中国能源建设集团湖南省电力设计院有限公司 湖南省长沙市 410007
摘要：钢筋与混凝土之间的粘结强度降低是致使锈蚀钢筋混凝土构件承载力退化的主要原因之一。这篇文章在锈蚀钢筋混凝土梁实验数据的基础上，树立ANSYS有限元模型，其间混凝土选用Solid65单元、钢筋选用Link8单元、钢筋与混凝土之间的粘结效果选用Combin39绷簧单元来模仿。
关键词：锈蚀钢筋混凝土梁；钢筋与混凝土；间粘结性能；退化分析
1锈蚀钢筋混凝土梁试验
为了研究锈蚀对钢筋混凝土梁正截面受弯性能的影响，共制作了5根钢筋混凝土梁，其中4根钢筋混凝土梁进行通电锈蚀，1根不锈蚀，进行对比试验。试验梁截面尺寸均为100mm×150mm，长1850mm。混凝土强度等级均为C30，钢筋为HＲB335螺纹钢筋，保护层厚度为10mm，构件截面设计及配筋如图1所示。本实验采用半湿通电法，使钢筋混凝土梁内钢筋加速锈蚀，其连接方式为串联电路。该试验梁采用电液伺服万能试验机进行四点受弯加载，采用百分表测量试验梁的跨中挠度，采用电阻应变片来测量钢筋与混凝土的应变。
图1钢筋混凝土梁示意图(单位:mm)
2有限元模型建立
2.1单元选择
本文采用ANSYS软件建立钢筋混凝土梁有限元模型，其中混凝土采用Solid65单元，混凝土轴心抗压强度为20．1MPa，轴心抗拉强度为2．01MPa，泊松比为0．2。混凝土应力应变关系采用《混凝土结构设计规范》(GB50010-2010)给出的模型，其上升段为抛物线，当混凝土达到峰值应变后为水平段。钢筋采用Link8单元，钢筋屈服强度为320MPa，弹性模量为2×105MPa，泊松比均为0．3，钢筋本构关系采用双线性等向强化模型。在模型梁的左右两端距离端部165mm处设置约束，在距离两侧约束各500mm位置处的混凝土单元顶部7个节点上分别施加竖直向下的集中荷载。
2.2钢筋与混凝土粘结模拟
在上述钢筋混凝土梁有限元模型的基础上，通过施加Combin39弹簧单元来模拟钢筋与混凝土之间的粘结作用。具体做法为在钢筋单元与混凝土单元相同位置的节点间设置三个相互垂直的弹簧单元(如图2b所示)，其中沿钢筋方向弹簧单元的荷载-变形关系由Houdle和Mirga［在通过对实验数据分析拟合的基础上提出带肋钢筋与混凝土局部粘结应力-局部滑移公式确定。
2.3模型验证
对上述所建的钢筋混凝土梁有限元模型进行与模型试验相同的四点受弯加载非线性弹塑性分析，并与试验结果相对应，以此来验证该有限元模型的准确性。图4所示为数值模拟与试验梁荷载-挠度曲线的对比结果。从图中看出加载初期荷载较小时模拟梁与试验梁的位移与荷载均呈线性规律变化，此时模拟梁与试验梁均处于弹性受力状态;模拟梁在5．1kN时荷载-位移曲线出现拐点，试验梁在5．05kN时出现拐点，模拟梁与试验梁开裂荷载基本一致;开裂后模型梁和试验梁的荷载-位移曲线斜率下降，二者的下降幅度基本一致;当荷载达到37．8kN时粘结模拟梁屈服，荷载-位移曲线接近水平线，而试验梁在37．5kN时破坏。从而可知，模拟梁结果与试验梁结果基本吻合，说明采用Combin39单元来模拟钢筋与混凝土之间的粘结性能是有效的，可利用该有限元模型进行锈蚀钢筋混凝土梁数值模拟分析。
3锈蚀钢筋混凝土梁粘结退化分析
3.1滑移分析
为了确定是否由于滑移过大导致停止计算，将上述四根模型梁加载最大时刻的纵筋各位置处钢筋与混凝土之间的滑移提取出来，如图2所示。从图2中可以看出，不同锈蚀率下，钢筋与混凝土之间的粘结滑移曲线均为原点对称图形，其中跨中纯弯段粘结滑移较小，加载点附近到支座处粘结滑移增大。图2(a)所示为锈蚀率2．4%时钢筋与混凝土之间的粘结滑移曲线，从中可以看出加载点到支座处的滑移量基本在0．006mm左右，此时粘结滑移量均未超过粘结滑移的界限(Houdle建议的0．03mm)，说明此段梁的钢筋与混凝土粘结良好。从图8(b)、(c)、(d)中可以看出，随着锈蚀率的增大，钢筋与混凝土之间的滑移最大值均超过界限值，甚至部分位置远超过界限值，这说明在模型计算过程中此部分钢筋已经失去锚固作用。同时发现，锈蚀率越大，滑移曲线越陡峭，平台段越短，说明此时失去锚固作用的钢筋段更长，而能够提供锚固作用的钢筋段很短，故不足以提供有效的锚固力让纵向钢筋继续承载而导致计算过早终止
图2模型梁内钢筋与混凝土滑移曲线(a)锈蚀率2．4%;(b)锈蚀率6．8%;(c)锈蚀率8．4%;(d)锈蚀率16．8%
3.2模型修正
根据上述分析需要通过调整粘结强度修正系数来对有限元模型进行修正。对于锈蚀率为6．8%的模型
梁，原粘结强度修正系数为0．295，在此基础上逐次增加0．05进行试算对比，当结果比较接近时减小系数增加量为0．002，最终当系数修正至0．642时模拟结果与试验结果较为一致，如图3(a)所示，则认为此时的修正系数比较合理。采用同样方法分别对锈蚀率为8．4%、16．8%的模型梁进行修正，结果如图3(b)、(c)所示。修正后的各模型梁的粘结滑移曲线如图4所示。从中可以看出，修正后的粘结滑移平台段均未超过界限值(0．03mm)，且平台段较宽，说明该模型梁的钢筋与混凝土粘结锚固性并未完全失去，对于锈蚀率较大情况(8．4%和16．8%)加载点位置出现滑移过大情况，是因为钢筋锈蚀所致，所以此部分粘结力丧失，从而使锈蚀钢筋混凝土梁承载力受到影响。
图4修正后模型梁内钢筋与混凝土滑移曲线(a)锈蚀率6．8%;(b)锈蚀率8．4%;(c)锈蚀率16．8%.
结束语
本文基于试验数据对锈蚀后钢筋与混凝土间的粘结强度修正系数展开研究。研究发现，当锈蚀率较大时，根据原有的锈蚀钢筋与混凝土之间粘结强度退化公式计算出的粘结滑移较大，与实际情况不符。根据试验数据及相应的有限元模型，通过模型修正获得合适的粘结强度修正系数，并利用曲线拟合技术得到锈蚀钢筋混凝土梁中钢筋与混凝土粘结强度退化修正公式。
参考文献
[1]杨海峰,邓志恒,覃英宏.钢筋锈蚀后与再生混凝土间粘结-滑移本构关系研究[J].工程力学.2015(10).
[2]滕海文,贺志远,赵卓.基于极限粘结状态的锈蚀钢筋与混凝土之间的粘结强度模型[J].建筑结构.2013(14).
论文作者:黄萌萌
论文发表刊物:《防护工程》2017年第17期
论文发表时间:2017/11/29
标签：锈蚀论文; 钢筋论文; 混凝土论文; 钢筋混凝土论文; 模型论文; 荷载论文; 曲线论文; 《防护工程》2017年第17期论文;