文摘

的静态负荷能力noncorroded钢筋混凝土(RC)简支梁数值模拟的有限元分析软件,并验证了有限元模型的可靠性与测试结果进行比较。基于上述模型,梁下的宏观力学性能不同程度的腐蚀进行了计算。计算,降低腐蚀钢筋的粘结滑移性能和机械性能的耦合效应对梁的承载力和延性退化。结果表明,轻微的腐蚀条件下,钢筋和混凝土之间的粘结滑移性能退化没有显著影响梁的承载力,而腐蚀钢筋的退化有显著的影响。在中度和重度腐蚀条件下,承载力和延性退化引起的粘结滑移是显性的梁的力学性能退化。总的来说,宏观力学性能锈蚀梁的耦合效应的影响粘结滑移退化和钢筋的力学性能退化。腐蚀速率的增加,梁的承载力和延性降低,脆性增加。

1。介绍

在各类土木工程结构中,钢筋混凝土结构应用最广泛的结构形式之一。与使用寿命的增加,钢筋混凝土结构的材料将降低腐蚀的直接或间接影响下媒体与外界的联系,导致持久的损害(如表面裂缝、碳化、剥落和钢筋的腐蚀)。事故造成混凝土结构损伤通常发生在损伤导致耐久性损伤的情况,以及由此产生的损失更是难以估量。之和年度维护、修复、加固钢筋混凝土结构的腐蚀的成本在世界上有超过1000亿美元(1]。据统计,在众多因素导致损伤的钢筋混凝土结构的耐久性,钢筋腐蚀是最常见的。一旦腐蚀的钢筋混凝土,钢的腐蚀速率进一步增加。腐蚀会导致退化的钢铁和机械性能的几何参数,主要反映在以下(2- - - - - -4):(1)质量和有效横截面积;(2)名义屈服应力和最大应力的下降;(3)名义伸长速率和极限应变的降低;和(4)粘结滑移的退化。退化的这些属性将不可避免地削弱结构的静态承载能力在一定程度上,增加其脆性。因此,它具有重要的理论意义和实际工程价值研究混凝土结构的承载力退化特征或成员由钢筋腐蚀造成的。

钢筋腐蚀的方向上的先前的研究主要集中在两个方面,防腐能力的成员和腐蚀的机械性能(2- - - - - -4]。钢筋混凝土的防腐研究大部分成员都是添加一些额外的材料(如聚丙烯纤维(5- - - - - -9)、硅灰和纳米材料(10]),或一些成员采用机械处理方案以减少腐蚀的影响。

目前,noncorroded RC框架结构工程(已被广泛研究11- - - - - -14]。然而,有相对较少的研究锈蚀钢筋混凝土结构或构件受到腐蚀的影响。现有的研究主要集中在宏观力学性能的钢腐蚀成员。在最自然的环境中,钢筋混凝土的腐蚀和退化成员将需要很长时间。如果是模拟在自然条件下,这需要大量的时间和成本13]。因此,改变的方法温度,浓度,和腐蚀介质的组成是用来加速腐蚀的组件在测试期间(14,15),一些学者也加速外部电流的仿真过程的方法。为了获得足够的测试数据,很多样品都需要加速腐蚀试验。此外,腐蚀试样的制备和相关媒体也会花费很多的时间和成本16- - - - - -18),还有一些相关影响参数,可以用于参考的实验。通过长时间的研究,结果表明,上述方法更类似于自然环境的实际腐蚀。基于这些限制,锈蚀钢筋混凝土构件的性能并没有得到充分的研究。

随着计算机技术的迅速发展,数值模拟已广泛应用于工程(19]。此外,数值模拟了大量计算时间短和低成本等优势,考虑各种参数的影响。摘要承载力退化的特征的钢筋混凝土简支梁腐蚀前后进行了研究使用有限元分析软件提供一个参考生锈的绩效评估和维护和加固结构或成员。

2。锈蚀钢筋混凝土的本构关系

摘要concrete-damaged塑性模型在有限元分析(CDP模型)是用来模拟混凝土材料的机械性能(20.]。的弹塑性模型双倾斜线是用来模拟钢筋材料的应力-应变关系。非线性弹簧(SPRING2)是用来模拟钢筋和混凝土之间的粘结滑移。

2.1。混凝土本构关系

CDP模型混凝土的本构关系模型的隐式算法有限元分析软件。模型第一次被提出的卢布林等。21由李和Fenves[]和改进22]。模型可以自动考虑双轴或三轴应力状态的材料单元和计算材料在应力条件下的降解只有输入单轴应力-应变参数和损伤参数的材料。因此,该模型可以更真实地反映材料的力学响应在单调加载的过程中反复装卸(4]。

2.1.1。混凝土材料的应力-应变关系

由于混凝土材料的力学性能有很强的随机性特征(23,24],本文采用Sargin模型[25与可调)下降速度来定义压缩应力-应变关系(公式(1)和图1)。阿拉伯模型(26)用于定义混凝土的拉伸应力-应变关系(公式(2)和图2)。


图1
Sargin的压缩模型。

图2
阿拉伯的拉伸模型。

Sargin的压缩模型: 在哪里 混凝土的初始弹性模量,选择的数据(27]; 混凝土的本构模型;和 是对应于混凝土的峰值应力的应变。在本文中,使用应变值为0.0020; 混凝土的峰值应力, 是抵抗压缩混凝土软化段的调整参数; 。

阿拉伯的拉伸模型: 在哪里 混凝土的抗拉强度,选择的数据(28]; 混凝土的抗拉应变峰值,可以近似 ;和 是抵抗混凝土拉伸软化段的调整参数; 。

符合测试结果(29日),混凝土材料的损伤特征(3)是由李和Fenves损伤参数模型(30.与有限元分析,使计算结果更接近实验结果: 在哪里 混凝土的抗拉/压力损失系数; 是真正的压力; 混凝土的塑性应变; 是真正的混凝土应变; 混凝土的非弹性变形;和 是塑性应变之间的比例因子和非弹性变形。摘要紧张 0.3,压力 在计算是0.7。

腐蚀会导致混凝土保护层材料的降解特性。在服务环境中,氯离子渗透的表面通过的主要断裂或裂缝钢筋混凝土保护层,形成导电介质表面的钢筋,并参与的主要细胞反映腐蚀钢筋(31日,32]。在钢筋腐蚀状态下,混凝土保护层的裂缝产生的应力集中造成的挤压力量腐蚀钢筋,进而增加裂缝宽度,导致开裂和剥落。的程度和位置开裂和剥落的混凝土保护层有很强的随机性。迄今为止,这一过程仍难以描述和精确的力学模型。本文推荐的简化公式(33,34)用于计算如下: 在哪里 是腐蚀混凝土的抗压强度峰值; 之间的相关系数的表面形状钢筋直径,假设0.1; 广义混凝土的开裂应变; 是会员的原始宽度; 是腐蚀构件的横截面的宽度; 是压缩纵向腐蚀损伤的肌腱的数量; 是完全腐蚀裂纹的宽度; 是氧化腐蚀钢筋的产物的比例系数和体积钢筋的腐蚀之前,2.0; 的裂缝宽度是腐蚀的成员号码吗 ; 钢筋的腐蚀深度; 的损失率是钢筋截面的腐蚀; 钢筋的腐蚀前的半径;和加权平均值时使用钢筋的直径是不同的。

2.2。钢筋的本构关系和腐蚀机械性能退化

摘要钢筋材料的本构关系模拟通过使用双重线性强化弹塑性模型(图3)。模型能够充分反映钢筋屈服后的强化行为,所以它广泛应用于结构的静态分析。


图3
钢筋的本构关系。

有两种主要形式的钢筋腐蚀(35- - - - - -37):(1)均匀腐蚀和(2)坑腐蚀。均匀腐蚀的特点是,钢筋的截面尺寸和形状不改变钢筋沿纵向方向,这是一个完美的状态。然而,坑腐蚀是一种常见的现象在测试房间或在自然腐蚀由于随机性主要裂缝和孔洞的大小和分布钢筋的腐蚀过程中,这将导致当地的氯离子浓度,电子,和随机点状腐蚀表面的腐蚀钢筋,因为真正的压力,压力,和其他参数的钢筋腐蚀条件下没有改变。因此,对于均匀腐蚀,钢筋的腐蚀状态的直接还原可以直接模拟钢筋的截面面积。然而,坑腐蚀的状态,考虑坑腐蚀分布的随机性,很难直接利用有限元模拟软件(38]。因此,我们使用了相等的模拟坑腐蚀钢筋腐蚀状态。

王旭和刘刚模型(39)可用于名义屈服强度和名义腐蚀坑腐蚀后钢筋的弹性模量: 在哪里 之前的名义屈服强度钢筋腐蚀; 的名义屈服强度是腐蚀后钢筋; 是之前的钢筋腐蚀的名义弹性模量; 是名义上的腐蚀后钢筋的弹性模量;和 腐蚀钢筋的质量损失率,质量损失率和转换关系腐蚀钢筋和横截面损失率中可以看到以下方程(39]:

极限强度和极限应变的坑腐蚀钢筋,我们使用模糊公式吴和元2)计算如下: 在哪里 的名义极限强度钢筋腐蚀后 之前的名义极限应变是钢筋腐蚀。

2.3。的粘结滑移本构关系

原因两部分的钢筋和混凝土材料可以更好地展示各自优势是一个很好的钢筋和混凝土之间的粘结滑移关系,可以充分协调变形的钢筋和混凝土变形达到协调的目的(40]。

有限元分析有限元软件使用单轴张力和压力函数的非线性弹簧(SPRING2)来模拟钢筋和混凝土的粘结滑移行为。模型集中滑移表面剪切应力非线性弹簧元件的钢筋,钢筋和混凝土之间的相对位错通过把钢筋完成弹簧的变形(41]。非线性弹簧元件的力学计算公式 在哪里 是一个弹簧单元的轴向力; 是一个弹簧单元的交互区域; 是钢筋表面的剪切应力; 是一个钢筋在联系单位的半径;和 是相邻的弹簧元件的间距。

通过单轴拉伸试验曲线的研究和分析文献[腐蚀钢筋的42),腐蚀钢筋的剪切应力位移曲线发现是类似于剪切应力位移曲线定义的欧洲标准CEB-FIB [43]。因此,剪切应力参数CEB-FIB定义(8)采用本文和腐蚀钢筋的粘结滑移模型获得通过修改曲线的关键参数(公式(9)和图4): 在哪里 最大剪切应力; 位移的值; 是最小剪切应力;和 的指数上升的曲线。每个参数的值(9)如表所示1。


图4
图CEB-FIB粘结滑移模型。
表1
的参数CEB-FIP粘结滑移模型。

剪切应力的换算系数峰值的腐蚀钢筋36可以由以下公式计算:

因为马镫拉的影响,滑动剪切应力不会减少数值点的滑动位移的增加。腐蚀后,剪切应力参数 也会相应地改变。Almusallam [44),Auyeung et al。45),和其他学者认为,纵向钢筋腐蚀的最终值 是0.15倍 。因此,本文的研究结论Almusallam [44)和Auyeung et al。45引用正确的腐蚀 。

3所示。建立和可靠性验证的有限元模型未腐蚀的钢筋混凝土简支梁

建立一个更可靠的有限元分析模型,我们先简支钢筋混凝土梁腐蚀为例。有限元分析与试验结果进行了比较以验证有限元模型的可靠性。在此基础上,简支钢筋混凝土梁的承载力与不同的腐蚀度分析。

3.1。试验梁模型的介绍

测试的模型梁从文献[29日),梁号码是LA6。试验梁的总长度是2400毫米,2100毫米的间距支持。梁加载适用于两点分布在梁的顶部的三等分。梁的截面尺寸为200毫米×300毫米,和混凝土保护层的深度是25毫米。梁的底部配置了两个直径20毫米HRB335,一个直径12毫米HPB235纵向钢筋。梁的顶部配置了两个直径12毫米HPB235纵向钢筋。马镫是HPB235钢筋直径8毫米;马镫是两个四肢,是100毫米的距离。测量混凝土的强度为34.55 MPa。抗拉强度和弹性参数的混凝土弹性模量如表所示2和钢筋的参数属性如表所示3。几何参数和钢筋参数的图数据所示5和6,分别。

表2
混凝土的材料参数。
表3
钢筋的材料参数。

图5
光束大小的图。

图6
梁截面的钢筋。
3.2。建立有限元模型

C3D8R元素是用来模拟混凝土(单位尺寸是25毫米×25毫米×100毫米)。T3D2元素是用来模拟钢筋(单位长度是100毫米)。SPRING2元素用作键元素(单元是一个nonlength单元)。因为钢筋只是相对显著的纵向滑移,SPRING2元素定义非线性只在梁的纵向方向。没有考虑钢筋的滑移侧和高光束的方向,这个方向的弹簧刚度定义为2×1012N /毫米。

根据混凝土保护层的削弱规则定义为(4),块造型技术是用于核心混凝土的混凝土保护层脱落(图7),但它不会改变的力和位移节点之间转移。为了便于模型的收敛性,两个参考点(一国和RP2)是建立在加载点的光束。参考点的分布和梁的上表面受到分布式耦合模式,然后应用对称位移载荷加载点。防止应力集中在加载过程中,两个刚性缓冲板设置在支持,和底部板和梁的底部是克制的绑定(领带)模式。有限元模型如图8。


图7
混凝土的有限元分析部分。

图8
有限元分析模型。
3.3。验证有限元模型的可靠性

图9加载后显示裂缝的分布的光束不腐蚀。产生的裂缝分布的有限元分析的结果基本上是一致的分布裂缝测试。总的来说,裂缝中对称截面和双拱分布。

(一)
(一)
(b)
(b)
图9
比较测试模型(a)和(b)裂缝分布的有限元模型。

有限元计算和获得的载荷变形曲线测试如图10和表4。如图10,有限元分析结果非常接近测试曲线。主要的区别在于,测试模型具有更大的刚度,而其产生位移和承载力相对较小。从比较表4,所有参数的误差小于10%,和所有的误差在可接受的范围之内。上述结果表明,本文建立的有限元模型是可靠的。因此,腐蚀成员的承载力分析可以进一步进行基于这个模型。


图10
比较之间的载荷和位移曲线测试模型和有限元模型。
表4
比较关键的机械参数。

4所示。数值分析的轴承锈蚀钢筋混凝土简支梁的性能

考虑到梁的底部是更容易破碎在正常情况下,氯离子可以通过裂缝腐蚀底部纵向钢筋在底部。本文时梁的承载力主要考虑纵向钢筋腐蚀是底部的光束。

以下4中被认为是类型的腐蚀条件分析:相应的钢筋的腐蚀速率分布部分是0% (noncorrosion), 5%(轻微腐蚀),10%(介质腐蚀),15%(严重腐蚀)。的参数用于造型noncorrosion腐蚀力完全相同的参数前面的有限元模型。

腐蚀成员的计算参数如表所示5- - - - - -7(表中的腐蚀速率都是横截面的腐蚀速率)。

表5
腐蚀的混凝土保护层的力量成员。
表6
锈蚀钢筋的力学参数。
表7
焊接应力的退化。

在以下的分析中,粘结滑移性能的退化,钢筋的力学性能退化,退化规律macromechanical成员的属性被认为是由于他们的耦合。成员具有不同的荷载位移曲线显示了上述三个条件下腐蚀速率数据11- - - - - -13。


图11
荷载位移曲线由于粘结退化。

图12
荷载位移曲线由于钢筋的力学性能退化。

图13
由于腐蚀梁的荷载位移曲线。

图11显示没有显著影响的退化rebar-concrete粘结滑移行为下轻微的腐蚀。在介质腐蚀条件下,rebar-concrete粘结滑移性能的退化主要影响成员的延性(推迟屈服位移和限制的发展最终位移)。在严重腐蚀条件下,粘结滑移性能的退化严重限制了发挥钢筋的机械性能和降低了延性和承载力的成员,导致脆性破坏机理。粘结滑移性能的退化引起的钢筋腐蚀中产以上延性发展有很大的影响和钢筋的力学性能。

图的分析12也显示,承载力和延性(极限位移/屈服位移)的成员与腐蚀速率的增加逐渐减弱,而延性破坏机制仍然存在。钢筋的力学性能退化引起的腐蚀直接影响成员的承载力和延性,相当于减少成员截面的配筋率或减少钢筋的强度水平。

在图13退化的影响粘结滑移性能和钢筋的力学性能退化是考虑。梁的承载力和位移特征逐渐减少与钢筋腐蚀速率的增加,梁的破坏模式逐渐发展到脆性。相比之下,图12,成员的承载力和延性退化速度加快,表明力学性能退化和粘结滑移特性退化引起的腐蚀有强烈的耦合效应。在这种耦合效应下,成员的承载力和延性降低显著的增加钢筋的腐蚀速率。

进一步了解成员的改变轴承的特征行为的耦合作用下的机械性能退化和退化的粘结滑移性能、荷载位移曲线在图的要点13表中列出8。

表8
耦合下的荷载位移曲线的关键价值因素。

据的分析表8,屈服载荷/位移、极限载荷/位移和延性比的成员都在一定程度上减少钢筋腐蚀后,屈服载荷/位移的减少和极限荷载是显而易见的。因此,减少比例系数之间的关系上面的三个参数(表9)和钢筋截面的腐蚀速率可以安装。拟合结果中可以看到以下方程: 在哪里 是减少比例的屈服载荷; 是屈服位移的比例减少; 是减少比例的极限载荷;和 横截面的腐蚀速率。

表9
比较参数降低率和腐蚀速率。

5。结论

摘要承载力和延性钢筋混凝土简支梁的退化特征不同的腐蚀速率进行了仿真和分析。主要结论如下:(1)在轻微的腐蚀条件下,钢筋和混凝土之间的粘结滑移性能的退化没有重大影响承载力的成员,而钢筋的力学性能退化引起的腐蚀有很大影响的承载力和延性。(2)与钢筋的腐蚀速率的增加,成员的承载力和延性显著下降。在中度和重度腐蚀条件下,成员的承载力和延性退化引起的粘结滑移性能的退化是显性的。(3)总的来说,成员的承载力随钢筋腐蚀的增加,和失效模式的发展从最初的韧性未能脆性破坏,这是一个不利的结构遭受地震。

的利益冲突

作者宣称没有利益冲突有关的出版。

确认

这项研究已经由郑州大学的优秀青年人才研究基金(批准号1521322004),广东省级重点实验室的土木工程耐久性,深圳大学(批准号GDDCE 12-06)和基础由河南大学青年骨干教师(批准号2015年ggjs - 151)。