混凝土内部锈蚀钢筋应力集中特性研究

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发布时间：2021-09-19

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混凝土内部锈蚀钢筋应力集中特性研究
李建风，石晓猛
(天津大学建筑工程学院。天津300072)
【摘要】为了研究滨海环境下预应力钢筋混凝土结构内部锈蚀钢筋力学性能的退化过程，需要明确锈坑
形状、深度及混凝土开裂程度等因素对锈坑处应力集中系数的影响。本文采用精细化有限元方法实现了混凝土
内部钢筋在不同锈坑形状、锈蚀深度和混凝土开裂程度等多因素影响下的应力集中问题的数值模拟，分析总结了
锈蚀钢筋应力集中程度的变化规律。
【关键词】钢筋混凝土；锈蚀；应力集中；数值模拟
【中图分类号】TU375 【文献标识码】B 【文章编号】1001—6864(2013)03—0061—03
钢筋在氯盐腐蚀环境下容易产生不均匀锈蚀，形成锈
坑，造成应力集中现象。虽然钢筋的平均锈蚀率可能很小，
但严重的局部锈蚀对其受拉性能极其不利。不均匀锈蚀比
均匀锈蚀的危害更大，它使得钢筋的本构关系变化，延展性
降低，从而更加容易发生无征兆的脆断。目前对钢筋的锈
蚀研究多集中于普通钢筋，且单独对钢筋进行分析，钢绞线
的锈蚀、混凝土开裂对锈蚀钢筋的影响的研究鲜有报道。
埋设在混凝土里的钢筋，受到混凝土的作用力，当混凝土出
现裂缝时，而裂缝又恰好在锈坑附近，当混凝土裂缝张开
时，相当于给钢筋一个变化的弯矩。所以混凝土裂缝的存
在也会影响钢筋的锈坑处应力集中程度。对锈蚀钢筋的研
究，特别是混凝土中的钢筋、钢绞线锈坑处应力集中现象对
钢筋的力学性能影响的研究更加紧迫。
由于预应力钢筋混凝土结构本身的复杂性，加之三维
锈坑的存在，使得要对锈蚀钢筋力学性能进行理论分析十
分困难。所以许多学者采取试验方法对于锈蚀钢筋混凝土
的力学性能进行研究，然而试验方法又有很大的局限性。
考虑到理论分析和试验研究的局限性，本文利用有限
元方法建立二维有限元模型，通过预制锈坑和裂缝等缺陷，
模拟不同劣化情况下钢筋的应力集中特性，从而建立锈坑
处应力集中系数和锈坑形状、锈蚀深度混凝土开裂程度之
间的量化关系。
1 钢筋锈蚀程度理论分析
(1) 钢筋锈蚀深度预测模型。钢筋锈蚀是一个随着
时间变化的电化学过程，为获得锈蚀钢筋的应力集中情况，
先要明确锈蚀深度的变化规律。Ⅱu和Weyers提出腐蚀电
流强度与时间的关系为：
一
(t)=0．85i (Z)t。。·凹 (1)
式中，i。 (t)为起锈后t时刻的腐蚀电流强度， cm ；
i一(Z)为钢筋初始锈蚀速度。由Kim提出的计算公式：
～ (z)： (2)
式中，w／c为混凝土的水灰比；C为钢筋保护层厚
度，mmo
而在电化学腐蚀里有以下关系式：
⋯ (t)=0．O116i⋯(t) (3)
式中，。丌(t)为钢筋锈蚀速率，mm／年。
所以钢筋的时刻锈蚀深度为：
，tk—tO
d=I Ve。Ⅱ(f)d(t) (4)
式中，t。为钢筋起锈时间；t 为结构已服役时间，年。
由式(1)一(4)可得钢筋锈蚀深度和锈蚀时间之间的关系，
见表I。
区域大。
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