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分类号:U44；U4510710-2012121084硕士学位论文腐蚀RC受弯构件受力性能研究陶甫先导师姓名职称邬晓光教授申请学位类别硕士学科专业名称桥梁与隧道工程论文提交日期2015年4月15日论文答辩日期2015年5月30日学位授予单位长安大学 StudyontheMechanicalPerformanceofCorrodedReinforcedConcreteFlexuralMemberAThesisSubmittedfortheDegreeofMasterCandidate：TaoFuxianSupervisor：Prof.WuXiaoguangChang’anUniversity,Xi’an,China 摘要钢筋混凝土结构自面世以来，就在工程界倍受青睐。历经百余年的发展，其在港口、水利、建筑、桥梁等基础设施领域，俨然已成为当之无愧的主角。然而，随着时间的推移，RC结构普遍存在的耐久性问题也愈显严峻。如今，钢筋混凝土耐久性问题的研究开始得到越来越多的研究人员和工程师们的关注，成为了土木工程领域的研究热点。腐蚀RC受弯构件受力性能的研究，是对在役RC桥梁甚至其他RC结构进行耐久性评估及承载力评定的基础，具有重要意义。本文依托福建省交通厅重点科技项目——“福建海域混凝土桥梁耐久性评估及建养防腐关键技术研究”，围绕“腐蚀RC受弯构件的受力性能的变化规律”这个中心展开研究。本文对混凝土耐久性研究相关领域的优秀成果进行深入研究和探讨，总结了混凝土及钢筋的腐蚀机理和退化规律，并得出了一些自己的观点。而且分析了钢筋在不同锈蚀情况时的钢筋和混凝土之间粘结滑移关系，提出了一个带肋钢筋锈蚀后的粘结强度折减计算式。详细阐述了混凝土、钢筋及考虑钢筋锈蚀后的二者之间粘结滑移关系的本构模型的建立过程。在以上理论分析的基础上，引用文献中的试验，建立了有限元仿真模型，并利用试验结果验证了模型的有效性。然后，考虑钢筋和混凝土之间粘结滑移关系退化的影响，对一系列不同锈蚀率下的多组RC受弯构件进行有限元仿真分析，深入具体地研究腐蚀RC受弯构件的受力性能及承载能力随钢筋锈蚀率的变化规律，并总结了在计算过程中得到的经验。论文为后续的RC结构或构件的耐久性研究提供参考。关键词：腐蚀，RC受弯构件，粘结性能，有限元分析，受力性能I AbstractReinforcedconcretematerialssinceitslaunch,hasreceivedgreatattentionintheengineeringfield.Afterhundredyearsofdevelopment,thereinforcedconcretestructurehasbecomethemainstreamoftheabsoluteinport,waterconservancy,construction,bridgesandotherinfrastructure.However,astimegoeson,thedurabilityofthereinforcedconcreteisubiquitousandhasbecomemoreandmoresevere.Inviewofthissituation,thedurabilityofthereinforcedconcreteresearchisgettingmoreandmoretheattentionoftheresearchersandengineers,andbecomingahotresearchtopicinthefieldofengineering.Thestudyonthemechanicalperformanceandbearingcapacityofcorrodedreinforcedconcreteflexuralmembersisthefoundationofthedurabilityassessmentandbearingcapacityevaluationofbridgesandotherconstructionsinservice,anditisofgreatsignificance.BasedonthekeyprojectofFujian’sdepartmentoftransportation,theresearchcenteredonthechangeruleofmechanicsperformanceandbearingcapacityofcorrodedreinforcedconcreteflexuralmemberwasconducted.Firstly,thispaperdeeplyresearchedplentyofoutstandingachievementsinthefieldofconcretedurabilityandsummarizedthecorrosionlawandtheruleofdegradationofconcreteandrebarandthenitcametoitsownpointofview.Then,onthisbasis,thebond-sliprelationshipbetweenrebarandconcreteinthecaseofdifferentcorrosionratewasstudiedandtheformulaofthisrelationshipwasestablished.Secondly,thepaperelaboratedthebuildingupoftheconstitutionallawmodelsoferodedsteel,concreteandthebond-sliprelationshipbetweenthetwoandlaidafoundationforlaterfiniteelementsimulationanalysis.Finally,consideringthedeteriorationofbond-sliprelationshipbetweenrebarandconcrete,thefiniteelementsimulationanalysisonseveralgroupsofcorrodedreinforcedconcreteflexuralmemberswith“ANSYS”wasconductedrefertoatest.Thenwiththeresultsoffiniteelementsimulationanalysis,theresearchstudiedthechangerulesofmechanicalperformanceandbearingcapacityofcorrodedreinforcedconcreteflexuralmembersandsummarizedtheexperiencesintheII processofcalculationinordertoprovideareferenceforsimilarresearchinthisfield.Keywords:Corrosion,Reinforcedconcreteflexuralmember,Bond-sliprelationship,Finiteelementanalysis,MechanicalperformanceIII 目录第一章绪论....................................................................................11.1研究背景及意义.........................................................................................11.2受腐蚀RC构件研究现状..........................................................................21.2.1材料层面的研究现状..........................................................................31.2.2构件层面的研究现状..........................................................................61.3本文研究的主要内容.................................................................................8第二章混凝土及钢筋的材料性能退化研究................................92.1混凝土的腐蚀退化.....................................................................................92.1.1混凝土碳化的影响..............................................................................92.1.2盐类腐蚀的影响................................................................................122.1.3干湿交替的影响................................................................................132.2钢筋的腐蚀退化.......................................................................................152.2.1钢筋锈蚀影响因素............................................................................152.2.2钢筋力学性能退化............................................................................162.3本章小结...................................................................................................18第三章腐蚀钢筋混凝土粘结性能退化研究..............................203.1粘结性能影响因素...................................................................................203.2钢筋锈蚀对粘结性能的影响...................................................................213.2.1光圆钢筋与混凝土之间粘结性能的退化........................................213.2.2带肋钢筋与混凝土粘结性能的退化................................................223.3钢筋锈蚀后的粘结滑移关系...................................................................223.3.1粘结滑移关系....................................................................................223.3.2钢筋锈蚀对粘结滑移关系的影响....................................................253.4本章小结...................................................................................................27第四章腐蚀RC构件有限元分析方法......................................284.1有限元模型的选择...................................................................................284.2腐蚀钢筋混凝土的本构模型...................................................................294.2.1锈蚀钢筋的本构模型........................................................................29IV 4.2.2混凝土的本构模型...........................................................................314.2.3锈蚀钢筋与混凝土的粘结滑移本构模型.......................................334.3单元的选择...............................................................................................344.3.1钢筋单元...........................................................................................344.3.2混凝土单元.......................................................................................344.3.3粘结单元...........................................................................................354.4有限元计算的收敛问题...........................................................................364.5本章小结...................................................................................................38第五章腐蚀RC受弯构件受力性能变化规律研究..................395.1RC受弯构件有限元模型的建立.............................................................395.1.1室内试验...........................................................................................395.1.2有限元模型.......................................................................................395.1.3模型验证...........................................................................................405.2腐蚀RC受弯构件受力过程分析...........................................................435.2.1荷载——跨中挠度曲线...................................................................435.2.2混凝土应力及裂缝发展情况...........................................................445.2.3钢筋拉应力—挠度曲线...................................................................575.3腐蚀RC受弯构件极限状态分析...........................................................595.3.1极限荷载及极限挠度随锈蚀率的退化...........................................595.3.2极限状态下钢筋应力.......................................................................605.4本章小结...................................................................................................62结论与展望......................................................................................63结论.................................................................................................................63展望.................................................................................................................64参考文献..........................................................................................66攻读学位期间取得的研究成果......................................................71致谢..................................................................................................72V 第一章绪论第一章绪论1.1研究背景及意义[1]1872年，在美国纽约，世界上第一座钢筋混凝土建筑出现在人们视野里。从此，人类建筑史迎来了一位重要的新角色。钢筋混凝土材料，结合了钢筋和混凝土两种材料的优点，且便于就地取材、造价低廉、施工方便，且钢筋包裹于混凝土内部而免受外界环境的直接腐蚀，所以，一经面世，便在工程界得到了广泛的应用，成为了世界上各类建筑中使用最多的材料。然而，由于在使用初期，人们对于钢筋混凝土的认识还不够充分，容易高估了其抗腐蚀的能力，导致对钢筋混凝土耐久性方面的研究比较匮乏。随着时间的推移，发现有相当数量的钢筋混凝土桥梁很早就因各种各样的耐久性问题而停止服役，造成了巨大的经济损失。根据美国1978年的一份报告，美国的约25万座混凝土桥梁的一些桥面板，在仅[2]仅使用不到二十年就出现了不同程度的损坏。世界强国每年因为各类腐蚀造成的损[3]失相当巨大，1985年，美国因腐蚀造成的经济损失约有1700亿美元，到了1995年[4]甚至达到了3000亿美元。1991年美国的一项报告指出，全国的混凝土的基建工程[5]总价为6万亿美元，而每年将投资300亿美元用于处理钢筋混凝土结构的腐蚀问题。[6]岛国日本，甚至每年投资约40亿日元用于钢筋混凝土结构房屋的维修。南非于1981年花费了约2700万英镑用来重修桥梁、水坝等钢筋混凝土结构的基础设施。据英国1989年的一份报告，英格兰和威尔士约有一多半的RC桥梁因氯离子的侵蚀而需要维[7]修，且需花费原造价的约两倍之多。前苏联的报告也显示，因为钢筋锈蚀导致的损坏的厂房数量也不少，甚至部分结构在服役十年前后就发生了严重的损伤，且维修费[8]用也已超过原造价。澳大利亚在1999年因钢筋混凝土造成的损失也达到约100亿美[9]元。近几十年来，我国的钢筋混凝土桥梁在轰轰烈烈的建设中，也出现了诸多因钢筋锈蚀等腐蚀而导致结构破坏和失效的现象。其中，损害尤为严重的是海洋工程、北方受冻融循环以及除冰盐影响的路桥工程等。1981年交通部对华南地区的18座码头调查后发现，大部分码头因钢筋锈蚀发生了严重的破坏，其中有些码头竟然投入使用不1 长安大学硕士学位论文[10]到10年。北方在冬季惯用除冰盐对路面进行除冰，从而导致很多桥梁在投入使用数年后便出现严重的钢筋锈蚀现象。比较有代表性的，是北京最早建成的西直门立交[11]桥，服役时间不到20年，就由于钢筋锈蚀严重而拆除重建。这样的案例，不胜枚举。据2006年世界公路桥梁协会提供的数据，美国57万余座桥梁中，有将近24万座[12]桥梁存在耐久性方面的缺陷。根据我国的第二次全国公路普查报告，截止到2000年底，我国在役公路桥梁总数为27.88万座，其中危桥为9597座，占总数约1/30之[13]多。大量事实证明，钢筋混凝土结构在寿命期内甚至寿命前期就出现的耐久性不足，己经成为目前桥梁结构面临的一个严峻问题。而在我国基础建设的大浪潮之中，尤其是沿海地区的交通建设以及全国范围内的高速铁路建设，混凝土桥梁仍占很大比重。美国的学者就曾用“五倍定律”非常贴切地描述了在建设初期对混凝土结构进行耐久性防护的重要性，即：建造时，若在耐久性防护方面少投入1美元；当发现钢筋锈蚀时，就要花费5美元来弥补；当混凝土沿锈蚀钢筋开裂时，更要再需花费25美元；[14]若结构因严重腐蚀而破坏时，则要花费125美元之多。显然，在建设初期做好耐久性防护，不但可以保证结构在寿命期内的正常使用，而且将节省巨大的后期维护等费用。因此，钢筋混凝土结构耐久性问题，是关系到国民经济的重大问题，需要我们不断地深入探索和研究。腐蚀钢筋混凝土构件的受力性能变化规律的研究，是进行结构耐久性评估的前提，是钢筋混凝土结构耐久性课题的重要一步。它对在役的钢筋混凝土桥梁结构，甚至是其他领域的钢筋混凝土结构的承载力评定及其剩余寿命的预测，都起到至关重要的作用，是耐久性课题研究的重要一环。1.2受腐蚀RC构件研究现状对于腐蚀后RC构件力学性能及承载力的变化，国内外学者主要从钢筋和混凝土材料方面入手，然后综合考虑其性能的退化，或再考虑二者之间粘结性能的退化，采用构件试验或有限元软件仿真模拟，或对腐蚀后的RC构件承载力的数值计算方法提出改进等手段，对腐蚀后的RC构件的力学性能变化规律进行研究。2 第一章绪论1.2.1材料层面的研究现状1、钢筋锈蚀铁属于活性金属，在有氧气的环境下很容易失去电子而氧化，使钢筋发生锈蚀现象。但对于RC结构，未经腐蚀的混凝土的强碱性（一般情况PH值大于12.5）环境会[15]使其内部钢筋的表面存在一层致密且牢固的钝化膜，使内部钢筋与腐蚀介质隔离，有效地保护钢筋使其表面没有活性铁，阻止了铁的氧化，便使钢筋免于锈蚀。但是，RC结构在其服役过程中，会不可避免地接触到环境中的各种腐蚀介质而发生不同程度的腐蚀。比如大气环境中大量的二氧化碳，可以轻易地通过混凝土的孔隙或裂缝，不断地向其内部扩散、渗透，并且与内部水泥胶体中的氢氧化钙等碱性物质发生一系列的化学反应，导致混凝土的碱性环境逐渐被中性化甚至是酸性化，导致酸碱度降低，混凝土对钢筋钝化膜的保护作用逐渐消失。有关研究表明，当PH值小于[16]9.5时，钝化膜对其内部钢筋便失去了保护作用，使钢筋直接接触腐蚀介质，极易发生锈蚀。而且外界空气通过混凝土的孔隙仍不断地向混凝土内部扩散，钢筋锈蚀情况逐渐加重，锈蚀产物不断地积累，导致混凝土内部的膨胀应力也不断增加，最终，混凝土因其内部的膨胀应力过大且超过其抗拉强度而导致开裂。混凝土开裂后，外界的腐蚀介质，可以顺利地通过混凝土的裂缝，更容易进入到混凝土内部，直至抵达钢筋表面，这样便导致混凝土碳化及钢筋腐蚀情况更加严重。另外，氯离子因其体积小、活性强的优势，很容易通过混凝土的孔隙及裂缝进入[17]到混凝土内部，而且其容易吸附在钢筋钝化膜表面有缺陷的地方甚至是穿透钝化膜，并通过化学反应使钢筋钝化膜发生局部溶解，最后在缺陷区域使钢筋表层形成“锈坑”。另外，当钢筋表面附近的游离氯离子达到一定浓度时，也会对钝化膜造成损害，从而诱发钢筋锈蚀。故氯离子也是导致钢筋发生锈蚀的重要原因。国内外学者们在锈蚀钢筋的力学性能方面已经做了大量的试验研究及理论分析，诸多成果显示，钢筋发生锈蚀之后的材料性能变化，集中体现在屈服强度、弹性模量、[18]极限强度和延性等几个方面。但是，试验的方法、性质、条件，以及该课题本身的复杂性等诸多不确定因素，导致了不同学者研究的成果及得出的结论相差甚远，甚至有些结果相互对立。综合众学者们的研究成果，认为主要有以下两类观点：第一类观点认为，钢筋锈蚀仅造成钢筋截面面积的损失，而实际的屈服强度和极3 长安大学硕士学位论文限强度，则不会因局部锈坑部位的应力集中而降低。但同时认为，其极限延伸率会因锈蚀而减小，也就是钢筋延性减弱。国内外一些早期的研究人员，国内如孙维章、梁[19][20]宋湘、罗建群等人，国外如Maslehuddin等人，是持这种观点的。Maslehuddin通过对一批经暴露试验后的钢筋进行力学试验之后认为，钢筋的锈蚀对其强度方面的影响很小。其二，认为在锈蚀初期，钢筋锈蚀是比较均匀的，并没有出现锈坑现象，钢筋的实际强度受到的影响并不大；然而，随着锈蚀率的逐步增加，钢筋的锈蚀表现出局部集中的现象。尤其是当不均匀性严重时形成的锈坑，会改变钢筋的材料性能，导致钢筋的实际屈服强度、实际极限强度及延伸率等重要性能指标均会降低。后期的研究人[21]员均持这种观点，如国外的AbdullahA.Almusallam，其通过对混凝土内部的钢筋加速锈蚀试验进行研究，认为钢筋的强度及延性均会受到其局部锈蚀的影响而降低。国[22][23][24][25][26][27]内如张伟平、惠云玲、袁迎曙、王军强、沈德建、吴胜兴、范颖芳等学者，以及西安建筑科技大学和冶金建筑研究院等研究机构，均认为：当钢筋发生局部坑状锈蚀时，其材料性能会发生明显的退化；而当锈蚀率很小且为均匀锈蚀时，对[28]钢筋材料性能的影响并不大。国内于2007年出版的《混凝土结构耐久性评定标准》便采用了上述观点。2、混凝土劣化1）碳化大气中CO2进入到混凝土内部，并与其内部的碱性物质发生一系列化学反应，生[29]成碳酸盐和水等中性物质，使混凝土内部环境酸碱度减小的现象，称为混凝土碳化。其化学反应式为：Ca(OH)2+CO2→CaCO3+H2O。此外还有水化硅酸钙(CaO·xSiO2·yH2O)、未发生水化的硅酸三钙（3CaO·SiO2）和硅酸二钙（2CaO·SiO2），也能参与碳化反应，其化学反应为：3CaO·2SiO2·3H2O+3CO2→3CaCO3·2SiO2·3H2O3CaO·SiO2+3CO2+γH2O→3CaCO3+SiO2·γH2O2CaO·SiO2+2CO2+γH2O→2CaCO3+SiO2·γH2O混凝土在浇筑后发生的一系列水化反应而生成的碱性物质，使孔隙液呈碱性，其4 第一章绪论碱性环境有利于钢筋表面产生钝化膜，能抑制钢筋的锈蚀。钝化膜能隔离腐蚀介质，阻碍钢筋发生锈蚀。然而，混凝土发生碳化后，其内部的碱性物质经化学反应而转换为中性物质，反应结束后，使混凝土的酸碱度降低。当碳化深度已大于混凝土保护层厚度时，钢筋将处于严重的腐蚀环境下，钝化膜发生化学反应而逐渐消失，混凝土对钢筋的保护作用减弱。2）盐类的影响盐类对混凝土的腐蚀，从机理来看，主要是溶出性腐蚀、分解性腐蚀和膨胀性腐蚀三种情况。溶出性腐蚀，是指液体环境中的某些物质与混凝土中的组成部分发生化学反应，而后生成易溶于水的物质而随液体溶解流失的腐蚀现象。而且，水对混凝土的长期冲刷，会将混凝土中的氢氧化钙等易溶于水的成分溶解并带走，一些晶体也会分解成易溶于水的物质而流失，造成混凝土的密实性降低，变得更加疏松。分解性腐蚀，指混凝土中的物质与液体腐蚀环境中的一些物质发生化学反应后，其生成物不具备水泥胶体成分的胶凝性。这些生成物或是溶解于水，或是以非晶体形式聚集，那么混凝土的内部就会被逐渐侵蚀，胶凝材料被逐步瓦解，直到混凝土被完全破坏。生成物如果属于易溶的物质，就会溶于水而流失，使内部碱性物质减少，酸碱度逐渐降低，此即溶出性侵蚀；如果是难溶于水的，就会在发生反应的地方停留，逐渐堆积，从而抑制腐蚀反应的发生。混凝土的腐蚀破坏速度与生成物的可溶性息息相关，若生成物的可溶性越强，则其被侵蚀性溶液或周围环境中的水带走的数量越多，混凝土被破坏的速度就越快。。碳酸侵蚀是是典型的综合性侵蚀，一般认为其包含分解性侵蚀和溶出性侵蚀两类。碳酸与混凝土发生化学反应如下：CO2+H2O→H2CO3Ca(OH)2+CO2→CaCO3+H2OCaCO3+H2CO3→Ca(HCO3)2显然，由于生成物是易溶于水的，这便会促使反应继续进行，使混凝土中的碳酸钙和碳酸氢钙的浓度逐渐降低，即发生溶出性腐蚀。膨胀性腐蚀，是指环境中的腐蚀介质与混凝土中的一些物质发生一系列复杂的物5 长安大学硕士学位论文理化学变化后，因生成物的体积大于反应物的体积而且难溶于水，导致腐蚀产物堆积膨胀，导致混凝土内部的膨胀应力过大而使外层混凝土开裂的腐蚀破坏过程。腐蚀产物在混凝土内部空隙堆积膨胀是一个逐步积累的过程，在腐蚀初期，由于生成的产物较少，其填充了混凝土的孔隙且不至于引起过大的膨胀应力而导致混凝土开裂，破坏混凝土内部微观结构，直至发展成为微裂缝甚至是混凝土表面开裂，混凝土因此不再密实，强度降低。氯盐和硫酸盐引起的腐蚀，就属于膨胀性腐蚀。其中，氯盐既可能来自于外界环境中的海水、海风、海雾，或冬季撒的除冰盐，也有可能来自于施工过程使用的海砂、早强剂、防冻剂等配料或添加剂，它可以和混凝土中的氢氧化钙或铝酸三钙等发生化学反应，生成易溶的氯化钙和带有大量结晶水、体积很大的固体生成物，随着反应产物逐渐堆积，最终导致混凝土因膨胀应力过大而破坏，其反应式如下：－－2Cl+Ca(OH)2→CaCl2+2(OH)－2Ca(OH)2+2Cl+(n-1)H2O→CaO·CaCl2·nH2O2CaCl2+3CaO·Al2O3·6H2O·25H2O→3CaO·Al2O3·CaCl2·31H2O必须指出，只有游离态的氯离子，才能够引起上述化学反应，而结晶后的氯化物是不可以的。研究者普遍认为硫酸根离子对混凝土的腐蚀会造成混凝土膨胀性破坏，但是关于此方面的试验研究，由于耗时较长，且影响因素复杂，试验结果离散型大。直到近些[30]年，范颖芳采用既有结构钻芯取样的方法进行试验，其结果表明，混凝土强度因其[31]腐蚀程度的不同，而出现增大或减小的变化。中国矿业大学的梁永宁等人的试验结果表明，混凝土强度会因硫酸盐腐蚀的影响而产生较大的变化。大连理工大学的陈元[32]素，通过用氯离子溶液和硫酸根离子溶液两种溶液对混凝土进行腐蚀试验后认为，二者对混凝土的强度影响是先短暂提高后迅速降低的。1.2.2构件层面的研究现状1、粘结性能退化锈蚀钢筋与混凝土之间粘结性能，是对RC构件进行力学性能研究之前需要解决的基础问题。对此，国内外诸多学者已经在大量试验的基础上获得了丰硕的成果。国外[33][34][35][36]的如Cabrea、KyleStanish、Al-Sulaimani和Auyeung等人，通过拉拔试验或6 第一章绪论梁式粘结试验等，都给出了各自关于粘结强度与钢筋锈蚀率之间的关系。国内如清华[37][38][39]大学的滕志明、同济大学的张伟平、中国矿业大学的袁迎曙、大连理工大学的[40]何世钦等作为国内的代表也得出了自己的结论。然而，由于每位学者的试验条件、理论假设等条件不尽相同，故每个优秀的成果都有各自的特点，很难得出一个统一的普遍适用的成果。大多数观点认为：在钢筋锈蚀初期，钢筋表面因锈蚀而粗糙，且微量锈蚀产物的体积膨胀增加了钢筋所受的围压，对其粘结强度有利。随着钢筋的进一步锈蚀，锈蚀产物逐步增多，过大的膨胀力会导致混凝土保护层开裂，钢筋所受围压得到释放，粘结强度便急剧下降。即二者之间的粘结性能，会随着锈蚀率的增加先有一个短暂的提高，然后再降低。2、受弯构件的受力性能对于受弯构件的研究，主要集中在试验研究方面，也有部分学者使用有限元软件对试验条件下不能达到的情况进行分析。[41]较早期研究，如西安建筑科技大学的王庆霖等、郑州工业大学的黄振国和范颖[42][43][44]芳等，对真实服役多年的RC构件进行了试验研究。惠云玲、袁迎曙等对试验室加速腐蚀后的构件通过三点加载试验，分析了构件受力性能变化。西安建筑科技大[45]学牛荻涛老师，对暴露了十年的RC梁进行了试验研究分析，认为锈蚀率较小（小于5%）时，构件仍符合平截面假定，并提出了在仅考虑受拉区钢筋锈蚀的前提下RC梁[46]抗弯承载力的计算方法。吴谨等人从梁的破坏形态方面，对腐蚀RC梁的破坏机理展开研究了，并且提出了腐蚀后RC构件的承载力的计算方法。[47][48]近年来在有限元计算方面，国外的Tachibana、Lee和Tomosawa等人在试验的基础上结合有限元分析，得到了试验梁锈蚀后的荷载位移曲线。西安建筑科技大学在[49]牛荻涛老师的带领下在该领域取得了丰硕成果，如徐善华老师结合试验结果，进行了有限元仿真分析，得到了RC受弯构件及偏心受压构件的力学性能变化规律及承载力[50]计算方法；张永利博士采用梁式粘结试验方法，研究了多方面因素对二者之间粘结性能的影响，详细阐述了试验梁在加载过程中的受力特征，并通过对不同锈蚀率下RC受弯构件的有限元模拟分析，建立了一种锈蚀后的RC受弯构件的承载力计算方法。7 长安大学硕士学位论文1.3本文研究的主要内容本文利用有限元软件ANSYS，研究受腐蚀后的RC受弯构件受力性能的变化规律，研究的主要内容如下：第二章从RC受弯构件的材料方面出发，总结并深入研究混凝土及钢筋的腐蚀机理和退化规律，并探讨了各理论的适用情况。第三章从钢筋与混凝土之间的粘结性能方面出发，分析对比各粘结滑移关系的公式，研究各因素对粘结性能的影响程度，并且通过试验数据提出了钢筋锈蚀对粘结滑移关系的影响计算式。第四章先简单介绍了建立有限元分析模型所利用的单元，后详细阐述了钢筋、混凝土以及考虑不同锈蚀程度后二者之间的粘结滑移关系这三者本构模型的建立过程，并重点介绍了本文在有限元计算过程中遇到的问题及在其解决过程中总结的经验和看法。第五章考虑因粘结性能变化而导致的二者之间不同的相对滑移关系，引用文献中的试验，对其RC试验梁进行有限元模拟分析，对比不同锈蚀程度下RC受弯构件的受力过程和承载能力的变化，分析了钢筋锈蚀对RC受弯构件的影响。8 第二章混凝土及钢筋的材料性能退化研究第二章混凝土及钢筋的材料性能退化研究梁处于大气环境中，其腐蚀主要是由于混凝土的碳化和钢筋的腐蚀而造成的结构耐久性损失，而对于更严峻的海洋环境，腐蚀性盐分和干湿循环也会引起结构性能的退化。海风、雾气中常会夹杂着大量的盐分颗粒，这些细小的盐粒沉积于结构物表面。当盐粒结合海洋环境中充足的雨水后形成盐溶液，混凝土以强大的毛细作用吸收表面盐溶液，当外层的混凝土饱和后，盐溶液会继续向内部扩散。混凝土表层干燥后，若其内部仍有一定湿度，则盐溶液会因浓度梯度的作用而继续向内部湿润混凝土扩散。当内部混凝土干燥后，内部盐分结合混凝土中的化学物质并以晶体形式析出，部分难溶的晶体会产生较大的体积膨胀而造成较大的内部应力，而可溶的晶则溶于周围环境中的水分逐渐流失，而使混凝土的孔隙率逐渐增加。当混凝土表层继续被盐分覆盖时，又会形成一个新的侵蚀过程。当盐分到达钢筋表面，便开始引起钢筋的锈蚀，其锈蚀产物膨胀将引起外层的混凝土开裂，甚至剥落，使钢筋暴露在空气中，故又促使钢筋锈蚀变得更加容易。RC结构的材料性能，在这样一系列复杂的物理化学变化中逐步退化。2.1混凝土的腐蚀退化混凝土腐蚀机理，是由其微观结构特征决定的。当外界环境中的腐蚀性物质到达混凝土表面，并通过混凝土的孔隙或表面裂缝扩散或渗透到混凝土内部，与混凝土内的物质发生一系列物理化学反应，改变混凝土原有的成分和其微观结构，使胶凝材料与石料的粘结性能减弱，亦或由于内部变得疏松，从微观上减弱了混凝土的受力性能。2.1.1混凝土碳化的影响关于混凝土碳化对其自身材料性能造成的影响，浙江大学黄涛通过试验得出结论：一方面，碳化后使混凝土的孔隙变得更为致密，导致其渗水性减弱，但是其毛细吸水能力增强，使混凝土具有更强的吸水能力；另一方面，碳化之后的混凝土几乎失去了与有害离子的结合能力，这便增加了混凝土孔隙液中那些游离态离子的含量，促进了有害离子继续向混凝土内部扩散，也促进了有害离子与混凝土中碱性物质的化学反应，9 长安大学硕士学位论文最终表现为加剧了氯离子对钢筋的腐蚀作用。在混凝土的力学性能方面，碳化在一定程度上提高混凝土强度的同时也降低了混凝土延性，使其变得更脆，这样会对结构的抗震性能不利。西安建筑科技大学徐善华[51]老师，通过对碳化前后两种情况下，三种不同强度的圆柱体混凝土试件进行单轴受压试验，认为混凝土在碳化后脆性增加，变形能力减弱。其试验结果见表2-1～表2-3。表2-1碳化前后不同强度混凝土试件的峰值应力分组碳化前σ0(MPa)碳化后σc(MPa)变化幅度(%)C2024.333.136.2C3034.142.624.9C4046.151.511.7表2-2碳化前后不同强度混凝土试件的峰值应变-3-3分组碳化前ε0(×10)碳化后εc(×10)变化幅度(%)C202.382.1310.5C302.352.129.8C402.191.9511.0表2-3碳化前后不同强度混凝土试件的极限应变-3-3分组碳化前ε0u(×10)碳化后εcu(×10)变化幅度(%)C203.73.310.8C303.83.118.4C403.72.727.0[52]本文利用文献给出的应力应变关系方程，对上述试验结果进行处理。根据文章建议，考虑水泥标号后，为了简化，C20～C40混凝土可取参数a=2，α根据混凝土强度等级确定，C20及C30取α=0.8，C40取α=2。得到应力应变方程为：22εε①上升段σσ≤时：σσ=⋅−（2.1）00εε00εεσσ>0②下降段时：σσ=⋅（2.2）002εεα−+1εε00根据式（2.1）和式（2.2）简化后的应力应变方程，绘制不同强度下混凝土的混凝10 第二章混凝土及钢筋的材料性能退化研究土试件在碳化前后的应力应变曲线图，如下图2.1～2.3所示。503530402530201520应力10（MPa）C20碳化后应力（MPa）C30碳化后C20碳化前10C30碳化前5000.0000.0010.0020.0030.0040.0000.0010.0020.0030.004应变应变图2.1C20混凝土应力应变曲线图2.2C30混凝土应力应变曲线6050403020应力（MPa）C40碳化后C40碳化前1000.0000.0010.0020.0030.004应变图2.3C40混凝土应力应变曲线根据上组图描述的结果，认为：（1）三组结果均显示极限应变值减小，且碳化后的应力应变曲线变陡，说明混凝土的延性降低。另外，碳化后的极限应变，其减小幅度随着强度的增加而增大。对于三组强度不同的混凝土试件，其极限应变减小了约10%～30%，且强度越大，则受碳化影响越大。（2）碳化后，各组混凝土试件的强度有不同程度的提高。而且，对于C20～C40混凝土，其峰值应力提高幅度约在10%～40%之间，且混凝土等级越低，提高幅度越大。（3）不仅极限应变会因碳化而降低，峰值应变也会因混凝土碳化而降低，但是没有极限应变的变化明显。对于三个强度的混凝土试件，其峰值应变减小幅度均约在10%左右，可以认为峰值应变的变化幅度受强度的影响不大。11 长安大学硕士学位论文根据以上结论，本文提出一个“碳化敏感性”的新概念。混凝土的一些指标对于碳化的敏感性，由于强度的不同，存在一定差别。对于极限应变，强度越高，则其对碳化越敏感；对于峰值应力以及混凝土的强度值来说，则是强度越低，其对碳化越敏感。2.1.2盐类腐蚀的影响[32]大连理工大学的陈元素，使用不同浓度的氯化钠溶液和硫酸钠溶液，对混凝土试件进行腐蚀试验，研究混凝土试件的抗压强度在不同腐蚀介质下随时间的变化规律。其每组试验结果的最大值和最小值与中间值的差值都小于中间值的15%，说明其试验结果不发散，有参考价值。其结果如表2-4和图2.4所示。表2-4NaCl或Na2SO4溶液腐蚀后混凝土的强度时间（d）10%NaCl溶液20%NaCl溶液10%Na2SO4溶液20%Na2SO4溶液047.8847.8847.8847.88552.8249.3648.8248.011052.4452.9750.1149.31550.850.4450.2451.673048.3347.5650.0951.586046.8746.4549.2149.659045.645.248.0146.9315044.4244.1241.4738.61氯54氯硫52硫504846444240混凝土抗压强度（Mpa）38020406080100120140160腐蚀时间（d）图2.4四组介质腐蚀后混凝土抗压强度的变化从结果曲线可以很明显地看出来，在试验过程的前期，混凝土的抗压强度是有所12 第二章混凝土及钢筋的材料性能退化研究增加的，最大可以增加10%左右；之后，混凝土强度便随着腐蚀时间的增加而一直下降，腐蚀时间达到150天时，可以下降10%～20%左右。对比两种溶液下的试件，从强度变化的速度来看，受氯化钠溶液腐蚀的试件，在腐蚀初期可以较快地达到最大强度，约为5～10天；而受硫酸钠溶液腐蚀的试件，其强度增长略慢，约为15天左右时达到最大。之所以出现这种差异，是由于氯离子和硫酸根离子二者对混凝土材料的腐蚀机理不同而造成的。氯离子由于体积小，所以其在混凝土的孔隙中会渗透得较快，且发生反应的速度也较快，化学反应后的生成物便很快就能充满混凝土的孔隙，使混凝土强度能较快达到最大值；而相比氯离子而言，硫酸根离子的体积较大，渗透较慢，且需要较长的反应时间，故使生成物充满混凝土的空隙需要较长的时间。所以，受氯化钠溶液腐蚀的混凝土试件，能较快达到强度最大值。但是，在腐蚀初期，浓度的差异并没有影响到混凝土试件强度的增长速率。这是由于在当前浓度下，决定混凝土腐蚀速度的是接触到腐蚀介质的混凝土中那些活性反应物的数量。故在腐蚀初期，虽各组试件所处溶液的浓度不同，但仍会几乎同时达到其强度的最大值。然而，对于Na2SO4溶液而言，浓度越大其达到的最大强度越大，说明混凝土中有充足的活性物质参与反应，此时，决定了生成物数量的是溶液中硫酸根离子的数量。而且，生成物越多，体积膨胀效果越明显，造成混凝土膨胀力越大，导致了腐蚀后期对应浓度大的混凝土，强度下降越明显。对于NaCl溶液的腐蚀，当腐蚀时间达到90天时，强度下降速度已经降到0.02MPa/d的速度，且纵观整个强度变化过程，有继续变缓的趋势。对于Na2SO4溶液的腐蚀，当混凝土试件达到最大强度之后，强度降低的速度一直在增加，说明硫酸根离子对混凝土的腐蚀是一个逐渐加重的过程，相比氯离子来说，其损害更加严重。2.1.3干湿交替的影响[53]山东大学的李树忱通过配置人工海水（5倍于海水浓度的侵蚀溶液），对混凝土试件进行加速腐蚀试验——干湿循环试验，从混凝土的抗拉强度、抗压强度和弹性模量三个方面，研究该腐蚀环境下混凝土的力学性能退化规律，其试验结果见表2-5～2-7，将其试验结果绘制于图2.5～2.7。13 长安大学硕士学位论文表2-5三组试件在不同循环次数下的抗压强度（MPa）次数0102030405060分组A45.4447.1341.2536.4232.1528.7524.15B48.0250.2442.6537.4533.0729.7525.68C41.5242.6747.6739.7832.5427.4922.63表2-6三组试件在不同循环次数下的抗拉强度（MPa）次数n0102030405060分组A4.354.454.103.513.182.982.52B4.564.643.883.433.022.732.56C4.874.534.534.173.673.232.85表2-7三组试件在不同循环次数下的弹性模量（GPa）次数n0102030405060分组A5.055.164.654.183.673.182.76B5.175.484.173.843.343.062.61C4.984.753.753.232.842.422.0750A组试件5.0A组试件B组试件B组试件45C组试件C组试件4.5404.0353.5303.0抗压强度（MPa）抗拉强度（MPa）252.52001020304050600102030405060循环次数（n）循环次数（n）图2.5抗压强度的变化图2.6抗拉强度的变化5.5A组B组5.0C组4.54.03.53.0弹性模量（GPa）2.52.00102030405060循环次数（n）图2.7弹性模量的变化14 第二章混凝土及钢筋的材料性能退化研究在循环60次之后，混凝土试件的抗压强度及抗拉强度分别下降到初值的54%及58%左右，弹性模量（根据峰值应力的40%对应的应变得出的割线模量）平均下降到初值的约49%。通过上组图及表，显然，在循环次数较低时，即经历10次循环后，混凝土试件的抗压强度有所提高，而抗拉强度并不明显。这是因为，在侵蚀循环的初期，侵蚀液中的各种离子进入混凝土内部，生成的一些不溶性物质，填充了混凝土的孔隙，使混凝土变得更加密实，抗压强度便有所提高。然而，由于腐蚀产物继续产生，产物的体积大于空隙体积而产生膨胀，使混凝土内部产生微裂缝，进而发展为表观裂缝，最后严重影响混凝土的受力性能。[54]对于抗拉强度，张玉敏认为，混凝土的抗拉强度与胶凝体和骨料之间的粘结强度是正相关的关系，粘结强度越高则抗拉强度越高。混凝土在经历多次干湿循环后，胶凝体和骨料之间粘结强度降低，而因侵蚀后的生成物对混凝土空隙的填充虽然使混凝土变得密实，但是并不会提高胶凝体与骨料之间的粘结强度，故对抗拉强度并无积极影响。2.2钢筋的腐蚀退化2.2.1钢筋锈蚀影响因素影响梁体中钢筋锈蚀的主要因素有：（1）钢筋位置与直径等；（2）构件材料特性及构造形式（主要有混凝土渗透性、混凝土碳化程度、保护层厚度等）；（3）外界环境因素（如温度、湿度、氯离子含量等多个方面）。对于多雨的湿润环境，梁体会经常处于干湿循环的恶劣环境下，钢筋锈蚀现象尤为严重。一般地，处于构件角部钢筋，由于暴露在两个方向，故其腐蚀程度较中间钢筋大，一般为后者的1.4倍左右。混凝土的渗透性能影响着氯离子、空气、水等钢筋锈蚀反应物的渗透速率，所以直接决定了钢筋的锈蚀速度。有研究表明，表现出裂缝分布越密的混凝土，其水灰比通常较大，导致氯离子等物质与钢筋更容易接触，钢筋腐蚀越[55]快。根据文献的相关试验结果，得出钢筋在一定条件时的锈蚀概率与水灰比的关系（见图2.8），表明了水灰比越大钢筋越容易锈蚀。当水灰比大于约0.5时，钢筋的锈[56]蚀概率已经达到0.8以上。此外，文献也指出，15 长安大学硕士学位论文1.00.80.6钢筋锈蚀概率0.40.20.400.450.500.550.600.65水灰比图2.8钢筋锈蚀概率与水灰比关系水灰比的增大将增加混凝土的渗透性，使混凝土的碳化速度也增大，从而最终导致钢[58]筋锈蚀更容易发生。后者认为，当水灰比低于0.55左右时，其抗碳化能力是还是比较强的；但是，当水灰比达到0.65左右时，其抗碳化能力对水灰比的变化就变得非常敏感，即水灰比的增加，将导致其抗碳化能力的急剧下降。钢筋锈蚀的速度，对外界环境因素也是非常敏感的。“Arrhenius定律”认为，钢筋锈蚀速度，会因为外界环境温度每升高10℃而翻一番。而且，较高的温度也会严重缩短钢筋的脱钝时间，据悉，当温度为30℃时，钢筋脱钝时间是10℃时的三分之一左右。而相对湿度，则会影响混凝土中氧气的扩散速度、碳化反应的速度和其他一些化[57]学反应的速度，从而影响到钢筋发生锈蚀速率。根据文献，当混凝土周围环境的相对湿度介于50%～75%时，混凝土发生碳化的速度是最快的。2.2.2钢筋力学性能退化作为RC结构的一部分，钢筋的锈蚀最终会严重影响结构承载能力。要准确地了解钢筋锈蚀后引起RC构件的受力性能变化规律，准确地对腐蚀RC构件承载能力进行评估，就需要对钢筋锈蚀后的各种物理特征及力学性能的退化机理有一个全面认识。钢筋因锈蚀而引起的各方面力学性能指标的退化，从微观上讲，是由于发生了一系列物理化学反应而导致其金相组织发生改变。从宏观力学方面看，主要原因可能有：1）钢筋截面面积的减小；2）在不均匀位置处发生的应力集中现象。宏观方面的原因目前已得到国内外学者们的一致认可。为了了解钢筋锈蚀后的金[57]相组织是否改变，惠云玲等通过试验进行对比观察后认为：发生均匀锈蚀的钢筋，其金相组织基本上没有改变，只是非均匀锈蚀的钢筋发生了变化。16 第二章混凝土及钢筋的材料性能退化研究[23]在诸多学者的研究成果中，具有代表性的是惠云玲通过试验分析后给出的结果，即钢筋锈蚀后的实际屈服强度和实际抗拉极限强度二者与钢筋锈蚀后的截面损失率η之间的关系，其表达式为：0.9851.028−ηff=⋅（2.3）ysy01−η0.9861.103−ηff=⋅（2.4）bsb01−η式中：fy0和fys分别表示锈蚀前、锈蚀后钢筋的实际屈服强度，fb0和fbs分别表示锈蚀前、锈蚀后钢筋的抗拉极限强度。屈服强度100抗拉极9080706050锈蚀后钢筋残余强度百分比（%）020406080100钢筋截面损失率（%）图2.9锈蚀后强度降低程度fys/fy0和fbs/fb0由2.9可知，钢筋的最大截面损失率在30%以下时，屈服强度和抗拉极限强度降低不明显。另外，抗拉极限强度对锈蚀率较敏感，随锈蚀率的增加其值下降较快，说明钢筋锈蚀后会导致其延性损失较为严重。但是，惠云玲模型的结果显示，当截面损失率为0时钢筋强度就有一定程度的降低，可见其在截面损失率较小时并不适用。[58]Lee和Noguchi等人在试验的基础上，得到了以下关于锈蚀后钢筋名义屈服强度和名义弹性模量与锈蚀率的关系，以下简称Lee模型：（1）锈蚀损伤率η≤5%时，s名义屈服强度：fys=（1－0.029ηs）·fy0（2.5）名义弹性模量：Ess=（1－0.052ηs）·Es（2.6）（2）锈蚀损伤率η＞5%时，s17 长安大学硕士学位论文名义屈服强度：fys=（1.175－0.064ηs）·fy0（2.7）名义弹性模量：Ess=（0.895－0.031ηs）·Es（2.8）式中：fy0和fys见公式（2.3）；Es和Ess分别表示锈蚀前后钢筋的名义弹性模量；ηs为锈蚀钢筋的锈蚀率（%）。1.2屈服强度1.0弹性模量0.80.60.40.20.00510152025锈蚀后与锈蚀前比值-0.2钢筋锈蚀率（%）-0.4-0.6图2.10Lee模型：锈蚀率对名义屈服强度及名义弹性模量的影响由图2.10可知，当锈蚀率达到18%左右时，屈服强度已经小于零，当锈蚀率达到25%左右时，弹性模量也接近零。显然，在锈蚀率较大（大于5%）时，该模型的结果与其他模型相差较大，与实际情况也不太相符，不适用于锈蚀率较大的情况。由以上两个模型可知，钢筋锈蚀会导致钢筋的屈服强度、抗拉极限强度及弹性模量这三个方面的力学性能发生不同程度的退化。2.3本章小结本章从组成RC结构的两个基本材料入手，对国内外知名学者的成果进行了深入研究，并分别详细地阐述了混凝土和钢筋的腐蚀退化机理，总结得出以下结论：（1）混凝土碳化虽然会使表层混凝土的强度有一定程度的提高，但同时也导致混凝土的延性降低。在研究过程中，本文提出一个“碳化敏感性”的概念，认为不同强度的混凝土对碳化的敏感性不尽相同。对于极限压应变，混凝土强度越高，其对碳化越敏感；对于峰值应力以及混凝土的强度的变化，混凝土强度等级越低，则其对碳化越敏感。（2）随着腐蚀时间的增加，氯离子和硫酸根离子的侵蚀，均会使混凝土抗压强度先增加后减小。然而不同的是，氯离子在腐蚀后期，对混凝土强度的损伤程度逐渐减18 第二章混凝土及钢筋的材料性能退化研究弱，而硫酸根离子对混凝土的腐蚀是一个逐渐加重的过程，相比氯离子来说，其损害更加严重。（3）在腐蚀介质存在的情况下，干湿循环对混凝土各项指标的损伤是严重的。（4）钢筋发生的非均匀锈蚀，较锈蚀初期的均匀锈蚀对钢筋的屈服强度、抗拉极限强度及弹性模量等力学性能的影响更为严重。在研究过程中发现，惠云玲模型因认为在未锈蚀时便有损伤，故不适用于锈蚀初期时强度的折减计算；而Lee模型由于在锈蚀率较大时出现负值，故不适用于锈蚀率较大的情况。19 长安大学硕士学位论文第三章腐蚀钢筋混凝土粘结性能退化研究钢筋混凝土材料，是由钢筋及混凝土两种性能截然不同的材料组成的复合型材料。二者之所以能够有效地结合成一个整体而共同承担外力的作用，主要是由于钢筋和混凝土之间具有良好的粘结性能，使得在外力作用下，二者之间可以有效地传递应力和应变，共同工作。研究腐蚀后的RC构件，除了需要对组成构件的两种材料进行研究以外，还需对二者之间的粘结关系进行研究。因为粘结性能的退化，将会降低二者抵抗因外力作用产生的相对滑移的能力，即降低了二者协同工作的能力，降低构件整体性，故将严重影响RC结构的正常工作。这便导致材料的性能不能得到充分发挥，影响结构的受力性能和承载能力。因此，对腐蚀后钢筋和混凝土之间的粘结滑移关系退化规律的研究，是腐蚀RC构件的承载力研究课题必不可少的内容。3.1粘结性能影响因素钢筋和混凝土二者之间的粘结力，主要有以下三个组成部分：①钢筋与混凝土中水泥胶体之间的化学胶着力；②二者之间的摩擦力；③要发生相对滑移时，带肋钢筋的凸起肋对周边混凝土产生的咬合力。下面通过对简单受力的简支梁进行受力分析，从力学角度来推断粘结力的影响因素，其受力示意图如图3.1所示。图3.1钢筋拉力计算简图简单地，钢筋所受拉力PS由钢筋轴力N及其所受混凝土对其的粘结力Fn共同承担，即PS=N+Fn。20 第三章腐蚀钢筋混凝土粘结性能退化研究局部区段的平均粘结应力τ，可以由钢筋粘结力Fn除以局部粘结面积可得，FPN−nSτ==（3.1）ππdldlaa式中，la为计算区段的长度，d为钢筋直径。12其一，钢筋轴力Nd=σπ⋅；S4其二，钢筋所受拉力PS计算如下：对Q点取矩，得PP∑MPhAs=⋅+⋅−⋅=L21L0（3.2）22则1PP=⋅−(LL)（3.3）s12h2式中，A1=c+d/2，c为保护层厚度。显然，在未发生粘结滑移即二者处于静力状态时，粘结应力与钢筋直径、混凝土保护层厚度等构造尺寸有直接关系，且与结构所受外力大小有关。3.2钢筋锈蚀对粘结性能的影响粘结滑移发生之后，就意味着二者之间的化学胶着力已经消失。此时，对于光圆钢筋来说，粘结力主要由摩擦力提供；而对于带肋钢筋，除摩擦力外，其粘结力主要由发生或将要相对滑移时钢筋凸起肋产生的咬合力提供。3.2.1光圆钢筋与混凝土之间粘结性能的退化普遍认为，在锈蚀初期，光圆钢筋与混凝土间的粘结力不降反升，主要是有以下两点原因：（1）光圆钢筋锈蚀之后，微量的锈蚀产物会增加钢筋表面的粗糙程度，使其表面的摩擦系数增加。（2）由于锈蚀产物的体积远大于发生锈蚀的钢筋的体积，所以产生锈胀力。锈胀力越大，钢筋所受径向力越大，也就是二者之间的挤压力越大，产生滑移需要的摩擦力越大，这样则提高了粘结力以抵抗相对滑移。然而，一旦当锈胀力达到一定程度，使混凝土所受拉应力超过极限强度，就会导21 长安大学硕士学位论文致混凝土的保护层发生胀裂，就是通常所说的锈胀裂缝。积压的能量突然得到释放，将会使钢筋的径向力突然降低到很小的程度，抵抗相对滑移的粘结力便会迅速降低。有研究表明，当锈蚀率在较小范围时，光圆钢筋与混凝土的粘结强度是随着锈蚀率的增加而增大的；然而，随锈蚀率的继续增加，粘结强度将会迅速减小。当锈蚀率[59]在8%左右时，粘结强度甚至已经减半。3.2.2带肋钢筋与混凝土粘结性能的退化与光圆钢筋类似，钢筋表面因锈蚀而产生的疏松的锈层，会降低其与混凝土间的化学胶着力以及二者之间的摩擦力。特别的，带肋钢筋的凸起肋最先发生锈蚀，导致有效肋高减小，带肋钢筋抵抗粘结滑移的机械咬合力会随着凸起肋的锈蚀而降低，粘结性能退化。3.3钢筋锈蚀后的粘结滑移关系3.3.1粘结滑移关系处理好钢筋与混凝土的粘结滑移关系“τ−s”，是研究RC结构计算的前提。目前，针对粘结滑移关系，国内外学者以试验结合理论的方式进行了大量的研究，并取得了不少优秀的成果。由于粘结力的复杂性和影响因素众多且不确定，学者们在试验时考虑的条件也不尽相同，最后拟合的τ−s曲线也各有不同。总结常用的几种τ−s曲线如下：[60]（1）早在1972年，Nilson就通过试验资料分析总结出了针对光圆钢筋的局部粘结τ−s关系的三次方程（公式3.4），粘结滑移曲线见图3.2：24253τ=×−×+×9.7810sss7.52108.3510（3.4）其中，τ为粘结应力，s为滑移量。22 第三章腐蚀钢筋混凝土粘结性能退化研究3.53.02.52.0（MPa）1.51.0粘结应力0.50.00.0000.0020.0040.0060.0080.0100.012滑移量（mm）图3.2Nilson粘结滑移曲线（2）Houde通过对大量试验结果进行分析，给出了考虑混凝土强度的粘结滑经验[61]公式（公式3.5），粘结滑移关系τ−s曲线如图3.3所示。2425364fcτ=×−×+×−××(5.310ssss2.52105.87105.4710)（3.5）40.7Fc=30MPa6Fc=40MPaFc=50MPa5432粘结应力（MPa）100.000.010.020.030.040.05滑移量（mm）图3.3Houde公式下不同强度混凝土的粘结滑移关系由图3.3可知，混凝土强度越高则粘结强度越大，但是在粘结滑移刚开始以及粘结滑移较大时，粘结应力相差并不大。（3）清华大学的学者们在考虑了钢筋直径及其混凝土保护层厚度、混凝土劈拉强度和粘结刚度分布与裂缝的关系后，基于其轴拉试验及短埋拔出试验的研究成果，得[37]到如下公式：23344cτ=−+×−××(61.5s693s3.1410s0.47810s)fFx()（3.6）tsd23 长安大学硕士学位论文其中，f为混凝土的劈拉强度，c与d分别为钢筋的混凝土保护层厚度和直径，xts为研究点距最近横向裂缝的距离，F(x)为粘结刚度分布函数。单独考虑该公式中的各因素，以单一因素绘制τ−s曲线，分析其对粘结性能的影响，见图3.4。可见，该公式的下降段出现较晚，与Houde曲线相比，可以适用较大的滑移量。由图3.4知，劈裂抗拉强度越大，粘结强度越大，在同样的应力状态下，造成的滑移量越小。C50混凝土的粘结应力最大值相当于C30的1.3倍之多。可见，提高混凝土强度等级对粘结应力的影响是积极的。12121010886644C30c=30mm粘结应力（MPa）C40粘结应力（MPa）c=45mm2C502c=60mm000.000.050.100.150.200.250.300.350.000.050.100.150.200.250.300.35滑移量（mm）滑移量（mm）图3.4不同劈裂抗拉强度下的粘结滑移关系图3.5不同保护层厚度下的粘结滑移关系对于钢筋的混凝土保护层厚度的影响，可由图3.5得知，保护层厚度越大，对粘结强度越有利。当混凝土保护层的厚度由30mm提升到其两倍时，粘结应力的最大值可以提高到将近1.4倍。可见，暂且不考虑截面受力的变化，以提高混凝土保护层厚度来提高粘结应力，是不划算的。864d=12mm粘结应力2（MPa）d=16mmd=20mm00.000.050.100.150.200.250.300.35滑移量（mm）图3.6不同钢筋直径下的粘结滑移关系24 第三章腐蚀钢筋混凝土粘结性能退化研究由图3.6知，钢筋直径越小，其提供的粘结强度越高。12mm钢筋的最大粘结应力约为20mm钢筋的最大粘结应力的1.3倍。显然，一味地提高钢筋直径，并不是绝对安全的做法。在此看来，在受力允许的情况下，选择较小直径的钢筋，对粘结强度反而是有贡献的，更有利于结构的整体性。（4）中国建科院的学者们通过大量试验，考虑影响粘结的诸多因素，给出更为复杂的粘结滑移关系，分段描述了粘结滑移曲线：τϕψ=()()sx（3.7）其中，ϕ()s是用控制点描述的粘结滑移分段表达式；ψ()x是描述粘结滑移关系随锚固深度变化的位置函数。（5）国内高校的一些学者，在考虑钢筋和混凝土的弹性模量、钢筋表面积、保护层裂缝尺寸及分布、研究点与裂缝的距离等诸多因素的前提下，通过带肋钢筋的梁式粘结试验，给出如下更为全面的公式：−1232πAEsin2πτx/(25.3610×−×+×d5.0410d0.29103d)sccrxxxτ=（3.8）xA12ττπxscrcrSxτ(+)(−−sin)cr2baα22πτEcr其中，α=EE/，E和E分别是钢筋和混凝土的弹性模量，S为单位长度钢筋Escsc的表面积，τ为混凝土裂缝间距，d及x分别是研究点的滑移量及其距裂缝的距离。crx3.3.2钢筋锈蚀对粘结滑移关系的影响国内外诸多学者在钢筋锈蚀对粘结滑移关系的影响方面，多认为当锈蚀率较小时，钢筋锈蚀反而有利于其与混凝土之间粘结。锈蚀产物的体积膨胀，会增大钢筋与混凝土之间的咬合力，且此时的锈蚀产物引起的体积膨胀尚不至于引起混凝土保护层的开裂。但是，一旦锈蚀率继续增大，直至足以使锈蚀产物的体积膨胀到引起混凝土保护层开裂，摩擦力及咬合力便会得到释放，混凝土对钢筋的约束能力随之减小，就会导致粘结强度的降低，产生较大相对滑移。本文在研究钢筋锈蚀对粘结滑移关系的影响程度时，提出一个粘结强度降低系数“β”，根据锈蚀率的不同，对未锈蚀钢筋粘结强度进行折减。则锈蚀前后钢筋与混凝土粘结强度变化关系如式（3.9）：25 长安大学硕士学位论文τβτ=⋅（3.9）0其中，τ为钢筋锈蚀前与混凝土的粘结强度。0[50]本文根据文献引用的钢筋锈蚀率与粘结强度关系的试验数据，简单处理后如下表所示（表3-1）。（文献中的试验采用带肋钢筋）表3-1不同锈蚀率下的粘结强度试验值锈蚀率（%）粘结强度（MPa）锈蚀率（%）粘结强度（MPa）0162.89160.319.1314.60.76213.3313.30.921.14.2910.71.22195.157.91.3620.45.454.81.6218.76.54.12.7515.52.8916对数据进行回归分析并做适当补充，得到粘结强度折减系数β与锈蚀率η（%）的关系，见式（3.10），两条拟合出的曲线“β—η曲线”（图3.7）的相关系ss[5]数R分别为0.967和0.974，而且，回归得到的与徐善华老师给出的曲线（图3.8）很接近，可以用于对粘结强度的折减。2310.8173+−+ηηη0.64680.1257,η≤2.5%ssssβ=（3.10）−1.078η>2.5%2.7134ηs,s图3.7粘结强度折减系数曲线26 第三章腐蚀钢筋混凝土粘结性能退化研究图3.8徐善华老师的粘结强度折减系数曲线3.4本章小结本章从粘结力组成部分入手，分析了光圆的和带肋的两类钢筋的粘结力影响因素以及钢筋锈蚀后的粘结性能退化机理。总结了国内外诸多学者对于钢筋和混凝土粘结关系的研究成果之后，具体分析了几个具有代表性的粘结滑移关系式，并通过对文献中的试验数据的拟合，得出了一个带肋钢筋粘结强度折减系数的计算式，为本文后续的粘结滑移本构关系以及有限元模拟分析奠定了基础。27 长安大学硕士学位论文第四章腐蚀RC构件有限元分析方法有限元法，是将一个连续的结构划分成有限数量的单元，化整为零，通过计算各个单元的受力情况来近似模拟一个整体结构或构件，是进行结构分析计算的一种有效的手段。由于其数值结果的准确性与实用性，目前，有限元法已经在国内外工程领域得到了非常广泛的应用，成为工程结构计算必不可少的方法。目前，工程界应用的有限元分析软件已经有很多种。其中，在桥梁工程领域比较著名的有ANSYS、SAP、ABAQUS等。在腐蚀RC构件有限元分析领域，ANSYS软件因其单元库中的SOLID65单元和COMBIN39单元可以有效地模拟混凝土及其与钢筋之间的粘结强度，所以应用最为广泛。本文为了便于同行业之间进行对比分析，也采用ANSYS软件对腐蚀RC构件进行模拟分析。4.1有限元模型的选择基于ANSYS程序中的solid65单元，可以根据其对钢筋模拟方法的差异，将常用的[62]模拟RC结构和构件的有限元模型，分为整体式模型和分离式模型这两种。（1）整体式模型，也可称为分布式模型，或弥散钢筋模型。该模型假定钢筋和混凝土粘结良好，认为二者之间是刚性连接，受力过程中不发生相对滑移。模型仅利用solid65单元，通过调整参数来设置钢筋不同的分布情况，将钢筋连续且均匀地分布在整个实体单元中。由此可见，整体式模型建模很方便，分析效率高，易于收敛，但不适用于结构不规则或钢筋分布不均匀的区域，且计算精度较分离式模型粗略。实际结构中，由于钢筋布置复杂，为简便，建议在对钢筋分布做适当简化之后，采用整体式模型进行分析，一般来说，其结果能够满足工程应用。（2）分离式模型。这类模型，是把钢筋和混凝土两种材料分别用两种不同的单元进行模拟，单独划分二者的单元。若不考虑二者之间的相对滑移，认为其粘结很好，可以采用共节点的方式，实现其节点刚接，自由度完全耦合。若认为二者粘结性能会有变化，考虑二者相对滑移，则需要使用一种连接单元（如combin39单元）来模拟二者的粘结性能。分离式模型的建模过程较为复杂，且进行非线性计算时不容易收敛，但是其结果较整体28 第四章腐蚀RC构件有限元分析理论式模型而言，更接近实际情况。本文分析腐蚀后构件的承载力时，要考虑钢筋锈蚀后，其与混凝土间的粘结滑移关系的变化，需对钢筋及混凝土两种材料分别用两种不同的单元模拟，然后再用粘结单元将二者粘结起来，故采用分离式模型。4.2腐蚀钢筋混凝土的本构模型4.2.1锈蚀钢筋的本构模型本文在第二章中已经着重介绍了惠云玲、Lee和Noguchi等人对于锈蚀钢筋力学性能退化的研究成果，他们都认为钢筋锈蚀后，其屈服强度和极限强度均有下降。《混凝[63]土结构耐久性评定标准》也采用这个观点，对锈蚀钢筋屈服强度的变化，分以下三种情况考虑：（1）当截面损失率η≤5%且锈蚀比较均匀时，可不考虑钢筋强度损失；s（2）当5%<≤η12%或η≤5%但锈蚀不均匀，锈蚀后的钢筋屈服强度可按下式ss（4.1）计算：11.077−ηsff=⋅（4.1）ycy1−ηs（3）当η>12%时，按照有关研究成果计算。s为了选择适用于η>12%时的模型进行计算，本文将国内目前应用较多的惠云玲s模型及《混凝土结构耐久性评定标准》给出的模型进行对比分析，见图4.1。惠云玲模型在锈蚀率较小时，计算的屈服强度损失比规范值大，且其初值（锈蚀率为0）对应的屈服强度就已经有一定损失，与实际情况出入较大。而当锈蚀率较大（约30%）时，规范模型计算的屈服强度损失要比惠云玲模型的大。可见，规范模型计算的屈服强度损失速率要比惠云玲模型的大。为保持一致，且偏于安全考虑，本文将η>12%时的钢筋屈服强度也按照规范模s型进行计算。29 长安大学硕士学位论文1.00规范模惠云0.950.900.850.800.750.70锈蚀后钢筋屈服强度残余比例0.650.00.20.40.60.8钢筋锈蚀率图4.1钢筋锈蚀后屈服强度的变化情况对比那么，对比锈蚀率为0%、10%、20%和30%时的钢筋屈服强度（表4-1）可见，钢筋锈蚀率较小时，其对钢筋屈服强度影响并不明显。表4-1不同锈蚀率下钢筋的屈服强度锈蚀率0%10%20%30%屈服强度（MPa）300297294290在有限元模型中，钢筋的本构关系采用双线性等向同性硬化模型（BISO）。在使用该模型计算应力应变曲线时，第一个计算点的应力值须等于应变与弹性模量之积。由于本文采用双折线本构关系，故在钢筋应力达到屈服强度之前，钢筋一直处于弹性状态，即“钢筋应力σ=弹性模量σ×钢筋应变”。当实际应变值超过输入的应力应变曲线终点时，假定钢筋为理想塑性材料，应变增加的同时，应力保持不变。图4.2所示为本文进行有限元模拟计算时采用的钢筋（HRB335）在未锈蚀时的本构关系。400350300250200150应力（MPa）100500010002000300040005000应变（×E-6）图4.2钢筋本构关系30 第四章腐蚀RC构件有限元分析理论4.2.2混凝土的本构模型在大量试验的基础上，国内外的学者们相继提出了各种类型的混凝土本构关系模型。但是由于混凝土材料自身的离散型和复杂性，以及各学者的研究过程不尽相同，国际上尚没有一种能得到大家公认的、能够完整地正确地描述混凝土材料性能的本构关系模型。按照力学理论基础的不同，各类本构关系模型可以分为线弹性理论、非线性弹性理论、弹塑性理论和其他力学理论四大类。一、线弹性理论本构模型该模型假设混凝土材料的应力与应变呈线性关系，卸载路径沿加载路径返回，即卸载后混凝土无残余变形，属线弹性行为，如图4.3所示。显然，混凝土图4.3线弹性理论本构模型材料实际的力学行为与此图所示的线弹性行为相差甚远，故一般情况下不会使用该模型。其应力应变曲线如下图所示。但是，在以下一些特定情况下，这种理论也是一种简单有效的手段：（1）混凝土因外力产生的应力较小，且内部没有产生微裂缝等；（2）PC结构在开裂之前；（3）对复杂结构仅进行估算时；（4）数值分析结果不会因本构关系模型不同而造成过大差异时。二、非线性弹性本构模型该模型与线弹性模型相比，唯一区别是应力应变曲线呈非线性关系。卸载路径同弹性模型一样，沿加载路径原路返回，没有残余应变，如图4.4所示。与线弹性模型相比，该模型出了混凝土的非线性性能，计算式由试验数据回31 长安大学硕士学位论文图4.4非线弹性理论本构模型归确定，在不进行卸载的情况下，计算值较为可靠。又因其表达式简单明了，故在实际工作中应用广泛。三、弹塑性本构模型经典塑性理论，是基于理想塑性材料而言的，然而混凝土材料与理想塑性材料相差甚大。虽然很多学者经过努力，将其改进后应用于混凝土材料，使之能考虑加载卸载等情况，但是仍不能较好地反应混凝土的本构关系，且需要很多试验才能确定模型中的参数，操作性较差。四、其他力学理论模型学者们已经将近些年新发展的力学理论应用于混凝土的计算上，建立了很多混凝土应力应变关系模型。这些理论有：粘弹性—粘塑性理论、内时理论、断裂力学等理论。另外还有通过对上述不同理论组合后建立的模型。这类新型的模型尚处于初步阶段，还需进一步研究才能应用于工程实践中。[64]本文根据《混凝土结构设计规范》所给出的表达式，不考虑卸载情况，对混凝土受压应力应变曲线进行计算。对于C35混凝土，峰值应变取ε=0.00172，εε/=2.1cr,cucr,（ε为混凝土应力应变曲线下降段应力等于一半峰值应力时的压应变），混凝土弹性cu4模量为3.0×10MPa。32 第四章腐蚀RC构件有限元分析理论25201510应力（MPa）500.0000.0010.0020.0030.004应变图4.5C35混凝土应力应变本构关系4.2.3锈蚀钢筋与混凝土的粘结滑移本构模型钢筋与混凝土之间的粘结，是RC构件承载力的重要组成部分。尤其是对于腐蚀RC构件的计算分析，粘结滑移关系的处理是否得当，会密切关系到仿真计算结果的准确性。本文采用程序中提供的COMBIN39弹簧单元，来模拟钢筋与混凝土之间的粘结关系。由于钢筋与混凝土间的滑移主要是沿钢筋长度方向，所以，将钢筋节点垂直于钢筋轴向的两个自由度与混凝土单元的节点进行自由度耦合，二者之间的粘结力F，是根据局部粘结滑移关系及两个耦合节点之间对应的钢筋单元表面积An来确定。对比第三章列出的五种粘结关系计算方法，显然，前三种算法操作简单，实用性强，但是对粘结性能的影响因素考虑得不够全面。后两种综合考虑了诸多因素对粘结性能的影响，但是计算式过于复杂，操作起来比较困难，实用性不强。本文在进行有限元模拟分析时，采用适用于带肋钢筋的Houde公式，即式（3.5）。设与弹簧单元所对应的钢筋单元的长度为la，钢筋直径为d，则“F—D曲线”中的F就等于πτdl⋅。考虑钢筋锈蚀对粘结滑移关系的影响时，依据本文4.3节的内容，a对粘结强度进行折减。根据Houde公式，得出对应C35混凝土分别在钢筋锈蚀率为0%、1%、2.5%和5%、10%和25%时的“F—D曲线”（如图4.6所示），作为COMBIN39单元的本构关系。33 长安大学硕士学位论文181614锈蚀率=0锈蚀率12锈蚀10锈蚀率锈蚀率8锈蚀率6粘结力（kN）4200.000.010.020.030.040.05滑移量（mm）图4.6F—D曲线4.3单元的选择4.3.1钢筋单元钢筋单元采用三维杆单元LINK8来模拟，该单元由“节点I”和“节点J”两个个节点来定义，各节点均有三个平动自由度。该单元具有塑性、蠕变、大变形、大应变、[65]应力刚化等特性，单元几何模型如图4.7所示。JIZYX图4.7LINK8单元几何在使用LINK8单元应注意以下几点：（1）单元的长度和截面面积须为正值，且单元截面上应力唯一；（2）温度沿杆长为线性变化；（3）初应变用于单元的应力刚度矩阵计算。4.3.2混凝土单元混凝土单元采用三维实体单元SOLID65来模拟，本文用该单元来模拟无筋的3D34 第四章腐蚀RC构件有限元分析理论实体结构——混凝土。单元由8个节点定义，每个节点有三个方向的平动自由度，单[65]元模型如图4.8所示。POMNzLyKφZxθIYJX图4.8SOLID65单元（本文采用六面体单元）在使用SOLID65进行计算时，应注意以下基本假定：（1）允许在每个积分点的三个垂直方向开裂；（2）因为对于此单元，ANSYS是将裂缝作为弥散裂缝处理，而不是分离式裂缝，这样就避免了重新形成结构边界，但也就不能计算裂缝宽度；（3）混凝土初始为各项同性材料；（4）可以考虑混凝土的开裂和压碎,。4.3.3粘结单元本文对钢筋和混凝土之间的粘结滑移关系，采用ANSYS软件中应用广泛的非线性弹簧单元“COMBIN39单元”进行模拟。COMBIN39单元，在单个方向上具有非线性的“广义力—变形”关系，变形关系为“F-D曲线”，广泛适用于各种分析。该单元的轴向弹簧行为，是指其只具有轴向的拉压行为，每个节点有三个方向的平动自由度，且此时没有弯曲或扭转的能力。COMBIN39单元的示意图及“F-D曲线”特征如图4.9[65]和图4.10所示。在应用该单元进行模拟时，要注意以下几点，以免导致计算失败或发生错误。（1）因为本文模拟的是粘结滑移，也就是沿钢筋轴线方向，所以要注意1D行为控制，选择关键常数KEYOPT(3)=3。35 长安大学硕士学位论文FSTAT993524(DN,FN)1IJZSLOPEDY-2-1X-3(D1,F1)图4.9弹簧单元作用示意图图4.10COMBIN39单元F—D曲线特性（2）该单元的受力性质是由“F—D曲线”来定义，不需要定义材料性质。“F—D曲线”表示非线性弹簧刚度，不同锈蚀率对应不同的粘结滑移，不同的粘结滑移关系对应不同的“F—D曲线”。4.4有限元计算的收敛问题采用分离式模型，且要考虑锈蚀钢筋与混凝土之间的粘结滑移，导致本文使用ANSYS进行非线性分析时的收敛问题更加困难。在经过反反复复地调试计算之后，总结认为，影响本文模型计算收敛的因素主要是单元尺寸、混凝土单元关键项设置、加载方式、边界条件形式、加载子步数、收敛准则及精度等，这里将计算过程中的经验做如下探讨：（1）单元尺寸单元尺寸大小不仅影响计算量的多少，而且计算能否收敛也对其相当敏感。单元尺寸要适当，尺寸太大则计算精度较差，尺寸太小则会因计算量过大而导致计算耗时比较多。而且，单元尺寸越小，则越容易引起应力集中现象。在应力集中的区域，尤其是边界约束和加载点位置，要控制好单元尺寸，可以适当加大该区域单元尺寸以避免因应力集中而导致的不收敛。调整单元尺寸是一项比较繁重的工作，合适的尺寸，需要根据实际情况，在不断的调试中获得。一般情况下，认为混凝土单元尺寸不宜小[62]于5厘米。（2）混凝土单元的关键项设置[62]一般认为，考虑混凝土压碎时，在计算到混凝土达到压碎应力之前，就会比较难收敛；若不考虑混凝土压碎时，会相对容易收敛一些。然而在对本文模型的不断调试过程中发现，考虑压碎后，混凝土应力可以达到压碎应力且保证收敛。所以，对于36 第四章腐蚀RC构件有限元分析理论这点，要具体问题具体分析，在不断的调试中找到不收敛的真正原因。（3）加载方式在工程实际中，结构所受荷载多为面荷载，基本上没有理想集中力的作用。当计算模型采用点荷载时，会在加载位置出现结果奇异，导致加载位置附近过早开裂或压碎。解决办法通常是在加载点增加一个弹性垫板，通常用SOLID45单元做一个垫板，或者通过施加面荷载来防止应力奇异。另外需要注意的是，如果是面荷载，其所在面在实际结构发生变形之后不能保持原来的平面状态，而是发生弯曲、旋转等变形，比如简支梁顶面在梁发生变形后由平面变为曲面，由于面荷载对加载面的约束作用，使加载面不能够如实变形，这就会在加载面上产生附加力，可能在此处发生应力集中而导致计算结果不能正常收敛。所以，针对不同的模型及加载情况，要区别对待，不一定是加载点面积越大越容易收敛。（4）边界条件形式与对加载方式处理的道理一样，以避免对结构产生多余约束而导致附加力为原则，而不是单纯地通过用面荷载代替点荷载、以面约束代替点约束来避免应力集中。在计算过程中发现，如果对梁端底部部分面采用面约束，将导致结构在变形之后，约束面不能自由转动而与相邻结构面之间存在明显的不协调，而且产生的多余约束力足以导致此处多余应力过大而导致计算不收敛。（5）加载子步数加载子步数的设置的数值大小，间接反应了是每次施加荷载的大小。对于非线性[66]求解，加载子步数的大小对能否收敛影响很大。一般认为，可以通过观察计算收敛过程图判断子步数是否合适，如果F范数在曲线上走形很长，且一直大于收敛准则范数时，则可能是因为此时子步数过小，可考虑增大其数值，即减小每个子步增加的荷载，在开裂较严重时，要特别注意。合适的子步数对于每个模型的计算收敛至关重要，需要多次试算，通过检查结果的准确性来确定。（6）收敛精度收敛精度的调整并不能从根本上解决收敛问题，如果结果能收敛，则通过增大收敛精度可以加快收敛速度；若本来结果就不可能收敛，再放宽收敛条件也不会起到好[62]的效果，反而会导致结果错误。收敛精度一般不超过5%（缺省值是0.5%）即可。37 长安大学硕士学位论文本文在计算过程中认真地研究收敛问题，在繁多且复杂的调试后，保证了计算模型的收敛及结果准确。4.5本章小结本章所介绍的内容，是本文有限元模拟分析的基础。（1）通过对比两种类型的有限元模型的优劣特点，选择了适用于本文计算分析的分离式模型。（2）详细介绍了钢筋及混凝土两者本构关系的理论知识，并在简要的分析对比之后选择了适合本文研究的本构关系。（3）结合第三章粘结滑移关系及钢筋锈蚀对粘结强度的折减公式，得出了钢筋锈蚀后的粘结滑移本构模型。（4）简要介绍了有限元计算时所采用的单元。（5）总结了本文在调试计算过程中的得出的一些经验和观点，为相关计算及研究提供参考。38 第五章腐蚀RC受弯构件有限元模拟分析第五章腐蚀RC受弯构件受力性能变化规律研究使用有限元软件研究腐蚀RC构件的受力性能，可以有效地减少试验中因材料、环境以及实验人员等各种主客观因素的干扰以及试验间的差异性。本章以上一章的理论[67]为基础，依托长沙理工大学的试验，利用有限元软件ANSYS建立有限元分析模型，对腐蚀RC受弯构件的受力性能展开多方面的研究。5.1RC受弯构件有限元模型的建立5.1.1室内试验试验中采用C35混凝土，主筋为直径20mm的HRB335钢筋，箍筋采用φ8光圆钢筋。其试验采用电化学方法对RC梁的钢筋进行加速锈蚀，具体方法是将RC试验梁浸泡在5%的氯化钠溶液中，通电后钢筋释放电子发生氧化而锈蚀，通过调整试验时间来控制钢筋的锈蚀率。钢筋锈蚀率有0%、1%、3%、6%、10%和15%六个变量。试验采用两个千斤顶在梁长三分点位置进行两点加载。试验梁见图5.1。图5.1试验梁构造图5.1.2有限元模型按照上一章介绍的理论方法建立有限元模型。因试验梁采用通电加速锈蚀，故假定梁为理想的均匀锈蚀，考虑纵筋锈蚀后截面损失及粘结强度的变化，且不考虑梁体混凝土的劣化。有限元模型基本情况见图5.2～5.4。39 长安大学硕士学位论文图5.2混凝土单元、荷载及边界条件图5.3钢筋单元图5.4粘结单元5.1.3模型验证图5.5～图5.9给出计算模型在混凝土开裂前、开裂后、钢筋屈服后及极限状态等特殊时刻的混凝土应力、钢筋应力及裂缝等信息，以验证模型计算结果符合RC受弯结构的受力特征。图5.5梁底缘混凝土开裂前混凝土及钢筋应力分布40 第五章腐蚀RC受弯构件有限元模拟分析图5.6梁底缘混凝土开裂后混凝土应力分布及裂缝分布图5.8梁底纵筋钢筋屈服时混凝土应力分布及钢筋应力分布图5.9梁顶混凝土压碎时混凝土应力分布及钢筋应力分布由上组图可知：开裂前，梁截面符合平截面假定，梁顶梁底混凝土应力相近，受拉区受压区钢筋应力相近；梁底混凝土在拉应力超限后开裂，应力重分布，梁横截面中性轴上升，开裂区钢筋拉应力急剧增大；荷载继续增加，钢筋发生屈服，钢筋强度得到充分发挥，而此时梁顶混凝土应力尚未达到压应力极限，钢筋在屈服状态下继续工作；荷载进一步增大，而后梁顶缘混凝土达到压应力极限后被压碎，梁达到极限状态。由上组图可知，有限元模型的受力特征符合基本规律，故模型的合理性得到验证。提取试验中纵筋直径为d=20mm梁的试验结果，整理如下表5-1：41 长安大学硕士学位论文表5-1不同锈蚀率下试验梁的极限承载力梁编号实测锈蚀率（%）极限弯矩（kNm⋅）L—20106.05L—4086.8L—6085.4L—8095.2L—104.973.5L—124.2182.25L—14082.6L—164.8178.05L—189.9563L—204.5578.4L—2210.7968.95L—2412.8361.6将试验数据简单处理之后，与有限元模型计算结果共同绘制于图5.10。1.1模型结果1.0试验结果0.90.80.70.60.50.40.30.2锈蚀后极限荷载残余比例0.10.00246810121416锈蚀率（%）图5.10试验结果与计算结果可见，二者趋势相同且结果相近。然而，计算结果与试验结果存在一定偏差，究其原因，主要有以下几个方面：（1）计算过程中仅考虑钢筋锈蚀后截面减小及其对粘结性能的影响，并未直接考虑钢筋锈蚀对混凝土产生的锈胀开裂的影响；（2）并未考虑混凝土材料的性能也发生退化；（3）二者混凝土强度并不完全相等；（4）未考虑钢筋的加强段；（5）计算模型依据经验公式，对粘结滑移关系进行模拟，与试验梁实际的粘结滑移关系有一定的差异；42 第五章腐蚀RC受弯构件有限元模拟分析（6）试验梁之间存在一定差异，其结果比较分散且数量较少。但是，综合分析各种原因，认为出现这样的差异是不可避免的而且是合理的。故这样的结果可以验证模型的准确性，证明将本文建立的有限元模型应用于钢筋锈蚀后RC梁的受力性能分析是可行的。5.2腐蚀RC受弯构件受力过程分析5.2.1荷载——跨中挠度曲线8070605015%10%405%1%300%荷载（kN）20100012345挠度（mm）图5.11荷载——跨中挠度曲线图5.11给出了锈蚀率分别为0%、1%、5%、10%和15%五个有代表性的梁仿真分析得出的荷载位移曲线。从图中可以看出：（1）所有梁的受力过程表现出一定的一致性，即结构在受拉区开裂前的刚度要比开裂后刚度大，且在混凝土下缘开裂的瞬间表现出截面刚度突然减弱而导致挠度突然增加。（2）不论锈蚀率多少，在开裂前，梁处于弹性阶段，承载能力及刚度并无明显区别，几乎相同。（3）锈蚀率为1%的梁，其在开裂后的承载能力和刚度均有一定程度提高；但是，当锈蚀率达到5%以后，构件已经失去了屈服阶段；随着锈蚀率的增加，结构承载能力明显降低。（4）因模型在计算到混凝土达到压碎应力时便发生不收敛而终止计算，故不能给43 长安大学硕士学位论文出荷载位移曲线的下降段或平滑段的结果。结构的受力过程及荷载挠度关系符合基本原理，再次验证了本文计算模型的准确性。5.2.2混凝土应力及裂缝发展情况下面给出具有代表性的的锈蚀率分别为0、2.5%、5%、15%和25%五组梁，在荷载逐步增加的过程中，混凝土应力及裂缝发展过程，用于对比分析钢筋锈蚀对RC梁受力过程的影响，讨论锈蚀RC梁的受力性能及破坏特征。5.2.2.1锈蚀率为0时（a）P=18.2KN44 第五章腐蚀RC受弯构件有限元模拟分析（b）P=22.8KN（c）P=27.6KN（d）P=46.2KN45 长安大学硕士学位论文（e）P=75.4KN（f）P=94.3KN图5.12锈蚀率为0时梁的混凝土应力及裂缝分布图由上组图5.12可知：裂缝最开始出现在梁跨中的纯弯段内，集中在梁底部分，且分布均匀。随着荷载的增加，开裂区段增长，当P=27.6KN左右时，开裂区段约占梁长的3/5，且有向上延伸开裂的趋势，甚至有部分裂缝已经到达一半梁高处。荷载继续增加后，开裂区段逐步变大，直到整个梁段开裂。与此同时，跨中段裂缝向上延伸直至梁顶，直到最后，梁顶缘混凝土被压碎，梁达到极限。46 第五章腐蚀RC受弯构件有限元模拟分析5.2.2.2锈蚀率为2.5%时（a）P=18.1KN（b）P=22.8KN47 长安大学硕士学位论文（c）P=27.4KN（d）P=46.2KN（e）P=75.1KN48 第五章腐蚀RC受弯构件有限元模拟分析（f）P=93.6KN图5.13锈蚀率为2.5%时梁的混凝土应力及裂缝分布图由上组图5.13可知：锈蚀率为2.5%梁的混凝土应力及裂缝分布的发展，与未锈蚀梁的情况基本相同，但在P=46.2KN时，纯弯段边缘截面处的裂缝延伸较高，承载能力有稍有下降。5.2.2.3锈蚀率为5%时（a）P=18.1KN49 长安大学硕士学位论文（b）P=23.4KN（c）P=27.8KN50 第五章腐蚀RC受弯构件有限元模拟分析（d）P=46.5KN（e）P=74.8KN（f）P=89.1KN图5.14锈蚀率为5%时梁的混凝土应力及裂缝分布图由上组图5.1.4可知：与锈蚀率为0及2.5%的梁相比，该梁在开裂初期，在开裂区域的两边有较高的开裂面，且已高于一半梁高。当P=27.8KN左右时，裂缝分布有51 长安大学硕士学位论文明显不同，裂缝出现了不连续分布的现象。在作用力位置处的两侧，出现较为集中的裂缝，且裂缝延伸高度均超过梁高的一半。随后，裂缝分布逐渐趋于连续。可见，该梁已表现出一定的脆性。5.2.2.4锈蚀率为15%时（a）P=17.6KN（b）P=22.8KN52 第五章腐蚀RC受弯构件有限元模拟分析（c）P=27.3KN（d）P=36.8KN53 长安大学硕士学位论文（e）P=43.4KN（f）P=49.4KN图5.15锈蚀率为15%时梁的混凝土应力及裂缝分布图由上组图5.15可知：刚开裂时，裂缝便表现出一定的不均匀性，跨中截面开裂高度较低，跨中稍远处开裂高度较高。在裂缝分布尚未发展到支座附近时，裂缝高度已经接近梁顶。直至梁发生破坏时（有限元模型不收敛时），梁底裂缝区域也未到达支座处。相比未锈蚀梁及锈蚀率较小的梁，该锈蚀率下的梁，裂缝分布区域较小，裂缝趋于集中发展且能较快达到梁顶，该梁脆性更加明显。5.2.2.5锈蚀率为25%时54 第五章腐蚀RC受弯构件有限元模拟分析（a）P=16.9KN（b）P=20.8KN（c）P=27.3KN图5.16锈蚀率为25%时梁的混凝土应力及裂缝分布图由上组图5.16可知：很明显，该梁的裂缝非常集中，在开裂初期便集中在两个狭55 长安大学硕士学位论文小区域且延伸较高，随着荷载的逐步增加，裂缝扩展为四个独立的区域，外侧两个裂缝区域倾斜。当荷载增加到P=27.3KN时，虽然钢筋尚未屈服且混凝土未压碎，但模型已不收敛。认为梁可能在四个集中的裂缝区域发生严重的脆性破坏，甚至是在裂缝处发生断裂破坏。5.2.2.6开裂瞬间对比前面对比了不同锈蚀率下的混凝土应力及裂缝发展过程，可以发现不同锈蚀率下梁的开裂荷载和开裂瞬间裂缝的分布也有不同，此处对刚开裂瞬间做详细对比分析。下图5.17给出不同锈蚀率下梁在刚开裂瞬间的裂缝分布情况。（a）锈蚀率=0时的裂缝分布（b）锈蚀率=2.5%时的裂缝分布（c）锈蚀率=5%时的裂缝分布56 第五章腐蚀RC受弯构件有限元模拟分析（d）锈蚀率=15%时的裂缝分布（e）锈蚀率=25%时的裂缝分布图5.17开裂瞬间的裂缝分布对比由图5.17可见，梁在刚开裂的瞬间，裂缝的分布特征随着锈蚀率的增加，有这样两个趋势：（1）裂缝趋于集中发展；（2）开裂延伸面变高。然而，不只是裂缝分布及发展随着锈蚀率的增加发生了变化，梁的开裂荷载也随锈蚀率的增加稍有下降，见下表5-2所示。表5-2不同锈蚀率下梁的开裂荷载锈蚀率（%）02.551525开裂荷载（KN）18.218.118.117.616.95.2.3钢筋拉应力—挠度曲线本节给出锈蚀率分别为0%、1%、5%、15%和25%梁的跨中的挠度与受拉区钢筋最大拉应力之间的关系曲线。需要注意的是，锈蚀率较大（15%和25%）的梁，其破坏特征表现为脆性破坏。57 长安大学硕士学位论文300250200150锈蚀率锈蚀率锈蚀率为100锈蚀率为钢筋应力（MPa）锈蚀率为500012345跨中挠度（mm）图5.18钢筋应力—挠度曲线由图5.18可知，钢筋应力的发展经历了两个突变时刻，即混凝土开裂时刻和钢筋屈服时刻。所有梁，在开裂之前均可视作处于弹性阶段，不论锈蚀与否，其受拉区钢筋拉应力随挠度变化的增长速率相同；当混凝土开裂的瞬间，开裂混凝土不再参与受力过程，拉应力转而由钢筋独自承担，导致钢筋拉应力的突然增大；达到稳定之后，接着钢筋应力随挠度的增加速率大于开裂之前，且亦呈线性增长；当钢筋达到屈服应力之后，钢筋应力不随挠度继续增长，保持在屈服强度不变，这是由模型中定义的双折线无强化的钢筋本构关系决定的。显然，由于锈蚀率的不同，钢筋的应力发展情况也表现出明显的差异：（1）对于钢筋锈蚀率为0%、1%和5%的梁，钢筋应力经历了完整的应力时程，最终达到屈服；而锈蚀率较大的梁，其受拉区纵筋应力没能达到屈服。（2）锈蚀率为1%的梁，由于钢筋粘结强度的提高，导致混凝土开裂后其钢筋拉应力增长较快，而且其瞬间达到的拉应力值较其他梁来说是最大的；而锈蚀率为5%的梁，其粘结强度较低，在梁发生开裂的瞬间，钢筋应力增长缓慢，应力贡献表现出一定滞后性，而且其瞬间达到的应力值较小。（3）在挠度逐渐增大的过程中，相同挠度下，锈蚀率为1%梁的钢筋拉应力最大，而锈蚀率为5%梁的钢筋拉应力最小。而且，锈蚀率为的1%梁，其纵筋应力增长速度也是最快的。故最终表现为锈蚀率为1%梁的受拉区钢筋最先屈服，且在梁发生压碎破坏前有较长的屈服段，屈服段挠度约为未锈蚀梁屈服段挠度的两倍，钢筋强度发挥得最为充分，梁的延性最好。然而，锈蚀率为5%梁的钢筋在达到屈服之后，梁顶混58 第五章腐蚀RC受弯构件有限元模拟分析凝土随即因压碎而导致梁破坏，梁的延性明显降低。（4）对于钢筋锈蚀率为15%和25%梁，其钢筋拉应力与锈蚀率较小的梁的拉应力变化趋势有明显区别，即钢筋不能达到屈服，且同挠度下应力水平较高。而且在梁底缘混凝土开裂的瞬间，其纵筋应力可以很快达到较大值。这是因为较高锈蚀率下的RC梁，其破坏形式属脆性破坏，梁的裂缝集中在几个区域发展，导致钢筋拉应力仅在开裂区域为非常大且发展迅速。尤其是锈蚀率为25%的梁，其钢筋应力一直表现为最大，这是因为该梁的裂缝最为集中，梁的脆性表现得最为明显。5.3腐蚀RC受弯构件极限状态分析5.3.1极限荷载及极限挠度随锈蚀率的退化1.11.11.01.00.90.90.80.80.70.70.60.6极限荷载变化极限挠度变化0.50.50.40.40.30.302468101214160246810121416锈蚀率（%）锈蚀率（%）图5.19极限荷载变化曲线图5.20极限挠度变化曲线由图5.19及图5.20可以看出：（1）在锈蚀率很小（1%左右）时，RC梁的极限荷载及极限挠度提高了一点（约为1%），即RC梁在锈蚀刚发生时，其极限承载能力及延性是有一定程度提高的。由本文4.2.3节可知，粘结力在锈蚀率为1%时有所提高，是由于钢筋刚开始锈蚀时，产生的锈蚀产物不足以对产生过大的膨胀力而导致外层混凝土开裂，那么在开裂前，膨胀力对钢筋产生的围压增大了钢筋与混凝土之间的摩擦系数，提高了二者之间的粘结力，从而提高了梁的承载能力。除此之外，挠度的增加，说明了梁的延性也有所提高。（2）虽然在锈蚀初期梁的极限承载能力有一定程度的提高，但是，当锈蚀率继续增长到2.5%左右后，梁的极限承载能力几乎是线性下降的。当锈蚀率达到15%时，梁的极限承载能力和极限挠度甚至接近未锈蚀时的一半。59 长安大学硕士学位论文5.3.2极限状态下钢筋应力钢筋的在极限状态的应力水平是评判梁的破坏形式及梁整体性的一个重要指标。理想合理的受弯构件要求钢筋屈服后能继续工作一段时间，充分发挥其材料性能，且在梁达到压碎极限之前能有一定的预兆，而非突然破坏。本节给出锈蚀率分别为0%、1%、2.5%、5%、10%、15%和25%的RC梁计算模型在极限状态时（模型计算不收敛时）的钢筋应力分布情况，如下组图5.18所示。（a）锈蚀率为0时（b）锈蚀率为1%时（c）锈蚀率为2.5%时（d）锈蚀率为5%时60 第五章腐蚀RC受弯构件有限元模拟分析（e）锈蚀率为10%时（f）锈蚀率为15%时（g）锈蚀率为25%时图5.21极限状态时钢筋应力分布由上组图5.21可知：（1）极限状态时，受拉区纵筋的屈服段长度也受锈蚀率的影响，如表5-3所示。表5-3极限状态下受拉区钢筋屈服段长度锈蚀率（%）012.55屈服段长度（cm）75908070可见，在锈蚀率较小时，由于粘结强度的增加，会使受拉区钢筋发挥出更大的作用，钢筋强度能得到更充分的发挥，便有利于结构的整体受力。（2）然而，随着锈蚀率的继续增加，当锈蚀率大于5%时，在受拉区钢筋尚未达到屈服状态时模型就不收敛，结构发生突然破坏。对于这种脆性破坏情况下的钢筋应力的大值区域进行比较：当锈蚀率为10%时，钢筋应力大值区段长度约为70cm；当锈蚀率为15%时，仅为约55cm；当锈蚀率为25%时，钢筋应力大值区段分散，表现出明显的不连续性，这与前面介绍的裂缝分布特征有直接的关系，钢筋的大值应力出61 长安大学硕士学位论文现在裂缝集中区域。这是由于当锈蚀率大于5%时，钢筋锈蚀导致粘结强度大幅降低，钢筋参与受力较少，结构的整体性较差。尤其是锈蚀率达到25%时，由于裂缝的集中出现，导致梁裂缝处的钢筋应力出现极大值，且当荷载继续增大时，梁的裂缝及此处钢筋应力在此处急剧发展，梁发生脆性破坏。（3）对于受压区，当锈蚀率不大于5%时，梁顶的混凝土均可达到压应力极限。受压区钢筋的应力，与粘结强度的变化呈现出相同的趋势，如表5-3所示。可见，钢筋锈蚀同样会影响受压区钢筋的受力情况，锈蚀率较大时，也会导致钢筋受压应力减小，不能充分发挥作用。表5-3不同锈蚀率下受压区钢筋应力最大值锈蚀率（%）012.55应力（MPa）179187172127（4）对于箍筋的受力，同样，在锈蚀率为1%时，纯弯段以外的大部分箍筋出现较大应力，且应力水平也最大。当锈蚀率继续增加时，箍筋应力水平逐渐降低，且当锈蚀率为25%时，大应力水平的箍筋集中出现在裂缝集中的区域。可见，当锈蚀率大于1%以后，随着锈蚀率的增大，不论是受拉区钢筋还是受压区钢筋，甚至箍筋，都表现出参与受力的能力减弱。故钢筋会因锈蚀而影响其强度的发挥，从而影响二者协同工作的能力。5.4本章小结本章依托长沙理工大学的腐蚀RC梁的加载试验建立有限元仿真分析模型，利用其试验实测结果验证了本章前所述方法的有效性及有限元墨西哥的准确性。在此基础上，建立了纵筋发生不同锈蚀程度的RC梁有限元模型，计算分析锈蚀后的RC受弯构件的受力状况，从梁的荷载位移曲线、混凝土应力及裂缝发展、钢筋应力、极限荷载等几个方面，对比不同锈蚀率下的结果，提出RC受弯构件的纵筋锈蚀程度对其受力性能的影响规律。62 结论与展望结论与展望结论本文围绕着腐蚀RC受弯构件受力性能变化规律这个中心，在总结国内外优秀成果的基础上，从材料和构件两个层面对部分理论进行了深入探讨和研究，研究腐蚀RC受弯构件的受力性能。通过分析腐蚀对混凝土和钢筋材料性能及它们间的粘结滑移的影响，提出钢筋锈蚀对钢筋和混凝土之间粘结力的影响关系式，分析腐蚀RC受弯构件的受力性能。在利用RC梁快速腐蚀试验验证了有限元模型的有效性的基础上，考虑钢筋锈蚀后的截面损失及其引起的粘结强度的变化，对不同锈蚀率下的多组试验梁进行有限元仿真分析。在研究过程中，得出了以下主要结论：1、在研究碳化对混凝土的影响时发现，混凝土的极限压应变、峰值应力及强度，受碳化的影响程度因混凝土强度等级的不同而存在一定的区别。据此现象，本文提出一个“碳化敏感性”的概念，具体指：对于极限应变，混凝土的强度越高，则其对碳化越敏感；对于峰值应力以及混凝土的强度来说，则是强度越低，其对碳化越敏感。2、硫酸根离子对混凝土材料的腐蚀，是一个逐渐加重的过程，相比氯离子对混凝土的损害来说，硫酸根离子的腐蚀表现得更加严重。3、对于钢筋锈蚀对其强度的影响方面，惠云玲模型因认为在未锈蚀时强度便有损伤，故不适用于在锈蚀初期对钢筋强度的折减计算；而Lee模型，由于其在锈蚀率较大（约为18%）时屈服强度出现负值，故其并不适用于锈蚀率较大的情况。4、通过对文献试验数据拟合，得出一个钢筋锈蚀对粘结强度的影响关系式，见第三章的式（3.10）。5、在对有限元模型不断地调试过程中，在有限元收敛方面总结了一些经验和看法：（1）对于混凝土是否考虑压碎的设置，要依具体情况而定。本文在计算时发现，打开压碎并不一定会导致混凝土在不能达到压碎应力时就发生不收敛。（2）在加载方式和边界条件方面，为了避免应力集中，并不一定是加载点或约束点的面荷载或面约束越大越好，这要视加载位置和约束位置在结构受力后的变形情况而定。要以“结构在产生变形后，加载点（或面）或约束点（或面）的作用不会或较少对结构造成附加力或附加约束”为原则。63 长安大学硕士学位论文6、通过对比不同锈蚀率下的荷载位移曲线、混凝土的应力及裂缝发展状况、钢筋拉应力与挠度曲线、钢筋应力与荷载的关系等几个方面，总结出腐蚀RC受弯构件受力性能的变化规律如下：（1）不论钢筋锈蚀程度如何，在RC受弯构件截面下缘混凝土产生受拉裂缝之前，RC梁的受力情况并无明显不同，仅是开裂荷载稍有下降。一旦下缘混凝土开裂，构件的受力性能就开始表现出明显的差异。（2）在锈蚀初期，钢筋的粘结性能有一定程度的提高，钢筋能充分发挥其作用，较早达到较高的应力水平，且处于高应力水平下的钢筋区段较长。构件会较早进入屈服阶段，钢筋屈服后梁产生的挠度约为未锈蚀梁钢筋屈服后梁挠度的2倍，在达到极限状态而发生破坏前，有更明显的预兆。但是极限挠度的提高幅度并不大，与承载力提高幅度均为1%左右。（3）随着锈蚀率的继续增加，粘结性能便开始减弱，钢筋参与受力的能力会随锈蚀率的增加迅速降低，梁的整体性因此变差，受弯构件的受力状况和承载能力会逐渐退化。当锈蚀率为5%时，梁的裂缝在发展过程中出现了不连续的现象，而且已经失去了屈服段，故其破坏形式已经表现出明显的脆性破坏。此后，锈蚀率越大，梁的脆性越明显。当锈蚀率较大达到15%时，梁在刚开裂的时候，裂缝分布便表现出了不连续的现象；当锈蚀率达到25%时，梁在刚开裂时，其裂缝仅集中在纯弯段的两个外侧，直到模型不收敛而达到极限状态时，裂缝仍仅集中分布在四个区域。可见，随着锈蚀率的增加，裂缝更趋于集中发展，受拉钢筋应力在裂缝集中区域出现大值，梁可能在裂缝集中处发生断裂破坏。展望腐蚀RC构件及结构的承载力研究，是一个涉及多学科的复杂的系统问题，本文在研究过程中假定了一些条件，且涉及面窄，还存在很多需要进一步探索研究的内容，主要包括：1、在有限元模拟过程中，如何在考虑钢筋锈蚀的同时考虑混凝土的退化，即对应一定的锈蚀率，混凝土的材料性能该如何确定。对于这个问题，国内外还没有相关成果。64 结论与展望2、本文在试验的基础上进行有限元模拟，没有考虑局部锈蚀的影响研究，考虑的条件过少，需继续展开更全面的研究分析。3、本文仅针对构件做了静力分析，对于腐蚀后构件的动力性能的影响，还需要进一步研究。在对该领域进行研究的过程中发现，虽然耐久性课题有了各种各样丰富的成果，但是由于各研究人员所采用的方法、材料以及假定的各种条件等诸多方面不尽相同，造成其研究成果虽在定性方面相同或相似，但是在定量时还存在一定差别甚至差别很大，导致在对比和应用的时候比较困难。因此，鉴于当今信息社会的便利性，建议该领域建立一个强大的数据库，将所有既有优秀成果整合到一起，方便研究人员的参考利用；并在不妨碍学术自由的前提下，对正在进行或即将展开的研究进行统一的规划管理，建立一个研究体系，像对待设计与施工一样，对学术研究的操作手段等方面也进行规范化要求，以保证研究成果的可靠性和各成果之间的可比性。65 长安大学硕士学位论文参考文献[1]王来其.500MPa级钢筋混凝土框架结构的低周反复荷载试验研究[D].青岛：青岛理工大学,2011[2]陈拴发,胡长顺.公路结构物水泥混凝土耐久性研究动态[J].公路,2003(5)：122-127[3]耿犟.钢筋腐蚀光纤布拉格光栅（FBG）传感器研究及应用[D].南京：南京航空航天大学,2009[4]李敬.反渗透水的腐蚀规律及机理研究[D].大连：大连理工大学,2009[5]林茂,朱平华.混凝土结构的绿色耐久性[J].混凝土,2006(12)：39-42[6]唐义军,李耀庄,蒋春艳.多因素机制作用下在役钢筋混凝土结构构件的可靠度分析[J].防灾减灾工程学报,2005(2)：135-139[7]何立坤.氯离子侵蚀作用下钢筋混凝土桥梁耐久性退化全过程数值模拟[D].天津：天津大学,2011[8]张华.钢筋锈蚀对混凝土压弯构件变形性能的影响[D].武汉：华中科技大学,2011[9]洪乃丰.混凝土中钢筋腐蚀与阻锈剂[J].混凝土,2001(6)：25-28[10]刘俊娥.盐雾对钢筋混凝土构件的腐蚀试验研究[D].天津：河北工业大学,2011[11]邓志方.钢筋锈蚀对钢筋混凝土梁模态参数影响的试验研究[D].南宁：广西大学,2013[12]雷俊龙,马少飞.提升桥梁耐久性的施工改进技术与质量控制方法的研究[R].舟山.中国公路学会,2008[13]中华人民共和国交通部,中华人民共和国国家统计局.第二次全国公路普查公报.2002[14]张华.基于锈胀力的混凝土保护层破裂过程模拟和补强分析[D].天津：天津大学,2011[15]孙伊圣.基于双电极电位的桥梁内部配筋锈蚀度瞬变电磁成像无损量化检测试验[D].重庆：重庆交通大学,2013[16]庄悦.锈蚀钢筋混凝土受弯构件[D].镇江：江苏科技大学,201166 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长安大学硕士学位论文致谢值此毕业之际，百感交集，在对未来充满无限期待的同时，对即将逝去的研究生生活又满怀眷恋。这三年，匆匆三年，奋斗的三年，人生中最为精彩的三年，我心怀感恩。感谢三年里有老师的教导与关怀，感谢三年里有朋友的相知和相伴，人生幸事不过如此。道一声感谢，怀一份感恩！本文从选题到定稿，期间的每个阶段，其中的字里行间，无不倾注了导师邬晓光教授的心血与智慧。借此机会，向邬晓光老师表达由衷的感谢和最崇高的敬意！邬老师在工作时的严谨的态度、开阔的眼界、勤奋的敬业精神，是我今后努力的方向。生活中，邬老师朴实无华、严于律己、宽以待人的人格魅力，是我今后学习的榜样。能够师从邬晓光老师，是我最大的幸运！感谢孙志伟、顾箭峰、陈恒大三位博士师兄对本论文的指导以及在生活中给我的帮助；感谢同级的卫少阳、李城、曹永飞、包杰等诸位伙伴，论文的顺利完成离不开你们无私的协助；感谢诸位师弟师妹，感谢你们予我帮助，让我减轻很多负担。有了你们在我学习和生活中的指导和帮助，我的论文才得以顺利完成，才有了我在课题组大家庭里充实美好的三年光阴，你们亦是我的良师和益友，感谢你们！感谢从本科陪我一路走来的诸位，欢声笑语有你们，激情奋进有你们，感谢你们帮我克服重重困难，顺利完成论文，感谢陪伴我走过在长安大学数年求学时光的兄弟姐妹们！感谢我的父亲母亲，感谢你们二十多年的养育之恩，没有你们含辛茹苦的默默付出与支持，就没有我今天的成就！感谢我的亲人朋友，感谢你们的支持和帮助！感谢我的母校——长安大学，感谢我所生活的这个时代！请原谅我不能一一道谢，愿大家幸福！本文在写作过程中参阅了大量的文献资料，在此向前辈们致敬！最后，感谢百忙之中评阅我论文以及参加我论文答辩的各位专家和老师！陶甫先2015年4月西安72
