锈蚀钢筋混凝土梁承载力退化特性数值分析

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发布时间：2021-09-03

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锈蚀钢筋混凝土梁承载力退化特性数值分析
张猛。李瑶亮，赵桂峰，李大望
(1．郑州大学土木工程学院，河南郑州450001；2．深圳大学广东省滨海土木工程耐久性重点实验室，广东深圳518060)
摘要：采用ABAQUS有限元软件对一未锈蚀钢筋混凝土简支梁的静力承载性能进行了数值模拟，并与试验结果进行了对比，
验证了有限元模型的可靠性。在上述有限元模型的基础上，利用ABAQUS分项计算功能，计算了不同锈蚀程度下钢筋混凝土简
支梁的宏观力学特性，计算中分别考虑了锈蚀钢筋黏结滑移性能退化、锈蚀钢筋力学性能退化及二者耦合作用对简支梁承载力
及延性退化特性的影响。分析结果表明：随着钢筋锈蚀率的增加，构件的承载力及延性显著降低。轻微锈蚀情况下，钢筋与混凝
土之间的黏结滑移性能退化对构件的承载性能无显著影响，而锈蚀引起的钢筋力学性能退化对构件的承载力及延性影响较大。
在中等及以上程度锈蚀情况下，黏结滑移性能退化引起的构件承载力和延性退化在构件力学性能退化中占主导地位。总体上
看，锈蚀构件的宏观力学特性受到黏结滑移退化及钢筋力学性能退化的耦合影响，随着锈蚀率加大，构件承载力降低，脆性愈加
显著。
关键词：锈蚀钢筋；本构关系；黏结滑移；退化；承载力；延性
中图分类号：TU528．572 文献标志码：A 文章编号：1002—3550(2016)03—0034—06
Numerical analysis for the degradation of bearing capacity properties of corroded beams
ZHANG M eng ，LI Yaoliang ，ZHA0 Gui~bng ，LI Dawang
(1．School of Civil Engineering，Zhengzhou University，Zhengzhou 450001，China；
2．Guangdong Provincial Key Laboratory of Durability for Marine Civil Engineering，Shenzhen University，Shenzhen 518060，China)
Abstract：An uncoroded reinforced beam was analysised with the help of ABAQUS，a finite element software，and comparing with the
test result，it was said that，the finit element model is reliable．Base on the finite element model above，using the separate caculation func—
tion，macroscopic mechnical properties of different degree corrosion of the beams were caculated，in the caculation，the degradation of
bond—slip performance，co~oded mechanical perform ance of bars and the above degradation factors coupling action were taken into
consideration that would affect the bearing capacity and ductility of the beams．111e analysis result show that with the increasing of corro—
ded rate，the bearing capacity and ductility of the members is descreased significantly，in the slight corrosion condition，the degradation
of bond—slip does not affect the beating prope~y of beams significantly，but the degradation of co~oded bar had a significant affection．
In the condition of medium or above co~oded rate．the bond—slip degradation would take a leading role to the degradation of bearing
capacity and ductility．Overall，the macroscopic mechanical properties of coroded members was affected by the degradation of bond—
slip and mechnical properties of bars，with the incrasing of corroded rate，the capacity of members in decreased，and the brittleness is
m ore significantly．
Key words：coroded bars；constitutive relation；bond—slip；degradation；bearing capacity；ductility
0 引言
在各类土木工程结构中，钢筋混凝土结构是应用最为
广泛的结构形式之一。随着使用年限的增加，在外界腐蚀
介质的直接或间接作用下，钢筋混凝土结构的材料会发生
劣化，产生耐久性损伤(如表面裂缝、碳化、剥落以及钢筋
锈胀等)，混凝土结构因耐久性损伤导致结构发生破坏的
事故时有发生，造成的损失更是难以估量，全世界每年用
于腐蚀钢筋}昆凝土结构的维护及修复加固的费用总和已
超过了1 000亿美元⋯。据统计，在诸多导致钢筋混凝土
结构耐久性损伤破坏的因素中，钢筋锈蚀占据首位。混凝
土中的钢筋一旦锈蚀，其锈蚀速率便进一步加大。锈蚀将
导致钢筋几何参数和力学性能的退化，主要体现在：(1)
质量和有效截面积损失；(2)名义屈服应力和极限应力下
降；(3)名义伸长率和极限应变减小；(4)黏结滑移性能退
化。这些性能的退化必然会在一定程度上削弱结构的静力
承载力，增加其脆性。因此研究钢筋锈蚀导致混凝土结构
或构件的承载力退化特性具有重要的理论意义和工程实
用价值。
本研究采用有限元软件ABAQUS研究钢筋混凝土简
收稿日期：2015—03—09
基金项目：国家自然科学基金项目(51278303)；广东省滨海土木工程耐久性重点实验室开放基金项目(GDDCEI2—06)；河南省教育厅科学技术研
究重点项目(13A560672)
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支梁锈蚀前后的承载能力退化的影响特点，以期为锈蚀结
构或构件的性能评估与维修加固提供参考依据。
1 锈蚀钢筋混凝土的本构关系
本研究采用ABAQUS有限元软件自带的混凝土损伤
塑性模型(CDP模型)来模拟混凝土材料的力学行为，用
双斜线弹塑性模型来模拟钢筋材料的应力一应变关系，并
用非线性弹簧(SPRING2)来模拟钢筋与混凝土间的黏结
滑移。
1．1 混凝土本构关系
CDP模型是ABAQUS软件自带的隐式算法的混凝土
本构关系模型，该模型最初由Lubliner提出，并由Lee和
Fenves改良而成。该模型能在仅输入材料的单轴应力一应
变参数及损伤参数条件下，自动考虑材料单元的双轴或三
轴应力状态，计算材料受力过程中的刚度退化，因此该模
型能较为真实地反映混凝土材料的单调加载以及反复加
载／卸载过程的材料力学响应。
混凝土材料应力一应变关系。由于混凝土材料力学性
能具有强烈的随机性特征，因此本研究采用可调节下降
速度的Sargin模型来定义混凝土的压应力应变关系(见
式(1)和图1)；采用Arab模型来定义其拉应力一应变
关系(见式(2)和图2)。
25
20
日
耋
310
5
4 6 8 10 12
应变／10。
Sargin抗压模型
Sargin抗压模
应变／10。
图2 Arab抗拉模型
+(D一1)(旦)
— — —
一2)旦+D(旦)
占c S 。
。
= — —
S
式中：E。——混凝土初始弹性模量，根据文献[6]取值；
E —— 混凝土割线模量；
s。——混凝土峰值应力对应的应变，本研究取0．002 0；
— — 混凝土峰值应力；
D——混凝土抗压软化段调节参数，0<D<1，其值
越大软化段越缓慢。
Arab抗拉模型：
，yft，y≤1
i ㈦
式中： ——混凝土抗拉强度，根据文献[7]取值；
— — 混凝土抗拉峰值应变，可近似取值s =ft／E ；
卢——混凝土抗拉软化段调节参数， >1，其值越大
软化段越陡。
为切合试验结果，本研究采用ABAQUS自带的Lee
和Fenves损伤参数模型定义混凝土材料的损伤特性，
见式(3)，使得计算结果与试验结果更为接近。
一
8 。=in(1+8)
。=or(1+8) (3)
式中： ——混凝土拉／压损伤参数；
or⋯——混凝土真实应力；
— — 混凝土等效塑性应变；
~'ture——混凝土真实应变；
8 —— 混凝土非弹性应变；
易。 ——等效塑性应变与非弹性塑性应变比例系数。
本研究受拉取0．3，受压取0．7。
锈蚀导致的混凝土保护层材性退化。在服役环境中，
氯离子通过混凝土保护层的原生裂缝或空隙侵人钢筋表
面，并在钢筋表面形成导电介质，并参与到钢筋锈蚀的原
电池反应当中。在钢筋锈蚀状态下，?昆凝土保护层裂缝
将由于锈蚀钢筋锈胀力的挤压作用导致应力集中使得裂
缝宽度进一步加大，进而发生开裂及剥落现象。混凝土保
护层的开裂与剥落程度及部位具有强烈的随机性，目前尚
难以用精确的力学模型来描述，本研究借鉴文献[11]和文
献[12]推荐的简化计算式进行计算，具体见式(4)。
— 量一
l 1+
l sc
l P 一。。 =(b。。一b)／b
1 b 。一b=no)。 (4)
I∞。 =Σ =2~r(v 一1)x
I
= 一(等)
· S ．
1
2 图
O 5 0 5 O 5 O 3 3 2 2 1 l ∞ R
式中：一 — —锈蚀混凝土抗压峰值强度；
— — 钢筋表面形状与其直径的相关系数，取0．1；
8 t- cor
— — 广义混凝土开裂应变；
易— — 构件原始宽度；
bcor— — 锈蚀后构件截面宽度；
，z——锈蚀损伤的受压纵筋数量；
。。
— — 锈蚀裂缝总宽度；
Ucor——锈蚀钢筋的氧化产物与其锈蚀前的体积比
例系数，取2．0；
Uicor— — 第i条锈蚀构件的裂缝宽度；
x——钢筋锈蚀深度；
p ——钢筋的截面锈蚀损失率；
r—— 钢筋锈蚀前半径，不同直径配筋时通过加权平
均值。
1．2 钢筋本构关系及其锈蚀力学性能退化
本研究采用双折线弹塑性强化模型钢筋材料的
(图3)来模拟钢筋材料的本构关系，该模型能够充分反应
钢筋屈服后的强化行为，因此被广泛应用于结构的静力学
分析中。
图3 钢筋力宇本构模型
钢筋锈蚀主要有两种形态：(a)均匀锈蚀；(b)坑蚀。
均匀锈蚀的特点是钢筋截面大小及形状沿钢筋纵向不变
化，该状态是一种理想状态；而在试验室或自然锈蚀状态
下，坑蚀则是普遍存在的现象，这是因为钢筋在锈蚀过程
中由于原生裂缝及空隙等的大小、分布具有随机性，因此
将造成氯离子及电子的局部集中，进而造成锈蚀钢筋表面
产生随机的坑蚀现象。由于锈蚀状态下钢筋的真实应力、
应变等参数不发生变化，因此对于均匀锈蚀可通过直接折
减钢筋的截面面积来直接模拟钢筋的锈蚀状态。但对于坑
蚀状态，考虑到坑蚀分布的随机性，直接采用有限元软件
进行模拟非常困难。因此，本研究采用等效均匀锈蚀状态
来模拟坑蚀钢筋。
考虑坑蚀后锈蚀钢筋的名义屈服强度和名义弹性模
量可采用Wang和Liu模型：
_(1一 )
E (1一一
式中： — — 锈蚀前钢筋名义屈服强度；
— — 锈蚀后钢筋名义屈服强度；
E — — 锈蚀前钢筋名义弹性模量；
E —— 锈蚀后钢筋名义弹性模量；
· 36 ·
6—— 锈蚀钢筋质量损失率。
其与截面损失率转换关系见式(6)。
．0．013+0．9878 ≤ 10％
l0．061+0．939t~ 10％<6≤20％
p s {0．129+0．871t5 20％< ≤30％【0)
【0．199+0．8106 30％<艿≤40％
对于坑蚀钢筋的极限强度及极限应变，本研究采用吴
庆，袁迎曙推荐的模糊计算式进行计算，见式(7)。
fL =(1．0—0．019S) ⋯
【s 。=(1．0—0．0218)s
式中：。——锈蚀后钢筋名义极限强度；
s ——锈蚀前钢筋名义极限应变。
1．3 黏结滑移本构关系
钢筋与混凝土材料二者之间之所以能较好地发挥各
自的优势，其原因在于钢筋与混凝