正常使用状态下钢筋混凝土梁挠度非线性分析

张旭伟

(镇江市住房与城乡建设局抗震办公室，江苏镇江 212000)

0 引言

在科技日益发展的今天，人们更加重视建筑结构的耐久性性能及设计。作为工业与民用建筑最重要的建筑结构——钢筋混凝土结构，由于其使用面宽，因而研究其耐久性显得尤为重要，近年来大量研究表明，钢筋锈蚀是造成钢筋混凝土构件性能退化的主要原因。

钢筋混凝土结构的耐久性破坏过程主要是梁裂缝贯通后导致的钢筋锈蚀。我们在结构检测中可以观测到梁表面的裂缝分布及裂缝宽度以及梁的挠度这些信息。为了更好的把握梁构件的耐久性，我们有必要对梁开展有限元模拟分析，将分析结果与现行规范对比，以建立正常使用状态下梁挠度预测的通用分析办法，为工程结构加固提供参考。

1 钢筋锈蚀影响的钢筋混凝土构件的有限元模型建立

钢筋锈蚀对混凝土构件的影响主要体现在:钢筋损伤;混凝土损伤;钢筋和混凝土之间粘结性能的退化。

锈蚀后钢筋损伤:对钢筋，锈蚀导致其截面面积减小，钢筋力学性能发生改变。

锈蚀对混凝土本身的特性无特殊影响，但部分锈蚀产物填充到混凝土孔隙中增加了混凝土的密实性，相应的影响了混凝土的力学性能，由于目前此方面的研究资料极少，为了计算简化，本文在计算时假定混凝土各向同性，近似认为锈蚀前后混凝土弹性模量基本保持不变，混凝土单元仍采用原混凝土力学性能指标和本构模型。

有限元软件提供了一种专门用于混凝土分析的8节点实体单元Solid65，该单元既可用于建立整体式的有限元模型，也可用于建立分离式的有限元模型，具有模拟混凝土材料的开裂、压碎、塑性变形和蠕变的能力。

锈蚀后钢筋和混凝土之间粘结性能的退化:钢筋锈蚀后在钢筋与混凝土的界面上生成疏松的锈蚀层，降低了钢筋与混凝土之间的机械咬合力，同时，混凝土保护层的开裂也降低了外围混凝土对钢筋的约束作用，导致钢筋与混凝土之间的粘结作用随钢筋锈蚀的加剧而发生退化。

粘结单元采用非线性弹簧单元Combine39，在相应的钢筋单元节点和混凝土节点之间，设置3个长度为0、互相垂直、具有不同刚度的非线性弹簧单元。垂直于钢筋的弹簧单元刚度取一个大数，即不考虑在垂直方向的滑移;平行于钢筋的弹簧单元刚度是根据锈蚀钢筋与混凝土的局部粘结滑移关系。

以图1所示钢筋混凝土简支梁为例，建立有限元模型(见图2)。

图1 构件配筋及受荷图

图2 构件模型图

建模分为3个阶段，第1阶段不考虑钢筋单元与混凝土单元的相对滑移建立有限元模型，通过比较理论计算值来判断模型是否正确;第2阶段在纵向钢筋单元与混凝土单元之间加入Combine39单元以考虑两者的相对滑移，对比第1阶段模型的承载力，验算所加弹簧单元正确与否;第3阶段通过对 Combine39单元进行修正来考虑钢筋锈蚀对钢筋与混凝土之间粘结力降低的影响，同时考虑钢筋锈蚀造成的钢筋截面减少和屈服强度降低，并对结果进行分析。

2 结果分析

为了与有限元计算结果进行对比，不考虑长期荷载效应的影响。对于三分点加载的简支梁，其挠度可按如下公式计算:

根据我国规范，可得计算梁的挠度不考虑梁的收缩、徐变，其计算公式为:

其中，f为挠度;k为与加载方式有关的系数;r为曲率半径。

加载下梁的挠度图见图3，锈蚀处跨中最大挠度见表1。

图3 有限元计算14 000 N加载下梁的挠度图

表1 锈蚀处跨中最大挠度

3 结语

1)基于有限元分析软件，对局部锈蚀钢筋混凝土梁进行模拟，可准确获得实际工程中存在的局部锈蚀梁的受力性能。通过对受拉筋单元和非线性弹簧单元的特性设置，进行计算机模拟，可以克服实际局部锈蚀梁试验研究中诸多不足。2)基于有限元软件的裂缝宽度计算公式计算出梁的跨中挠度;并按照我国规范进行手算，计算出梁的跨中挠度。通过表1对比分析，发现在一定的误差范围内，从而证明该模型可用于工程实际分析设计。

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