锈蚀钢筋混凝土压弯构件非线性有限元分析

1、第37卷第3期2005年9月西安建筑科技大学学报(自然科学版)J1XianUniv.ofArch.&Tech.(NaturalScienceEdition)Vol.37No.3Sep.2005锈蚀钢筋混凝土压弯构件非线性有限元分析孙彬,牛荻涛,王庆霖(西安建筑科技大学土木工程学院,摘要:,以钢,旨在为在役锈损结构的非线性分析奠定基础.,;构件的承载能力和变形能力均;,且小轴压比构件对粘结力退化更为敏感;就锈蚀率而言,构件性能劣化较粘结性能退化有一定的滞后;性能降低幅度也与轴压比有关,小轴压比构件的退化幅度相对较大;对于高轴压比构件,变形能力退化较少,而承载力退化幅度大于变形退化幅度.关

2、键词:锈蚀;钢筋;混凝土;压弯构件;有限元分析中图分类号:TU375文献标识码:A文章编号:100627930(2005)0320326206Non-linearfiniteelementanalysisofcorrodedRSCcompressiveandflexuralmembersSUNBin,NIUDi2tao,WANGQing2lin(SchoolofCivilEng.,XianUniv.ofArch.&Tech.,Xian710055,China)Abstract:Byselectingpropermaterialstress2strainrelationshipandbo

3、nd2slipmodelbetweencorrodedsteelbarandconcrete,finiteelementmodelofcorrodedreinforcedconcretemembersisbuilt.Takingcorrosionrateofsteelbarandaxialcompressionratioasvariables,numericalvalueanalysisismadeoncorrodedreinforcedconcretecompressiveand.Resultsflexuralmembers,whichaimstoprovidebasisfornon2lin

4、earanalysisofexistingcorrosion2damagedstructuresofanalysisindicatethatbothcorrosionrateandaxialcompressionratioaffecttheperformanceofcorrosion2damaged.andwiththeincreasedcorrosionrateofsteelbar,bendingcapacityanddeformationcapacityofmembersmembersdecrease.Thedegradingofbondquickensthedeteriorationof

5、membersbehaviors,andmemberswithlowaxialcompressionratioaremoresensitivetothedegradingofbond.Andintermsofcorrosionrate,deteriorationofmembersbehaviorslagsbehindthedegradingofbond;andthedeteriorationextentofbehaviorsisalsorelatedwithaxialcompressionratio.Theextentofmemberwithlowaxialcompressionratiois

6、high,andformemberswithhighaxialcompressionratio,itsdeformationcapacitydecreasesalittle,whilethedecreaseofbearingcapacityislargerthandeformationcapacity.Keywords:corrosion;steelbar;concrete;compressiveandflexuralmember;finiteelementanalysis目前,研究锈蚀钢筋混凝土构件性能的方法主要有三种:一是通过电化学快速锈蚀模拟实际锈损构件进行承载力试验;二是工程实际构件的

7、承载力试验;三是根据现有锈蚀构件的材料本构模型和粘结滑收稿日期:2004211209基金项目:国家自然科学基金资助项目(50078044);陕西省教育厅专项基金资助项目(00JK241)作者简介:孙彬(19782),男,江苏盐城人,博士研究生,主要从事混凝土结构耐久性和工程结构抗震研究.© 1994-2006 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 第3期孙彬等:锈蚀钢筋混凝土压弯构件非线性有限元分析327移退化模型,采用有限元方法进行数值分析.第一种方法的优点是通过较短的试验周

8、期可以在一定程度上模拟工程中的实际构件,缺点是钢筋锈蚀率难以控制,坑蚀较为严重,锈蚀状况与实际情况往往差别较大;第二种方法能够真实反映构件锈蚀损伤的实际情况,试验结果具有较强的说服力,但受各种条件限制难以找到合适的构件,拆卸工作费时费力,而且在拆卸过程中难以避免的会造成一定程度的碰撞损伤;第三种方法可以弥补上述两种方法的部分不足,分析结果的离散性较小,而且无需太大的成本即可以进行大量数值模拟,但分析结果的正确性取决于所选材料本构模型和粘结滑移模型的可靠性.对有限元分析结果进行必要的验证,在验证吻合的前提下,将是一种较为合理可行的研究方法,而且可以获得一些试验中难以获得的信息,从而对锈蚀混凝土结

9、构的性能劣化有一个全面的认识轴压比是影响压弯构件受力性能的一个重要因素,逐渐过渡到延性较差的小偏压破坏,钢筋锈蚀导致压弯柱的承载力降低、1,采用大型商业有限元软件,研究在不同轴压比下,为在役损伤结.1材料本构关系1.1锈蚀钢筋本构模型众多的试验研究表明,锈蚀使钢筋的名义屈服强度或实际屈服强度降低,其中,名义强度的降低主要是由于截面面积的减小和应力集中所致,而实际强度的降低仅是由应力集中引起的.国外的部分文献还报道,锈蚀并不降低钢筋的实际强度3.事实上,如果钢筋的材性没有发生变化,钢材本身的屈服应力是不变的,那么,如果是均匀锈蚀,钢筋的实际强度不会降低;钢筋的屈服强度之所以降低,是因为试验结果是

10、根据屈服荷载与钢筋的实测截面面积计算得到的,是一个平均应力,由于锈坑处的应力集中,再加上截面损失的不均匀性导致截面的实测值离散较大,从而使计算出的平均屈服应力降低.如果有限元模型中建立的是钢筋实体模型,那么就可以不考虑锈蚀使钢筋强度降低,而直接采用原钢材的应力应变关系;如果建立的是杆单元,采用的是平均应力,则应考虑锈蚀使钢筋强度的降低.本文采用的是杆单元,钢筋屈服拉力采用文献4提出的退化模型,本构模型仍选用理想弹塑性,暂且不考虑锈蚀率过大时钢筋无屈服台阶的情况.锈蚀钢筋实际屈服强度取值如下:(1)fyc=fy0(1-)式中:fy0和fyc分别为钢筋锈蚀前和锈蚀后的实际屈服强度(MPa);为钢筋

11、锈蚀截面损失率(%).1.2混凝土本构模型及其破坏准则实际上,混凝土碳化后其材性也发生了变化,考虑到实际碳化深度与构件截面尺寸相比仅占很小比例,本文仍采用现有的未考虑碳化的本构关系.现有的本构关系都是基于不同的理论假设,如非线性弹性理论、弹塑性理论、内时理论、粘弹性理论等等,其中,以非线性弹性理论和弹塑性理论在有限元分析中使用较多.考虑强化的弹塑性理论能够较好的反映混凝土的受力性能,但是,采用该模型的有限元分析结果受加载步的影响较大,同一荷载步,子步数越少构件承载能力越高;而非线性弹性理论模型却不受子步数的影响,适合于单调加载下的结构性能分析.本文拟采用非线性弹性理论的本构关系.现有的混凝土受

12、压应力2应变曲线中,以简单、实用的Saenz模型和Kent2Park模型应用较多.5Saenz模型适用于不考虑混凝土软化的上升段,而Kent2Park模型适用于对混凝土构件进行全过程分析,且能够考虑箍筋对混凝土的约束作用,因此,本文选用Kent2Park的应力2应变曲线,即:2f󰃗󰃗c2(0)-(0)(0)(2)-c1-Z(0)(0<20c)=f0.2fcSh© 1994-2006 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 其中:Z=;50u=

13、50h=s.002145.14f450u+50h-0c-1000328西安建筑科技大学学报(自然科学版)第37卷2式中:f.8fcu;b为被约束混凝土的宽度(mm);c为混凝土圆柱体轴心抗压强度(N󰃗c=0smm),取f为箍筋面积与被约束混凝土的面积比;Sh为封闭箍筋的间距(mm).采用William2Warnke五参数破坏准则,通过定义混凝土的极限受拉强度和受压强度确定混凝土在多轴应力状态下的破坏准则.1.3锈蚀钢筋与混凝土之间的局部粘结滑移模型锈蚀引起的粘结性能退化使钢筋在较小的应力下便产生较大的滑移量,钢筋与混凝土的协同工作性能降低,结构破坏时受拉钢筋往往达不到屈服.文献

14、6通过对现有研究成果的分析,提出一种用于有限元分析的锈蚀钢筋与混凝土的局部粘结滑移模型:234c=(61.5S-693S+3140S)ft,(3)其中:为锈蚀导致的粘结强度降低系数,(4)式中:c(N);S为滑移量(mm);ft,s为混凝土的劈裂抗拉强度(N󰃗20.75mm),取ft,s=0.19fcu;c为保护层厚度(mm);d为钢筋直径(mm);为钢筋锈蚀截面损失率(%).-=1+0.0.2+0.3.47%2有限元模型ANSYS提供了可用于混凝土结构分析的所有单元,运用该软件进行混凝土结构分析的可实现性已被众多学者所证实6,7,本文采用该软件建立分离式的有限元模型进行锈蚀钢

15、筋混凝土压弯柱非线性分析.2.1钢筋单元针对混凝土中钢筋的实际受力特点,采用三维杆单元Link8,每个单元有两个节点,每个节点在空间坐标上有沿x、.y和z方向的三个位移自由度,单元可承受单向拉伸和压缩2.2混凝土单元ANSYS提供了一种专门用于混凝土分析的八节点实体单元Solid65,该单元既可用于建立整体式的有限元模型,也可用于建立分离式的有限元模型,能够模拟混凝土的开裂与压碎.2.3钢筋与混凝土之间的粘结单元粘结单元采用非线性弹簧单元Combine39,每个纵筋节点处设置三个长度为零、具有不同刚度、互相垂直的非线性弹簧.垂直于钢筋的弹簧刚度取一个大数,即不考虑在垂直方向的滑移;平行于钢筋的

16、弹簧刚度是根据锈蚀钢筋与混凝土的局部粘结滑移关系,再考虑钢筋单元的表面积来确定.2.4有限元模型验证根据上述所选的材料本构和单元类型,本文对文献2中的试件建立有限元模型进行分析,极限承载力分析结果与试验值的对比如表1所示,可见,数值分析结果与试验基本吻合,表明本文所选用的本构关系和单元类型适用于锈蚀钢筋混凝土构件的性能分析.表1数值分析与试验结果的对比情况Tab.1Comparisonofnumericalanalysiswithexperimentalresults试验值󰃗kN数值分析󰃗kN分析值󰃗试验值382378.10.990396370.

17、50.936338345.31.022378369.60.97810801054.10.97610701009.80.94410181037.11.0193锈蚀钢筋混凝土压弯构件性能分析本次分析的实体模型取自于考虑不同轴压比的锈蚀压弯柱抗震性能试验8,试件参数见图1,试验2中通过控制仅使主筋锈蚀,混凝土标准立方体抗压强度31.1N󰃗mm,锈蚀前钢筋屈服强度415.6N󰃗20.8.试件编号规则为CFC××××,其mm.有限元分析的锈蚀率范围取0%40%,轴压比取0.2© 1994-2006 China Academ

18、ic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 第3期孙彬等:锈蚀钢筋混凝土压弯构件非线性有限元分析329中:CFC表示压弯柱,前两个××表示轴压比,后两个××表示锈蚀率,例如:试件CFC0210表示轴压比0.2钢筋截面损失率10%的压弯柱.有限元分析模型如图2所示.加载方式:先在柱顶施加预设的轴压力,然后在距柱跟1000mm处的柱侧面施加水平推力.为了获得荷载2位移曲线的下降段,水平力采用位移控制加载.图1试件参数Fig.1Parametersofspecimen(a)混凝土单元

19、(b)钢筋单元(c)粘结单元图2锈蚀钢筋凝土柱有限模型Fig.2FiniteelementmodelofcorrodedR.C.column3.1轴压比对完好构件承载力的影响完好构件在不同轴压比下的荷载2位移曲线如图3所示,从图中可以看出,当轴压比较小时,轴压力的存在减小了弯曲引起的拉应力而提高了构件的抗弯承载力,水平承载力随轴压比的增加而提高;当轴压比达到0.4后,构件逐渐过渡到全截面受压状态,轴压力的增加会使构件提前达到受压破坏,水平承载力随轴压比的增加开始降低;随着轴压力增加,构件从延性较好的大偏压破坏逐渐过渡为全截面受压的小偏压破坏,构件的变形能力随轴压比的增加不断降低,延性也逐渐变差

20、.3.2钢筋锈蚀对构件性能的影响同一轴压比不同锈蚀率下的典型荷载2位移曲线如图4所示,从图中可以看出,混凝土受荷开裂前,锈蚀对构件的性能几乎没有影响;一旦混凝土开裂后,随钢筋锈蚀率的增加,压弯构件的承载能力降低、刚度退化、延性变差.该图可直观地反映出钢筋锈蚀导致构件的性能劣化.图3完好构件的荷载2位移曲线Fig.3Load2deflectioncurvesofuncorrodedmembers图4不同锈蚀率下的荷载2位移曲线Fig.4Load2deflectioncurvesofmembersatdifferentcorrosionrate3.3粘结力退化对构件性能的影响钢筋锈蚀导致构件性能劣

21、化主要通过三个方面:一是钢筋截面面积削弱;二是不均匀锈蚀引起钢筋的强度降低;三是钢筋与混凝土间的粘结性能退化.图5、图6给出了构件性能劣化在考虑粘结退化和不考虑粘结退化时的对比结果.由图可见,若不考虑粘结力退化,性能劣化与钢筋锈蚀率近似成线性关系;而考虑粘结力退化后,则表现出明显的非线性关系,说明粘结力退化加剧了构件性能劣化;且小轴压比构件表现出的非线性关系更为明显,表明小轴压比构件对粘结力退化更为敏感;当锈蚀率达到一定数© 1994-2006 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserve

22、d. 330西安建筑科技大学学报(自然科学版)第37卷值后,由于粘结力已完全丧失,性能劣化与锈蚀率又逐渐成线性关系.值得注意的是,公式(3)中锈蚀率3%时的粘结力相当于无锈钢筋的粘结力,锈蚀率从3%发展到8%,粘结强度迅速降低,而构件性能劣化幅度较大的区域却在锈蚀率5%20%之间,可见,构件性能劣化较粘结力退化有一定的滞后.从文献6的研究结果也可以看出,锈蚀构件的混凝土与钢筋应变比在锈蚀率5%20%之间变化幅度较大,即在此锈蚀率范围内钢筋与混凝土的协同工作性能迅速降低.所以,本文认为其滞后的原因是,虽然粘结力在锈蚀率3%8%之间迅速降低,而钢筋混凝土构件是由钢筋和混凝土两种材料共同组成的组合体

23、,材料各自的强度以及之间的粘结力都对构件的整体性能作贡献,.图5粘结力退化对位移性能的影响Fig.5Influenceofbonddegradingondisplacementcapacity图6粘结力退化对承载能力的影响Fig.6Influenceofbonddegradingonloadingcapacity图7屈服位移与钢筋锈蚀率的关系Fig.7Relationshipbetweenyielddriftsandcorrosionrates图8屈服剪力与钢筋锈蚀率的关系Fig.8Relationshipbetweenyieldshearandcorrosionrates3.4骨架曲线控制点

24、坐标随钢筋锈蚀率的退化规律单调加载下压弯柱的骨架曲线是进行在役锈损结构非线性分析的基础,确定骨架曲线的关键是确定控制点的坐标,即屈服剪力、屈服位移、极限剪力以及极限位移(对应于极限剪力的位移).本文采用能量等效的原则确定屈服点坐标,各控制点坐标与钢筋锈蚀率的关系见图7图10.由图可以看出:图9极限位移与钢筋锈蚀率的关系Fig.9Relationshipbetweenultimatedriftsandcorrosionrates图10极限剪力与钢筋锈蚀率的关系Fig.10Relationshipbetweenultimateshearandcorrosionrates© 1994-20

25、06 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 第3期孙彬等:锈蚀钢筋混凝土压弯构件非线性有限元分析331(1)屈服位移.同一轴压比下,屈服位移随钢筋锈蚀率的增大而不断减小,降低幅度较大的区域主要集中在锈蚀率5%20%之间,具体范围与轴压比有关;轴压比在0.20.3之间时,随轴压比增加,降低幅度不断增大;轴压比在0.40.8之间时,随轴压比增加,降低幅度不断减小;轴压比在0.40.8之间,锈蚀率在15%40%之间时,相同锈蚀率下各构件的屈服位移较为接近,表明此时由于粘结力丧失屈服位移受轴压比

26、影响较小.(2)屈服剪力.同一轴压比下,屈服剪力随钢筋锈蚀率的增大而不断降低;轴压比在0.20.3之间时,随轴压比增加,降低幅度略有增大;轴压比在0.40.8之间时,随轴压比增大,降低幅度不断减小;当轴压比为0.8时,随锈蚀率增加,表现出线性下降趋势,削弱和钢筋强度降低控制,且与变形相比,(3)极限位移.限位移相差较大,.(4).不同之处在于,当锈蚀率较小时,各构件之间(10%40%),相同锈蚀率下,轴压比0.20.6各构件之间的,也表明此时极限剪力受轴压比影响较小.4结论由于试验研究结果的离散性较大,后期分析存在种种不便,为了有效地避免试验研究的多种不足,本文取轴压比和钢筋锈蚀率这两个因素为变量,建立锈蚀钢筋混凝土压弯柱的ANSYS有限元模型进行数值分析,通过分析,得出如下结论:(1)小轴压比构件对粘结力退化更为敏感,导致小轴压比构件性能劣化与锈蚀率之间的非线性关系更明显;