浙江省交通规划设计研究院 杭州 310006
摘要：钢筋腐蚀是影响钢筋混凝土梁耐久性的重要因素之一。本文基于虚拟裂纹模型，应用混凝土损伤塑性理论，提出了适用于钢筋混凝土梁抗弯性能计算的有限元模拟方法，并利用有限元软件ABAQUS模拟了钢筋混凝土梁在纵筋腐蚀情况下的抗弯响应，研究分析了不同的腐蚀情况和FRP加固的影响。计算结果表明，数值和实验结果具有较好的一致性，验证了该方法的有效性。钢筋受腐蚀会明显降低结构的抗弯性能，结构承载力的下降比例与腐蚀程度基本相等，FRP加固可以显著提高结构的承载能力，改善腐蚀对结构承载力的影响，恢复结构的抗弯性能。
关键词：钢筋混凝土；腐蚀；弯曲；有限元
钢筋混凝土结构因价格低廉，并且具有良好的安全性和耐久性，是目前应用最广泛的结构形式。在钢筋混凝土结构使用的过程中，由于复杂的环境，会出现各种耐久性问题，其中普遍存在的问题就是钢筋腐蚀导致的结构的过早破坏，目前已成为世界各国关注的一大灾害[1]。因此，对钢筋混凝土结构防腐蚀、受腐蚀后的受力性能和剩余承载力计算与评估、维修加固等方面开展研究具有重要的工程意义。
目前，对于受腐蚀钢筋混凝土构件的受力性能研究，国内外已开展了大量的试验和理论研究，主要集中在受腐蚀钢筋混凝土梁的抗弯性能，并取得了一些初步成果 [1-4]。但是试验研究工作费时费力，开展大量的试验研究难度较大，而数值模拟的方法能够有效弥补试验的不足。由于腐蚀的影响，钢筋与混凝土界面的粘结性能会发生改变，而且机理很复杂，目前暂缺乏较完整的粘结滑移模型来支持有限元数值分析工作[5]。本文基于虚拟裂纹模型和提出的模型，应用混凝土损伤塑性理论，利用有限元软件ABAQUS开展钢筋混凝土梁在纵筋腐蚀情况下的抗弯响应，并研究分析了不同的腐蚀情况和FRP的使用给结构的整体抗弯性能带来的影响。
1 材料与结构
试验梁的几何尺寸、配筋及加载方式如图1所示。试验用材料的力学性能如表1所示，混凝土立方体强度为22.8MPa。
对于混凝土在单轴拉伸情况下的力学行为，采用Hordijk [8]提出的拉伸软化曲线：
2.2 钢筋和钢筋与混凝土间的粘接界面
钢筋采用truss单元模拟，钢筋的本构行为用各向同性应变硬化Von Mises屈服准则和关联塑性流动准则钢筋描述，其应力应变关系可以采用理想弹塑性描述。
钢筋和混凝土之间的粘结采用非线性弹簧单元SPRING2模拟。在钢筋与混凝土粘结的每个节点处使用两个弹簧单元来模拟法向和切向的粘结行为。法向的弹簧假设为线弹性并具有很大的刚度。切向弹簧的粘结力 由下式确定：
3 计算结果与分析
分别考虑受拉钢筋未腐蚀、腐蚀5%、10%、20%以及腐蚀20%并采用FRP加固等五种不同情况，计算得到的跨中挠度与加载力关系曲线如图2所示。从图中可以看出，加载过程中经历三个阶段，第一阶段是混凝土为开裂阶段，第二阶段是混凝土开裂到钢筋屈服这一阶段，第三段是钢筋屈服阶段。随着腐蚀程度的增加，承载能力有了明显的下降。将各种情况下的最大承载力进行统计，如表2所示。从表中可以看出，未腐蚀状况的模拟值和实验值[11]误差为6.69%，与实验值较吻合。随着腐蚀情况的加重，最大荷载越来越小，承载力有所下降，腐蚀5%、10%以及20%时下降比例分别为5.25%、10.64%和21.45%，承载力下降的比例与钢筋腐蚀比例基本相同。在腐蚀20%的情况下，采用FRP加固，可以完全恢复梁的抗弯承载力。
不同腐蚀情况下加载结束时裂纹的分布情况分别如图3所示。从图中可以发现，加载结束时，未腐蚀混凝土梁有多条裂纹产生，并且都是从下端开始发展。随着腐蚀情况的加重，钢筋更早进入屈服状态，裂纹的数目减少，而裂纹扩展的程度增大。对腐蚀后的试样进行FRP加固后，试样又呈现多处裂纹发展情况，并且以内部破坏为主。
（c）腐蚀10%
（f）未腐蚀（实验结果）[11]
图3 裂纹分布图
4 结论
本文基于虚拟裂纹模型，应用混凝土损伤塑性理论，对受腐蚀的钢筋混凝土梁的抗弯性能进行了有限元分析，得出以下结论：
模拟值和实验值吻合较好，证明该有限元模型的合理性；
钢筋受腐蚀会明显降低结构的抗弯性能，结构承载力的下降比例与腐蚀程度基本相等；
FRP加固可以显著提高结构的承载能力，改善腐蚀对结构承载力的影响，恢复结构的抗弯性能。
参考文献：
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论文作者:李琼阳,高恩全
论文发表刊物:《防护工程》2017年第2期
论文发表时间:2017/6/6
标签：钢筋论文; 钢筋混凝土论文; 承载力论文; 混凝土论文; 性能论文; 裂纹论文; 结构论文; 《防护工程》2017年第2期论文;