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钢筋锈蚀对钢筋混凝土构件粘结力的影响

2005-07-07 00:00    【  【打印】【我要纠错】

    长期以来,钢筋锈蚀对钢筋混凝土构件粘结力的影响一直被工程界所重视,其影响主要集中在粘结力和承载力的变化上。目前应用有限元方法模拟钢筋锈蚀影响的方法大体可分为两种,一种是模拟钢筋锈蚀时的体积膨胀引起的内力,另一种则是模拟膨胀时的位移量。本文试从温度角度出发,即施加于钢筋一定的温度模拟其膨胀过程对构件粘结力及承载力的影响,对试验结果进行对比分析。

    1有限元模型的建立

    1.1单元的选择与划分
    采用轴对称有限元分析模型,对称轴取在主筋长向的形心线上。混凝土为一内半径为7mm、外半径为50mm的圆环。主筋直径为14mm.钢筋在混凝土中的锚固长度取10倍钢筋直径即140mm,主筋为一内径为5mm、外径为7mm的钢圆环。主筋肋高取0.5mm,肋间距取7mm.箍筋采用矩形截面等效圆形截面面积。混凝土及箍筋取4点轴对称块体单元,主筋及肋采用2节点轴对称壳体单元。钢筋与混凝土间的摩擦力被忽略,但以主筋肋截面为矩形作为补充。利用ABAQUS程序进行分析,有限元单元划分。

    1.2材料性能
    混凝土被视为弹塑性材料,弹性模量E=34500MPa,波松比ν=0.18,抗压强度fc=50MPa,抗拉强度ft=4.25MPa,破坏时的塑性应变取1.4×10-3,产生裂缝后考虑由于剪切刚度变化引起的软化。假定裂缝后混凝土抗拉强度为线性损失并在应变为1.2×10-3后无拉应力存在。混凝土双轴极限抗压强度与单轴抗压强度之比为1.16.箍筋为弹性材料,主筋为弹塑性材料,弹性模量E=2.06×105MPa,波松比ν=0.3,钢材屈服强度为550MPa,抗拉强度为600MPa. 1.3分析步骤数值分析由钢筋锈蚀前的加载阶段、钢筋锈蚀阶段和锈蚀后的加载阶段组成,构件在荷载作用下的破坏过程按照不稳定分析原理并采用修正的RIKS方法进行分析,同时考虑几何非线性变化的影响。

    由于钢筋锈蚀而导致的钢筋体积膨胀在分析中采用主筋单元在温度作用下的体积膨胀,钢材的膨胀系数采用在温度作用下的正交膨胀性质,也即考虑环向膨胀而忽略沿钢筋长向和径向的膨胀。

  设钢筋在锈蚀前的原始半径为r0,在温度作用下锈蚀深度为X,膨胀后的半径为r,t为膨胀量,则:

  r-r0=t (1)

  设由膨胀引起的混凝土裂缝长度为lcr,宽度为w,由产生裂缝前后状态时构件的体积相等导出锈蚀深度X为:

  X=t[1+lcr/(2r0)](2)

  式(2)中,膨胀量t由有限元计算直接得出,lcr从裂缝开展图中得出。

    2数值结果

    2.1加荷阶段
    加载端的荷载-位移曲线。可以看出,当将混凝土视为非线性弹塑性体时,在劈裂破坏后将显示出明显的应变软化。

    2.2锈蚀阶段
    为钢筋在锈蚀状态下混凝土单元的位移,与试验的裂缝开展位置基本吻合。

    2.3锈蚀后的加载阶段
    为了比较箍筋配置的影响,分别情况1和去掉中间一根箍筋情况2两种情况进行分析计算。两种情况下锈蚀深度与最大荷载的关系曲线。可以看出,在锈蚀开始阶段,均有一个较明显的下降趋势,这也是多数试验结果的趋势。最大粘结力均大于锈蚀前的最大值。同时,也可发现两条分析曲线与试验曲线在中间位置较为逼近。

    3结语

  (1)应用本文方法所得的粘结力变化趋势及荷载数值与试验结果接近。

  (2)利用温度膨胀模型模拟钢筋锈蚀对钢筋混凝土粘结力及承载力的影响是有效的和可行的,并避免了采用给钢筋施加均匀内力及变形模拟锈蚀影响的与实际情况偏离的不利影响,是对钢筋混凝土中钢筋锈蚀问题的数值分析方法的补充与完善。

*本研究得到国家留学基金管理委员会资助。

延伸阅读:钢筋 锈蚀 钢筋混凝土
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