盐冻环境下钢筋混凝土梁抗弯性能仿真分析

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发布时间：2021-09-03

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盐冻环境下钢筋混凝土梁抗弯性能仿真分析
徐港，谢晓娟，艾天成，王青
(三峡大学土木与建筑学院，湖北宜昌443002)
摘要：采用数值模拟技术同时考虑到混凝土力学性能及钢筋混凝土粘结性能受盐冻融作用的损
伤，对经历不同盐冻融循环次数后钢簏混凝土梁的抗弯性能进行了非线性分析，研究了其抗力性能
受盐冻融循环作用的影响规律。结果表明：盐冻环境下梁抗弯性能退化的主要原因是由于混凝土
力学性能的降低，而粘结性能退化对梁抗力性能的影响并不显著；盐冻融作用达到一定程度后钢筋
混凝土梁的破坏类型会发生改变，将由适筋破坏转换为超筋破坏；梁端锚固区粘结性能的冻融损伤
对梁抗力性能有一定程度的影响，尤其当冻融程度较严重时，梁的承载力较锚固衷好时约有4 左
右的降幅。
关键词：钢筋混凝土梁；盐冻；承裁力；仿真分析
中图分类号：TU375．1 文献标志码：文章编号：1674—4764(2O12)02—0063—06
Sim ulation Analysis of Flexural Performance of Reinforced
Concrete Beam in Salt—frost Environment
XU Gang，XIE Xiao-juan，AI Tian—cheng，WANG Qing
(College of Civil Engineering&．Architecture，China Three Gorges University，Yichang 443002，Hubei，P． R．China)
Abstract：Considering the dam age of concrete mechanical properties and bonding behavior between the steel
bar and concrete after the freezing and thawing function in the numerical simulation，the nonlinear analysis
Oil flexura1 performance of reinforced concrete beam which experiences different salt—frost cycles is
conducted，and the evolution law of resistance performance of reinforced concrete beam iS studied． It iS
shown that，in the salt～frost environment，the decrease of concrete mechanical properties iS the main reason
that CaUSeS the degeneration of RC beam on flexural performance，while the reduction of bonding property
has an unobvious effect on the beam resistance performance． W hen the salt—frost cycles reach a certain
level，the beam failure pattern would change from the under～reinforced failure to over～reinforced failure．
The freeze——thaw damage of bonding property in the beam——ends anchorage zone has a certain effect on the
beam resistance behavior，especially for the more serious freeze—thaw degree，the resistance performance of
the beam reduces about 4 than the perfect anchor beam．
Key words：reinforced concrete beam ；salt～frost；bearing capacity；simulation analysis
寒冷地区撒除冰盐的道路、桥梁以及海边建筑
物经常会遭受到非常严重的盐冻破坏，盐冻循环作
用是影响钢筋混凝土结构耐久性的主要因素。目
前，国内外学者在材料层次上就盐冻作用后混凝土
力学性能变化规律已进行了较为广泛的研究，并取
得了一定成果，但是在构件层次上对盐冻环境下钢
筋混凝土构件抗力性能劣化规律的研究较少引，尤
其是考虑盐冻融作用对混凝土的力学性能及其与钢
收稿日期：2011一O8 3O
基金项目：湖北省自然科学基金计划创新群体项目(2010CDA076)；高速铁路建造技术国家工程实验室开放基金；湖北省
教育厅科学研究计划重点项目(D2o09131o)
作者简介：徐港(1974一)，男，博士(后)，主要从事混凝土结构耐久性研究，(E—mail)postxg@163．COFI1。
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土木建筑与环境工程第34卷
筋粘结滑移性能损伤共同导致构件抗力性能劣化方
面的研究更鲜见报道。考虑到现有冻融试验设备的
局限性，尚难以通过试验手段对大尺寸混凝土构件
进行冻融试验，为此本文采用数值仿真方法，并考虑
到盐冻作用后混凝土力学性能退化和钢筋与混凝土
粘结滑移性能的劣化，利用有限元软件DIANA对
经受不同盐冻融循环次数作用后钢筋混凝土梁的受
弯性能进行了数值模拟，探究了随盐冻融次数增加
混凝土梁抗力性能的演变规律，以期为相应环境下
混凝土结构安全评估和耐久性设计提供参考。
1 仿真分析模型
1．1 基本参数
依据实验室已浇筑试验梁尺寸、配筋等参数，如
图1，建立仿真分析模型，如图2。梁材料力学性能
如表1。仿真分析时为了避免应力集中的影响，在
支座和集中荷载处设置刚性垫块，通过共节点使垫
块与混凝土位移协调。试件采用位移加载，加载方
式与物理实验方法相同采用四点弯曲，三分点加载。
图1 试验梁配筋
图2 钢筋混凝土梁有限元模型
表l 混凝土配合比及材料力学性能
1．2 本构模型
1．2．1 材料本构模型混凝土受拉本构采用
Hordijk 软化模型，混凝土受压本构采用
Thorenfeldt模型[4]，裂缝模型采用全应变旋转裂缝
模型。模型所需混凝土断裂能值由Ceb—fip Model
Code 1990 建议的公式，如式(1)计算；混凝土断裂
带宽值，根据文献[6]按式(2)计算。
GI一．f (1)
L =,／5 (2)
式中：S 一10 MPa；Gf。根据最大骨料粒径(d⋯ )选
用，本文取d⋯ 一16 r~1m，A 为有限元网格中一个单
元的面积。
钢筋采用了Von Mises双线性理想弹塑性模
型，如式(3)、(4)。
一E ￡￡ ≤ Sy／E (3)
d 一S ￡ ≥ $／E (4)
式中：、e ⋯E 分别为钢筋的应力、应变、弹性模
量和屈服强度。
1．2．2 粘结滑移本构模型徐有邻对钢筋与混
凝土的粘结锚固性能进行了较为系统的研究，相关
研究成果已被广泛采用 ]，因此本文采用文献[7]
给出的五段式粘结滑移曲线作为钢筋混凝土基准粘
结滑移本构。文献[11—12]研究表明混凝土构件经
盐冻融循环作用后，不仅7昆凝土强度降低，钢筋与混
凝土的粘结强度也将发生退化。而文献[13—14]通
过试验研究还发现，相同粘结应力时的滑移量随着
冻融次数的增加而增大，且文献[14]通过对试验数
据的拟合分析，建立了与冻融次数、粘结强度相关的
滑移量计算表达式，如式(5)，由此可基于对基准粘
结滑移本构中特征滑移量的修正得到不同盐冻融循
环次数后的粘结滑移关系曲线，如图3。
S(r，")一f(r，n)·s。 (5)
式中：S(r，n)为”次冻融作用后粘结应力为r时的
滑移；厂( ， )为n次冻融作用后粘结应力为r时相
对于未冻试件钢筋滑移的变化函数，可由式(6)⋯
(8)确定n ；S。为未冻时钢筋的滑移，可由基准模型