氯盐和硫酸盐侵蚀下RC梁受弯性能分析

吴 庆, 曹俊镐, 陈小健

(江苏科技大学 土木工程与建筑学院,江苏 镇江 212003)

文中主要对混凝土构件在2种盐共同侵蚀后抗力性能退化规律进行研究，采用大型通用有限元软件ANSYS分析了腐蚀钢筋混凝土梁受弯性能.

1 钢筋混凝土梁的材料参数

1.1混凝土参数

混凝土轴心抗拉强度ft,通过混凝土轴心抗拉强度与混凝土立方体抗压强度值之间的关系得到[6]

(1)

式中:δ为变异系数,对于C25的混凝土取0.16;αc2为高强混凝土的脆性折减系数,对C40及以下取1.00；fcu为抗压强度,通过立方体抗压试验测得.

在有限元模型中,混凝土采用多线性等向强化定义其本构关系,混凝土破坏准则选用William-Warnke5参数破坏准则,通过定义混凝土的极限受拉强度和受压强度,确定混凝土在多轴应力状态下的破坏准则.

1.2 钢筋参数

锈蚀钢筋的名义弹性模量和名义屈服强度可以通过弹性模量和屈服强度的衰退模型得到[7].

屈服强度:

当0<ρ≤5%fyx=(1-0.029ρ)fy

(2)

当ρ>5%fyx=(1.175-0.064ρ)fy

(3)

弹性模量:

当0<ρ≤5%Esx=(1-0.052ρ)Es

(4)

当ρ>5%Esx=(0.895-0.031ρ)Es

(5)

式中:ρ为钢筋的锈蚀率,fyx为钢筋的名义屈服强度,fy为钢筋的屈服强度,Esx为钢筋的名义弹性模量,Es为钢筋的弹性模量.

由于本试验只测出了锈蚀钢筋的重量损失率,在后面进行ANSYS有限元分析时,需要用钢筋的截面积对Link8单元进行实常数的设定,那么锈蚀钢筋截面损失率可以通过下面关系确定[8]:

当ρ<2%ηs=η

(6)

当2%≤ρ≤10%ηs=0.015+0.97η

(7)

当10%<ρ≤20%ηs=0.062+0.95η

(8)

式中:ρ为钢筋的锈蚀率,ηs为截面损失率,η为重量损失率.

在有限元模型中,钢筋采用双线性各向同性硬化模型,根据上述公式修改其截面面积、屈服强度以及弹性模量.

1.3 粘结滑移关系

锈蚀后钢筋和混凝土之间的粘结强度降低系数β的表达式[9]

(9)

式中:ρ为锈蚀钢筋的锈蚀率.

在进行有限元模拟时,钢筋-混凝土之间的粘结滑移关系用以上介绍的未锈蚀钢筋-混凝土之间的粘结滑移关系和锈蚀后钢筋-混凝土之间的粘结强度降低系数β的乘积来表示,即

τ=β(9.81×102s-5.74×104s2+0.837×106s3)

(10)

文中通过选用不同的钢筋-混凝土之间的粘结滑移关系进行多次有限元分析,最终发现以上的钢筋-混凝土之间粘结滑移关系与试验结果相对比较吻合,因此,选取式(10)为钢筋和混凝土之间的粘结滑移关系.

由于钢筋与混凝土之间的滑移主要是沿钢筋长度方向,所以垂直于钢筋方向的弹簧刚度取一个大数,即不考虑在垂直方向的滑移.

2 有限元模型的建立

2.1 算例基本参数

算例采用钢筋混凝土矩形截面简支梁,梁截面尺寸b×h=150 mm×200 mm.梁的跨度l=1 500 mm.纵向受拉钢筋为2φ20,架立筋为2φ10,为了防止钢筋混凝土梁受剪性能不足导致过早发生破坏,在沿着梁的长度方向均匀配置了φ6@150的箍筋.混凝土强度为C25,混凝土的保护层厚度为15 mm,在加载点和支撑处都假设了50 mm的刚垫板.具体示意如图1,试验构件基本腐蚀情况如表1.

图1 试验梁截面尺寸及配筋示意图(单位：mm)Fig.1 Test beam cross section diagram(Unit：mm)

表1 试验梁腐蚀情况Table 1 Bearing capacity test results of test beam

2.2 有限元模型

根据梁的尺寸采用时间建模的方法建立模型,纵筋和箍筋的位置采用工作平面切分的方法切割.为了节省计算时间,把梁的对称性考虑进去,所以受腐蚀梁建模时取梁跨长的一半进行建模,混凝土单元的划分经过多次网格调整最终确定下来,如图2a);钢筋单元的有限元模型如图2b)；钢筋与混凝土之间的粘结单元如图2c).

a) 混凝土单元

b) 钢筋单元

c) 粘结单元

由于本模型采用了原结构的二分之一,故在对称面上要施加对称约束.在支座和加载处,为了避免荷载直接加在混凝土节点上容易造成在支座和加载处出现较大的应力集中现象,故在这两处分别加上了厚为50 mm的刚性垫板.在加载的过程中,采用荷载增量法,将设计的极限荷载分成多个荷载步,然后再转换为节点荷载施加在对应的节点位置上.

3 结果分析

3.1 荷载-挠度关系

对钢筋混凝土梁进行有限元承载力分析,得到钢筋锈蚀后各钢筋混凝土梁承载力曲线如图3,有限元分析值与试验结果值对比情况如表2.

图3 梁的荷载-挠度曲线Fig.3 Beam load-deflection curve

表2 有限元分析结果与试验值结果的对比Table 2 Contrast between the finite element analysis and experimental results

从图3中可以看出,随着腐蚀程度的加深,钢筋混凝土梁承载力退化的越厉害;从表2中可以看出,数值分析的结果与试验值基本吻合,表明所选用的本构关系和单元类型适用于受腐蚀钢筋混凝土构件的性能分析.

3.2 跨中截面处混凝土的应力分布

图4为跨中截面处混凝土的应力-应变关系分布.从图中可以观察:当梁承受弯矩较小时,如荷载值为50 kN时,受拉区混凝土的拉应力还未达到混凝土的抗拉强度时,跨中截面的混凝土应力是遵循线性分布这一规律的;随着梁承受弯矩逐步加大,如荷载值为250 kN时,受拉区混凝土发生开裂现象,退出工作,这时混凝土的拉应力为零,但是受压区混凝土的应力却发生了飞速增长;当梁承受弯矩进一步加大时,如荷载值为580 kN,受压区混凝土的应力继续增大,中和轴逐步上移,最终使得受压区混凝土的压应力达到混凝土抗压强度极限值,混凝土就被压碎.

图4 钢筋混凝土梁跨中截面的应力-应变关系Fig.4 Cross section of concrete in the load-stress

3.3 钢筋与混凝土的粘结滑移分析

图5为受腐蚀钢筋混凝土梁的钢筋与混凝土之间滑移量与荷载之间的关系.由于beama0,beama3的腐蚀程度相当,故取beama0作为代表与beama4比较.从图中可以看出:当荷载比较小的时候(受拉区混凝土还未有开裂),相对滑移量很小.随着荷载的增加,钢筋与混凝土之间的滑移量呈波浪形式发展.这正是由于荷载的增大,导致混凝土受拉区裂缝的开展,从而使得钢筋和混凝土之间的滑移量发生了变化.从图中对比发现:当钢筋混凝土梁遭受的腐蚀不是很大的时候,其钢筋和混凝土之间的粘结滑移性能退化的不大,因此钢筋和混凝土之间的滑移量与未遭到腐蚀钢筋混凝土梁是十分相像的.但是对于受腐蚀比较严重的钢筋混凝土梁,由于钢筋和混凝土之间的粘结作用发生了严重的退化,弯剪区的纵筋会沿着梁的纵向发生很大的滑移,当梁的承载力达到极限荷载的时候,钢筋的滑移量就已经很大了,不能有效地承担拉应力.

a) beama 0

b) beama 4

4 结论

文中建立了考虑钢锯架与混凝土之间粘结性能的有限元模型,对受腐蚀钢筋混凝土梁进行了有限元分析,研究结果表明:在腐蚀初期影响构件承载力和刚度下降的主要原因是材料被腐蚀后其性能发生了改变；而随着腐蚀程度的加深,构件承载力和刚度下降主要是由于钢筋与混凝土之间的粘结滑移性能退化造成的.

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