锈蚀裂缝下钢筋混凝土柱承载力的有限元分析

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发布时间：2021-09-03

资料介绍

1．2 模型建立
在损伤塑性模型的基础上，混凝土采用
C3D20R，二十节点二次六面体减缩积分单元，钢筋
采用T3D2，两节点线性三维桁架单元，且embed于
混凝土中，柱顶则采用参考点控制的位移加载，可有
效避免加载点的应力集中。钢筋混凝土柱的截面尺
寸取为350 mm X 350 mm，柱高3000 mm，纵筋为
4 16，箍筋为 8，加密区间距为100 mm，非加密
区为200 mm，保护层厚度为35 mm，验算后得出其
承载力设计值约为1800 kN，具体配筋如图2所示。
图2 钢筋混凝土柱配筋
通过有限元计算，发现分布在柱角的锈蚀纵裂
缝对构件的承载力影响较小，所以文中着重研究分
布在柱中的锈蚀横缝，通过引言中的阐述，可以具体
的在构件中把横缝分为以下几类：(0．2～0．7)，C，
50；(O．2—0．7)，C，100；(0．2～0．7)，C，200；(0．2—
0．7)，C，350；其中缝宽从0．2 mlTl变化到0．7 mm，
缝深恒为保护层厚度c，缝长则从50 mm一1o0
mm—200 mm—350 mm依次变化，具体在有限元中
的实现，则主要通过生死单元且中间单元加密减小
误差的方式来拟合不同形态下的横裂缝(图3)。
图3 生死单元拟合横裂缝的钢筋混凝土柱
2 有限元结果分析
2．1 轴心受压下的承载力
对钢筋混凝土柱施加10 mm的轴心位移载荷，
观察其在无横裂缝与含有不同横裂缝下的极限承载
力变化情况，见表2。
表2 轴心受压下的极限承载力 kN
50mm
100mm
200mm
350ram
无横裂缝
2712．5O 2712．48 2712．46 27l2．39
2550．98 2550．94 2550．27 2550．04
2376．26 2375．53 2375．30 2366．04
2092．01 2090．56 2090．47 2086．76
2748．99
分析结果表明：
1)缝长保持一致，仅缝宽变化时。钢筋混凝土
柱的极限承载力随缝宽的增加仅有微小的降低，几
乎保持不变。但是，相对于无横裂缝时，在达到极限
承载力后，含横缝柱的承载力则均有明显的降低
(图4)。
图4 轴心受压下缝长50 mm时的位移一荷载曲线
2)缝宽保持不变，仅缝长变化时。在弹性阶
段，含不同缝长钢筋混凝土柱的承载力随位移的变
化基本一致。弹塑性阶段，随缝长的增加，承载力增
加的速率逐渐的降低。塑性阶段，含裂缝最长的构
件，最先受到破坏，并且所能承受的极限承载力也最
低，而随着缝长的逐渐减小，相应的构件也陆续的开
始破坏，之后，承载力不断的降低，最后趋于稳定，但
此阶段降低的速率则有明显差异，即裂缝越长，降低
的速率就越慢，反之，裂缝越短，承载力降低的就越
快，且没有横缝的钢筋混凝土柱进入破坏阶段后的
承载力下降速率最快。图5为缝宽0．2 mm、缝长逐
渐变化的位移一荷载曲线。
图5 轴心受压下缝宽0．2 mm时的位移一荷载曲线
2．2 小偏心受压下的承载力
实际中的钢筋混凝土柱均是不同程度的偏心受
压构件，因此基于偏心受压下的裂缝拟合则更具有
意义。首先对小偏心受压下的承载力进行分析，其
偏心距为50 mm，偏心方向与裂缝同侧，结果见表3
及图6。
表3 小偏心受压下的极限承载力 kN
50mm
l00ram
200ram
350mm
无横裂缝
1820．61 l820．60 1820．59 l8l8．38
1764．76 1764．62 1764．57 1763．19
1648．52 l648．46 l648．27 1647．17
1458．87 1458．75 1458．64 1458．61
1858．25
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56 四川建筑科学研究第4O卷
图6 小偏心受压下缝宽0．2 mm时的位移一荷载曲线图7 大偏心受压下缝宽0．2 mm时的位移一荷载曲线
对比表3与表2，发现在相同的位移荷载下，小
偏心受压后的极限承载力相对于轴心受压时均有较
大幅度的降低。但是，其随裂缝形态变化所呈现出
来的规律基本是相同的。
图6为缝宽0．2 mm保持不变、缝长从50 mm
到350 mm不断变化的小偏心受压位移一荷载曲线。
与轴心受压下的图5进行比较，得出：整体变化趋势
和规律是相似的，但是也存在一定的差异。即在小
偏心受压的情况下，承载力达到极限值后，其放缓的
速率会随缝长的增加越来越快，且越发明显，而轴心
受压时的放缓速率则较为均匀。出现这种现象的主
要原因为：钢筋混凝土柱的横缝越长，初始缺陷就越
大，在小偏心的基础上会使偏心程度越发严重，其最
终结果会直接导致受压区的混凝土更早的被压碎，
也就意味着受拉区的钢筋会提前承受拉应力，从而
较大幅度的减缓承载力下降的速率。
2．3 大偏心受压下的承载力
大偏心受压的钢筋混凝土柱，比较少用，由于自
身承载力已经有相当大的折减，同时，横缝的存在使
其进一步的削弱，所以工程中应尽量的避免使用。
有限元分析后的具体数值见表4及图7。
表4 大偏心受压下的极限承载力 kN
50mm
1OOmm
200mm
350tara
无横裂缝
856．14 856．O1 855．83 855．64
817．04 8l6．86 816．69 8l3．78
762．39 762．34 756．83 754．05
653．2l 645．3O 641．56 640．64
868．15
综合分析可以得出：不同的偏心能够很大程度
上影响到钢筋混凝土柱的承载能力，以及承载力达
到极限值后随位移下降的速率，即偏心越严重，相
应的承载能力就越低，并且其到达承载力极限值后
的下降速率就越慢。
3 承载力影响分析
表5为钢筋混凝土柱产生横裂缝后的承载力损
失情况。为了更为直观的观察其中的规律，结合图
8得出：轴心受压下的承载力损失较大，大偏心次
之，小偏心最小。出现这种情况是因为轴心受压下
的承载力主要有混凝土提供，钢筋的贡献率较小。
偏心受压则不同，混凝土受压的同时，受拉钢筋同样
分担着很大一部分承载力，而钢筋锈蚀产生的横裂
缝主要是对混凝土形成缺陷，因此造成轴心受压下
的承载力损失相对最大。
表5 横裂缝产生后的承载力损失％
0．2．C一50 0 2．C．100 0 2一C-200 0．2 C一350
不同形态的横裂缝
图8 不同形态横裂缝下的承载力损失
4 结语
通过规范提供的混凝土本构参数及abaqus提
供的混凝土损伤塑性模型分析了锈蚀横裂缝对钢筋
}昆凝土柱的承载力影响情况，得出以下结论。
1)影响钢筋}昆凝土柱承载力的裂缝主要为箍
筋锈蚀后产生的横裂缝。主要表现在横缝的长度
上，缝越长，影响越大，且不可忽视，而缝宽影响较
小，承载力随缝宽的增长仅有略微降低。
2)横裂缝对轴心受压钢筋混凝土柱的承载力
影响最大，其次是大偏心及小偏心。
3)由于损伤塑性模型没有考虑到}昆凝土的粘
性及混凝土与钢筋之