基于断裂力学的钢筋混凝土保护层锈胀开裂模型

《基于断裂力学的钢筋混凝土保护层锈胀开裂模型》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在学术论文-天天文库。

1、水利学报年月第卷第期文章编号基于断裂力学的钢筋混凝土保护层锈胀开裂模型王海龙金伟良孙晓燕浙江大学土木工程学院浙江杭州摘要本文基于钢筋均匀锈蚀时混凝土的开裂试验现象建立了混凝土保护层开裂的计算模型考虑了混凝土和钢筋的实际变形情况以及混凝土界面中的原始裂纹与缺陷裂纹在钢筋锈蚀膨胀作用下的起裂扩展情况利用断裂力学和弹性力学得到了混凝土保护层开裂时钢筋的膨胀力和均匀锈蚀率的理论预测模型分析了影响钢筋锈胀开裂的诸多因素认为混凝土保护层厚度的增加混凝土材料界面相的加强混凝土断裂韧度的提高和钢筋直径的变小都有利于钢筋混凝土结构耐久性的提升理论模型计算结果与试验数据的对比表明本文模型可用于混凝

2、土中钢筋锈蚀胀裂的预测关键词混凝土保护层钢筋锈蚀率断裂力学弹性力学锈胀开裂中图分类号文献标识码研究背景钢筋混凝土结构的耐久性失效最主要的表现形式为钢筋锈蚀引起的结构破坏在美国因各种锈蚀造成的损失为多亿美元其中混凝土中钢筋锈蚀造成的损失约占在英国有的钢筋混凝土桥梁受到氯离子侵蚀而锈胀开裂在我国世纪年代初建的大坝与海港工程以上都发生了比较严重的钢筋锈蚀破坏钢筋锈蚀后其锈蚀产物的体积是原有体积的倍对钢筋周围的混凝土产生挤压随着钢筋锈蚀程度的加剧混凝土保护层受拉开裂保护层一旦开裂将会加速钢筋的锈蚀进一步加剧裂缝的扩展导致结构破坏严重影响混凝土结构的耐久性因此研究钢筋锈蚀引起的混凝土保护

3、层开裂具有重要的工程实际意义国内外许多研究者建立了理论模型对保护层开裂时的钢筋锈胀力进行了理论分析的静力平衡理论模型等金伟良等郑建军等吴相豪和等等人的弹性理论模型张伟平淡丹辉等人的有限元分析模型等等这些模型对混凝土中钢筋的均匀锈胀进行了较好的分析但是现有的模型多以混凝土抗拉强度作为保护层开裂判断条件很少考虑混凝土保护层中存在的初始裂纹和初始缺陷实际上受干缩温度等因素的影响在承受荷载之前混凝土内部特别是骨料和水泥砂浆界面上就存在着初始裂纹对于混凝土的开裂断裂力学是一种有效工具王显利等曾尝试利用无限介质中的孔边双裂纹模型来预测钢筋锈蚀的膨胀力但其裂纹构型和混凝土基体无限介质假设与实

4、际保护层尺寸和锈胀开裂试验现象之间还存有差别本文以均匀锈胀开裂试验现象为依据根据保护层有限体中的应力分布和最终裂缝状态利用断裂力学和弹性理论建立混凝土保护层锈胀开裂时刻的锈胀力和临界锈蚀率预测模型收稿日期基金项目国家科技项目中国博士后基金项目浙江省教育厅科技项目作者简介王海龙男江苏睢宁人博士讲师主要从事混凝土断裂损伤混凝土结构耐久性研究模型的建立混凝土锈胀开裂的断裂模型在研究海洋环境下混凝土中钢筋锈蚀的物理模型时指出当钢筋间距较大时混凝土保护层沿顺钢筋方向胀裂当保护层厚度较大时混凝土保护层沿着平行于钢筋层面方向开裂根据均匀锈胀开裂的试验现象假设内部混凝土界面上有钢筋锈胀力作用保

5、护层中有裂纹出现初始裂纹与径向的夹角为具体特征如图所示现利用断裂力学来建立混凝土保护层的锈胀开裂分析模型图所示裂纹的起裂准则为式中为混凝土的型断裂韧度为混凝土的型断裂韧度裂纹的型应力强度因子为式中为作用在裂纹面上的等效正应力是和函数为关于倾斜角度和裂纹长度钢筋中心到锈胀后混凝土与锈胀物之间界面距离钢筋中心到混凝土保护层外缘距离的函数为等效剪切应力是和函数为与和有关的函数由式及式可得给定值当时取得最小值即此时的方位角为最易开裂的裂纹方位角即在此方位角下裂纹扩展需要的膨胀力最小因此对于混凝土开裂时钢筋锈胀力的讨论宜采用如图所示的裂纹构型图混凝土保护层中的裂纹图混凝土保护层锈胀开裂计

6、算裂纹构型对于图所示的锈胀裂纹由权函数法可得裂纹的应力强度因子为??式中为混凝土界面上的锈胀力为与和有关的函数具体如图所示对于普通混凝土骨料和水泥砂浆之间的界面为混凝土中的薄弱环节现有研究认为可假设混凝土开裂先沿界面发展当界面裂纹发展到一定长度后受水泥砂浆的束缚而停止扩展随着荷载增加满足一定的开裂扩展准则后裂纹失稳扩展串接而形成宏观裂缝对于图所示结构界面裂纹开始发生扩展的条件为式中为混凝土界面相的断裂韧度图与和的关系曲线此时所得的膨胀力认为是混凝土开始发生开裂的初始临界力??当界面裂纹发展到一定长度后受水泥砂浆的束缚裂纹停止扩展此时其应力强度因子为??随着荷载的增加当满足如下的

7、开裂准则时混凝土中的裂纹发生失稳扩展式中为混凝土的断裂韧度此时所得的膨胀力认为是混凝土保护层发生开裂的临界锈胀力??钢筋锈蚀产生的锈胀力混凝土中的钢筋锈蚀大致经历了以下几个阶段钢筋脱钝锈蚀锈蚀产物充满钢筋与混凝土交界面中的空隙此阶段在铁锈填满空隙之前不会对外围混凝土产生作用力随着钢筋的进一步锈蚀受外围混凝土的约束锈蚀产物对混凝土产生锈胀作用力锈胀力增长到一定程度后混凝土保护层中的裂纹在满足一定的扩展准则后贯穿到混凝土保护层表面为建立钢筋锈蚀率与锈胀力之间的关系采用如图所示的钢筋与混凝土的变形