钢筋混凝土结构均匀锈胀开裂力学分析

钢筋混凝土结构均匀锈胀开裂力学分析

作者：何潇鑫

来源：《山东工业技术》2016年第18期

摘 要：钢筋锈蚀会导致剩余钢筋与混凝土的粘结力减弱已经产生膨胀锈蚀物质进一步劣化混凝土结构，对开裂过程结构的锈蚀率与锈胀力的时程变化规律的了解是当前科研重点，能有助于对钢筋混凝土结构的劣化机理及维修加固提供理论价值。 关键词：钢筋混凝土结构；锈胀开裂；力学行为分析 DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2016.18.095 1 引言

现有的理论分析难以量化地表述钢筋锈蚀的过程，试验条件很难模拟出构件的真实的情况，因此集中于混凝土锈蚀的结构弹塑性理论分析和有限元的程序分析的方法。有许多文献对钢筋混凝土的开裂分析有细致有限元的分析，如采用电化学方法加速锈蚀混凝土构件，采用试验的方法测试混凝土构件保护层锈胀时期的锈蚀率，但是采集的数据数量较少且数据的稳健性难以保证。在试验的基础上采用有限元程序针对试验构件，讨论了各个因素对混凝土保护层开裂时刻钢筋锈蚀率的影响。 2 混凝土锈胀开裂分析方法 2.1 混凝土本构模型

混凝土本构模型主要是为了形象的表达混凝土在各种轴应力作用下的应力应变之间的关系，目前研究最常见的是非线性弹性和弹塑性的本构关系。为了便于钢筋混凝土的数值计算，常采用受压弹塑性与受拉弹性开裂模型以表述其非线性行为。结构单元用梁单元、杆单元、壳单元和实体单元等。通过软件数值模拟可以得到各个时间段结构的受压屈服面和受拉破坏面塑性屈服区、受力或位移云图。钢筋混凝土具有明显的非线性，采用一般的简化分析方法难以表征其实际情况。 2.2 开裂准则

开裂是混凝土病害最常见的现象之一，对混凝土结构的安全性及使用性能影响极大。为研究混凝土开裂对结构的受力影响，采用数值模拟的方法进行仿真计算分析，其中混凝土的裂纹与开裂后的性状在有限元软件中模拟是数值分析的关键。基于损伤弹性理论可知，裂纹后期的损伤行为是拉伸作用导致的。其中拉伸作用主要包括后继破坏本构关系与断裂能开裂准则。在进行理论分析时劣化的混凝土开裂模型由受压应力面确定，而受压及受拉屈服面均以等效静水压力和等效偏应力代替，其受力表达式为式（1）：

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2.3 混凝土本构关系及参数的选取

混凝土本构关系主要表达混凝土在在各种轴力作用下应力应变的关系。目前为止，学者们在大量实验和数据理论分析的基础上提出了大量混凝土本构关系模型。各个材料的受力性质均有所不同，主要体现在其本构关系上。混凝土的本构模型表征的是混凝土材料的应力与应变之间的关系，体现在各个受力状态下。由混凝土应力应变实验可知当其受单轴压力作用时，当应力小于混凝土抗压强度的30%的阶段应力应变的数据基本为直线，表现为弹性状态；当所受到的应力为混凝土抗压强度 80% ～90%时，应力应变值的关系呈曲线形式即非线性变化，该阶段为混凝土的塑性变形，此时混凝土的裂缝大量产生并且发展；若应力值继续增长到达峰值之后，混凝土即为软化阶段，此时混凝土屈服破坏。为研究混凝土受拉状态下本构关系并适当简化模型，在进行理论研究时令混凝土未开裂之前为线弹性关系，而开裂以后基于软化效应，采用双线性软化本构关系，其表达式为式（2）～式（4）： 2.4 有限元模型的建立及网格划分

由于数值模拟分析具有较好的直观性与可视化，因此采用有限元分析软件研究混凝土结构的裂缝产生与发展。其仿真计算分析模型的截面尺寸为200mm 200mm，钢筋处用等直径的孔洞来代替，为简化数值模拟的过程，假定混凝土中钢筋发生的锈蚀为沿轴向均匀发生的，因此混凝土内钢筋锈蚀可按平面应变问题简化处理。并考虑钢筋在混凝土结构中的位置分别划分中部单孔、角部单孔、多孔模型。因此应根据结构的受力原理进行合理划分网格。在混凝土的孔洞周围应力一般比较集中，故在数值分析时孔洞周围的网格划分需进行适当的密化，方能符合实际情况。

3 保护层均匀锈胀开裂分析

对模型施加均匀锈胀力直至裂缝贯穿保护层，通过在有限元软件中中查看开裂单元可以大致表示裂缝出现的位置和区域。钢筋在混凝土结构中均匀锈蚀时，裂缝开始形成于钢筋与混凝土的交界处，并沿着钢筋的直径逐渐向外均匀拓展。随着钢筋锈蚀的延展，保护层边缘处开始出现裂纹，并开始扩大；最终裂缝沿最短路径贯穿保护层。

与理论分析不同的是，有限元分析能够很好的模拟裂缝扩展的路径和方向，当混凝土边缘裂缝出现后，裂缝由边缘向内扩展，形成贯通缝。由开裂区域的分布可以看出，有限元模拟结果与理论分析中将混凝土分为内环塑性区和外环弹性区这一假设是吻合的。 4 结论

钢筋锈胀力对钢筋混凝土构件作用的情况进行了分析，钢筋锈蚀对混凝土受力情况的大致的过程有了比较清晰的了解。随着锈胀力增大，从混凝土构件内部开始出现裂缝至保护层外侧出现裂缝，最后混凝土保护层出现贯通裂缝，此刻虽然混凝土结构不会立刻破坏，为塑性变化

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阶段，但混凝土保护层对钢筋的保护作用已经失效，同时锈蚀产物具有吸水作用，能加快钢筋的锈蚀反应，因此出结构安全角度而言可认为构件已经失去工程作用。 参考文献：

[1]王雪松.荷载与环境作用下钢筋混凝土锈蚀粘结力及锈胀开裂研究[D].浙江大学，2013. [2]刘荣桂，喻孟雄，姜慧等.钢筋混凝土构件锈胀开裂时刻的椭圆形非均匀锈胀应力分析[J].硅酸盐通报，2015（07）：1769-1774.

[3]冯赛.钢筋混凝土结构锈胀开裂的仿真研究[D].昆明理工大学， 2015.

[4]彭建新，胡守旺，张建仁等.钢筋混凝土结构锈胀开裂宽度的试验研究及预测模型[J].实验力学，2014，29（01）：33-41.