銹蝕縱向鋼筋的變形增大。因為銹蝕率較小時，縱向鋼筋殘余面積相對較大，梁受力過程中，壓區混凝土壓碎時鋼筋尚未達到極限強度；反之，銹蝕率較大時，縱向銹蝕鋼筋殘余面積相對較小，在混凝土壓碎前縱向鋼筋即達到極限強度。

圖4 不同銹蝕率梁的荷載- 撓度時程曲線

圖5 不同鋼筋銹蝕率梁的特征值隨銹蝕率的變化規律

3.2 沖擊能量的影響

在變化沖擊能量組中，縱向鋼筋和鋼纖維銹蝕率為8%，梁SL6、SL7、SL3、SL8、SL9 和SL10 落錘高度分別為0.5 m、1.0 m、2.0 m、3.0 m、4.5 m 和6.0 m，對應的沖擊能量為0.5 kJ、1.0 kJ、2.0 kJ、3.0 kJ、4.5 kJ 和6.0 kJ。圖6 為銹蝕鋼纖維混凝土梁沖擊能量不同時沖擊力和撓度時程曲線。從圖6 可以看出，在相同條件下，隨著沖擊能量的增大，沖擊力和撓度曲線呈現相似的形狀，沖擊力增大，梁的破壞程度增加。

如圖7 所示為沖擊力峰值、沖量、沖擊時間、平均沖擊力、耗散能量和跨中最大撓度隨著沖擊能量的變化規律。從圖7 可以看出，荷載特征值均隨沖擊能量增大而增大。隨著沖擊能量的提高，縱向銹蝕鋼纖維混凝土梁沖擊力峰值和平均值增大，沖量和沖擊時間隨著沖擊能量的增大而增大。隨著沖擊能量的增大，縱向銹蝕鋼纖維混凝土梁耗散能量、跨中撓度明顯增大。沖擊能量提高后，增大落錘的重力勢能，在落錘過程中錘頭的勢能最終作用到鋼纖維混凝土梁上，進一步導致梁的破壞程度增大。

圖6 不同沖擊能量沖擊力和撓度時程曲線

圖7 不同沖擊能量梁的荷載特征值對比

4 結論

采用非線性有限元分析軟件LS-DYNA，對水工環境下銹蝕鋼纖維混凝土梁進行了三維有限元非線性動力分析，研究了縱向鋼筋銹蝕率和沖擊能量等對銹蝕鋼纖維混凝土梁動力響應的影響，通過數值參數分析可得出如下主要結論：

（1）采用考慮應變率效應的銹蝕率鋼纖維本構模型模型建立了三維有限元模型，可以很好地對沖擊荷載作用下銹蝕鋼纖維混凝土梁進行參數分析。

（2）隨著縱向縱筋和鋼纖維銹蝕率的增加，銹蝕鋼纖維混凝土梁剛度、荷載特征值均降低，梁的跨中撓度增大，破壞模式由混凝土壓碎向鋼筋拉斷轉變。

（3）隨著沖擊能量的增大，沖擊力、沖量和耗散能量及跨中撓度均增大。