锈蚀预应力筋混凝土梁受弯承载性能有限元分析

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发布时间：2021-09-03

资料介绍

锈蚀预应力筋混凝土梁受弯承载性能有限元分析
唐硕，喻孟雄，丁权福，徐晓燕。，明勇
(1．徐州工程学院土木工程学院，221111；2．江苏大学土木工程与力学学院，镇江212013；
3．江苏师范大学商学院。徐州221116)
摘要：利用ANSYS建立了预应力混凝土梁分离式有限元模型，实现了预应力筋锈蚀后混凝土构件静力承栽
性能的模拟．分析了预应力筋锈蚀对预应力混凝土构件极限承栽力、刚度和破坏形式的影响。结果表明：随着预应力
筋锈蚀率的增加，构件的极限荷栽和刚度降低，梁顶应变增加，塑性变形能力变差，破坏由延性向脆性发展。
关键词：预应力混凝土结构；预应力筋锈蚀；承载性能；有限元
Abstract：Finite element model with disconnect—tvDe of prestressed reinforced concrete beams is established by using
ANSYS。the simulation of static load capacity for prestressed tendons with corroded concrete member is achieved，the -
．
in
fluence of corroded prestressed tendons on ultimate bearing capacity，stiffness and destructional forms of prestressed，con—
crete members are analyzed．The results show that。with the increase of corrosion rate of prestressed tendons，the ultimate
load and stiffness of the member are decreased，meanwhile，the strain of beam iS increased，the plastic deformation ability
becomes woIse．and the failure is developed from the ductile to brittle．
Key words：Prestressed concrete structure；Prestressed reinforced corrosion；Bearing behavior；Finite element
中图分类号：TU522 文献标识码：A 文章编号：1000—4637(2016)03—63—04
0 前言 ’
自预应力混凝土(PC)结构推广使用至今，耐久
性失效事故频现。典型案例包括柏林议会大厦预应
力支承构件发生预应力钢索锈蚀引起混凝土屋顶
部分倒塌【 1；辽宁盘锦田庄台大桥发生垮塌[2]等。由
此可见．处于恶劣环境的PC结构承载性能退化问
题已十分突出。
PC梁作为PC结构中的重要受力构件，一旦发
生预应力筋腐蚀，极有可能引起整个结构出现脆性
破坏。目前，针对预应力钢筋锈蚀混凝土受弯构件
的承载力主要以试验研究为主。李富民等[31利用掺
盐加速锈蚀方法分别对先张和后张PC梁中的钢绞
线进行腐蚀。通过静载试验研究了腐蚀钢绞线PC
梁的受弯性能。刘其伟等嗍和郑亚明等嘲利用静力拉
伸试验方法研究了通电加速腐蚀后不同锈蚀程度
钢绞线的力学性能。与试验研究相比，有限元分析
不存在构件缩尺、加速腐蚀差异等缺点。因此，为了
较为全面地揭示预应力筋锈蚀对PC梁承载性能的
影响。笔者采用有限元ANSYS软件对不同锈蚀率
PC梁的承载性能进行了建模分析，力求较为全面地
揭示预应力筋锈蚀后PC梁承载性能的变化情况。
基金项目：国家级大学生创新训练计划项目(201511998
036Z)；教育部高等学校博士学科科研指导项目(2012
32271 looO6)。
1 单元类型与参数设置
1．1 单元类型
采用分离式有限元模型。钢筋和混凝土分别由
LINK8和SOLID65单元进行模拟，通过共用节点法
实现两者的协同工作[63。此外，鉴于实际工程中的荷
载作用方式主要为面荷载．笔者在加载点、支座和
预应力筋两端设置了S0UD45单元弹性垫块，这一
设置也缓解了应力集中现象引起的局部单元奇异，
使计算易于收敛。
1．2 强化准则
锈蚀PC梁抗弯性能的有限元分析属于静力单
调加载和大变形情况，因此，采用等向强化准则川。
混凝土材料应用MISO模型、普通钢筋和预应力筋
应用BISO模型。同时采用Von Mises屈服准则。
1．3 材料本构关系
1．3．1 混凝土
采用弹塑性本构关系。混凝土开裂前设为各向
同性，开裂后，再利用裂缝的开展状况实时跟踪调
整各向同性本构关系嘲。进而模拟混凝土的各向异
性材料特性。混凝土设计强度等级为C45，28d立方
体抗压强度取实测值55．98MPa，轴心抗压强度
和轴心抗拉强度分别按式(1)和式(2)计算得到，
泊松比取0．2。
．
=0． (1)
一63—
2016年第3期混凝土与水泥制品总第239期
0．39 u0．55 (2)
混凝土的本构关系根据规范推荐的公式翻修改
简化得到，即忽略混凝土的下降段，以利于计算收
敛。定义：
X=8／6 ，y=o'／f~ (3)
当 ≤1时，y=0 +(3—2a~)x +(0 2) (4)
当x>l时，y=l (5)
式中：为混凝土峰值压应变；％为单轴受压
应力一应变曲线上升段参数值。
针对SOLID65单元，混凝土开裂采用弥散式裂
缝模型，裂缝剪力传递系数张开时取，闭合时取
啷
。单轴抗压强度取一1，即关闭压碎，拉应力释
放系数，缺省值为0．6，KEYOPT(7)=1。其它基本参
数为默认值[71。
1．3．2 普通钢筋
普通钢筋采用理想弹塑性的应力一应变关系。
如图1所示．表达式为：
Ors= 1 ， (6O )
，
8s>Sy
1．3．3 预应力筋
假定预应力筋应力达到极限强度时被拉断。预
应力筋的应力一应变关系如图2。
图1 普通钢筋应力一应
变关系
图2 预应力筋应力一应
变关系
1．3．4 锈蚀预应力筋
郑亚明等[51根据试验研究的线性回归，得到了
锈蚀钢绞线力学性能的退化公式。
(1)名义极限强度
= (1-0．836p~,，一 (7)
式中：为锈蚀钢绞线的名义极限强度；为
完好钢绞线的极限强度；，一为钢绞线中单根钢
丝最大截面损失率。
(2)名义弹性模量
，c=(1-3．6 ) (8)
式中：，。为锈蚀钢绞线名义弹性模量；为
完好钢绞线的弹性模量；Pp,为钢绞线的锈蚀重量损
失率。
(3)锈蚀钢绞线的极限延伸率
一64 一
，产(1-3．626p~)Su (9)
式中：6 为锈蚀钢绞线极限延伸率；为完好
钢绞线极限延伸率；为钢绞线锈蚀重量损失率。
2 有限元模型的建立
由于混凝土结构的复杂性，有限元分析存在计
算难以收敛的问题。单纯改变收敛准则．提高收敛
容许度，必然会对计算结果造成较大的误差，甚至
错误。在加载点、支座处及预应力筋锚固位置由于
应力集中，导致混凝土过早压碎或开裂，造成收敛
困难，且实际工程中，荷载的作用方式以面荷载为
主，很少会出现点荷载形式。因此，笔者在加载点、
支座处预应力筋两端均添加了弹性垫块．缓解应力
集中，利于计算收敛，也更加符合实际情况。
设计尺寸为150mmx200mmx1500mm 的PC梁
存在几何和荷载的对称，在建模时，先建立112模
型。再镜像生产另一半，具体有限元模型建模过程
如下：
(1)建立混凝土和垫块的几何模型。分别建立
混凝土和垫块的几何实体，再将二者黏结，使二者
共同工作。
(2)建立钢筋笼的几何模型。按照GB 500l0—
2010《混凝土结构设计规范》[10】进行配筋设计，下
部纵向受力钢筋和上部受压钢筋均为2(n)8，箍筋
为①8@150(100)，加强筋为① 8@40，预应力筋为
。12．7mm的1~7股钢绞线。根据配筋信息．利用工
作平面对步骤1中的几何模型进行切分。得到钢筋
笼的几何模型。
(3)混凝土网格划分尺寸控制。为了得到规则
的混凝土单元，在切分出钢筋笼后。再对步骤1的
几何模型进行切分，控制混凝土网格划分尺寸。
(4)生成混凝土和钢筋单元。几何模型建成后，
对应赋予普通钢筋、预应力筋、混凝土、垫块的本构
关系和材料属性，进行网格划分，生成钢筋、混凝土
及垫块单元。网格划分时，利用划分数量控制，每个
几何实体或几何直线均只划分为一份。
(5)建立锈蚀预应力筋重叠单元，并赋予其材
料属性和实常数。
(6)设置约束并加载。
PC梁的位移边界条件为一端铰接。一端滑动支
座。为防止发生平面外的位移，增设了平面外位移
约束。荷载包括预应力施加和外载，外载采用均布
面荷载，施加在加载点的垫块上，作用方向为法向。
采用降温法对预应力进行施加。由于混凝土和
预应力筋的相互作用，导致不同位置预应力筋的应
变存在差异，分段输入初应变值，操作困难，难以实