钢筋锈蚀轴心受压混凝土柱承载力有限元分析★

卢晓峰

(扬州工业职业技术学院,江苏 扬州 225127)

0 引言

钢筋混凝土柱在使用过程中会受到外界环境的侵蚀[1-3]，表层混凝土碳化或开裂，造成钢筋有效面积减小和钢筋与混凝土粘结性能下降，致使钢筋混凝土柱承载力降低，影响结构安全。本文仅考虑由于钢筋与混凝土的粘结性能下降对轴心受压柱承载力的影响情况。

对于锈蚀的钢筋混凝土柱，钢筋外围混凝土剥落或部分剥落，与钢筋存在粘结作用丧失或部分丧失，用有限元软件模拟时考虑完全去除或部分去除钢筋外围的混凝土来实现。本文通过有限元软件ABAQUS的数值模拟，建立数值模型，研究钢筋锈蚀程度、锈蚀长度和锈蚀根数对钢筋混凝土轴心受压柱承载力的影响。

1 试件设计

本文采用有限元软件ABAQUS共建立11根钢筋锈蚀混凝土柱数值模型研究钢筋锈蚀长度、粘结程度和根数对其承载力的影响。试件(完好)尺寸与配筋如图1所示。为较准确地反映钢筋与混凝土的粘结削弱情况，用完全去除受压钢筋周围的粘结混凝土来模拟粘结完全失效混凝土柱的状态，缺口宽度50 mm，深度为50 mm；用部分去除受压钢筋周围的粘结混凝土来模拟粘结完全失效混凝土柱的状态，缺口宽度50 mm，深度为34 mm，如图2所示。

通过在图1柱中心线上改变钢筋锈蚀长度、粘结程度和锈蚀根数建立数值模型研究其对钢筋锈蚀混凝土柱承载力的影响。具体参数设置如表1所示。

2 数值模型建立

表1 试件参数设置

2.1 材料本构关系

数值模型中，钢筋采用理想弹塑性模型[5,6]；混凝土采用ABAQUS提供的损伤塑性模型，其中混凝土单轴受拉和受压应力—应变关系采用GB 20010—2010混凝土结构设计规范中的双参数模型[4]，并取混凝土剪胀角ψ=30°，流动势偏移量e=0.1，混凝土双轴受压与单轴受压极限强度比σb0/σc0=1.16，受拉子午线和受压子午线常应力比值Kc=2/3，粘滞系数μ=0.005。

2.2 单元类型和网格划分

本文采取分离式建模方法，分别建立了混凝土、纵向钢筋、箍筋三个部分。混凝土采用八节点线性六面体单元C3D8R，纵向钢筋同样采用八节点线性六面体单元C3D8R(由于钢筋锈蚀混凝土剥落，钢筋裸露在空气中，钢筋采用以往的桁架单元无法计算，所以本文采用实体单元)，纵筋采用两节点线性三维桁架单元T3D2。

混凝土采用合理网格尺寸，纵筋网格尺寸划分为5 mm，箍筋网格尺寸划分为20 mm。网格划分如图3所示(本文仅列出ZZ-W1网格划分示意图，其他数值模型划分相同，不再列出)。

2.3 相互作用和边界条件

纵筋、箍筋与混凝土之间采用Embedded技术进行耦合。为了防止应力集中，数值模型的支座和加载点位置设置刚性垫块，刚性垫块和混凝土之间采用Tie技术进行绑定。

对柱底设置铰接U1=U2=U3=0，顶端建立参考点施加位移荷载求解锈蚀钢筋混凝土柱承载力极限值。

3 数值计算结果与分析

本文通过有限元软件ABAQUS建立钢筋锈蚀混凝土柱数值模型，获得混凝土应变E33云图和钢筋应力Mises云图，从软件后处理器中可获取各轴心受压柱的极限承载力的大小。为了研究粘结失效程度对轴心受压柱承载力的影响，节省本文篇幅，取完好柱ZZ-W1、半粘结柱ZZ-B4、无粘结柱ZZ-S4为研究对象，列出各柱的混凝土应变图与钢筋应力云图，如图4～图6所示。

从图4～图6混凝土应变图与钢筋应力云图的对比中发现，粘结完好柱破坏时，混凝土应变最大，钢筋的应力峰值分布比较饱满，混凝土的强度发挥最为充分；粘结部分失效柱破坏时，混凝土应变较大，钢筋的应力峰值分布略平，混凝土的强度发挥较为充分；粘结完全失效柱破坏时，混凝土应变最小，钢筋的应力峰值扁平，混凝土的强度发挥不够充分。

为了研究粘结失效钢筋根数对轴心受压柱承载力的影响，取完好柱ZZ-W1、无粘结柱ZZ-S3、无粘结柱ZZ-S4为研究对象，列出柱的混凝土应变图与钢筋应力云图，如图7所示。

从图4，图6，图7混凝土应变图与钢筋应力云图的对比中发现，钢筋锈蚀根数越多的受压柱，混凝土应变最小，钢筋的应力峰值扁平。

从软件后处理器读取各受压柱的承载力大小，列表分析比较各柱在不同影响因素作用下承载力的变化情况，如表2所示。由于本文仅考虑粘结失效对受压柱承载力的影响，不考虑混凝土有效截面面积减小对承载力的影响，故在表2中将模拟时已去除混凝土补全，并考虑其强度对受压柱承载力的贡献。

从表2可以发现，钢筋与混凝土部分粘结失效时，与完全柱相比，承载力没有明显变化；钢筋与混凝土粘结完全失效时，受压柱的承载力明显下降，而且钢筋锈蚀的根数越多，承载力越低；钢筋粘结失效长度对部分粘结失效柱和完全粘结失效柱的承载力都没有明显影响。

表2 钢筋锈蚀轴心受压混凝土柱极限承载力 kN

4 结论

1)钢筋锈蚀轴心受压柱承载力研究，可以通过采用有限元软件ABAQUS选用合理的本构关系、单元类型、网格尺寸并施加边界条件建立钢筋锈蚀混凝土柱数值模型来实现，有限元分析结果良好。2)钢筋粘结失效长度对轴心受压柱的承载力都没有明显影响；钢筋锈蚀程度和钢筋锈蚀根数对轴心受压柱的承载力影响较大，钢筋锈蚀程度越大和钢筋锈蚀根数越多，轴心受压柱承载力下降越多。3)本文关于粘结部分失效和完全失效轴心受压柱承载力分析与研究的结果，可以为加固改造工程技术方案的设计提供一定的理论依据。