混凝土保护层锈胀开裂理论及有限元分析.pdf

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1、器基础与结构工程Foundation&StructureEngineering混凝土保护层锈胀开裂理论及有限元分析张新鹏，沈明燕，石卫华，舒小娟，陈洪兵(湖南科技大学土木工程学院，湖南湘潭411201)摘要：假设钢筋锈蚀产物沿钢筋径向和轴向均呈均匀分布，将保护层视作一厚壁圆筒，通过弹塑性力学及有限元软件对保护层锈胀开裂全过程进行了分析。建立了混凝土保护层锈胀开裂临界截面损失率的计算公式，对钢筋直径、保护层厚度、混凝土强度及钢筋位置等因素对锈胀开裂的影响进行了分析，得出如下结论：在假设钢筋发生均匀锈蚀的前提下，保护层厚度和钢筋直径对锈胀开裂的影响较大，混凝土强度和钢筋位置对锈胀开裂

2、的影响较小。对比试验数据后发现，有限元分析比理论模型更符合实际的混凝土锈胀开裂力学行为。关键词：混凝土结构；钢筋锈蚀；弹塑性力学；锈胀开裂；有限元分析中图分类号：TU375文献标志码：B文章编号：1009—7767(2014)06—0114—04TheoryandFiniteElemeIltAnalysisofConcreteCoVerCorrosiVeExpa璐ionCracl【ingZhangXinpeng，ShenMingyan，ShiWeihua，ShuXiaojuan，ChenHongbing混凝土结构保护层锈胀开裂是导致耐久性降低的主要因素之一。混凝土保护层锈胀开裂的

3、研究方法主要有理论分析、有限元分析及试验研究【Ⅲ】。理论分析时一般将保护层假设为厚壁圆环。应用弹塑性力学或断裂力学对锈胀力及钢筋的截面损失率进行研究，虽然取得了一些成果，但没有就钢筋位置对锈胀开裂的影响进行分析，假设条件与实际情况存在误差；有限元分析对混凝土开裂后的受力行为模拟较准确，但难以得到实际应用：试验研究大多采用快速锈蚀试验的方法，钢筋的锈蚀比较接近于实际状态．但结果受试验条件的影响，数据较离散。笔者结合以上3种分析方法，对保护层锈胀开裂过程进行了理论分析和有限元分析．并就锈胀力和钢筋截面损失率与试验数据进行了对比，对保护层厚度、钢筋直径、钢筋位置和混凝土强度对锈胀开裂的

4、影响进行了分析。1混凝土保护层锈胀开裂理论分析1．1临界最大锈胀力的计算假设混凝土材料为各向同性的，拉伸和压缩具有一致性，借助Mises等效屈服应力来推导混凝土开裂时刻的临界最大锈胀力。考虑混凝土的部分塑性，将保护层分为内环开裂塑性区及外环开裂弹性区．如图1所示。114瘩荭投木2014No．6(Nov．)VoI．32锈蚀层内环为开裂塑性区注：露为钢筋半径；c为保护层厚度；Ⅱ，为保护层与钢筋交界面处径向位移。图1保护层开裂计算模型1)在外环开裂弹性区，由弹性力学的厚壁圆环拉梅解可知，在内部开裂区与外部未开裂区交界面处[7l：径向应力昨盎(·一半)；(1)以2丽万尹面l卜丁J；u)环

5、向应力即蕊(·+孚)o㈤吼。面万商f11+丁J。(2)式中：R，为内环开裂塑性区外边界；只为内环与外环交界处锈胀力；r为厚壁圆环内任一点至圆心的距离。2)在内环开裂塑性区，应力分布情况为【8】：径向应力即牛+去甜n等；㈤V3n环向应力叩斗+去州+ln鼽(4)、／3代式中：P为混凝土与钢筋交界面上的锈胀压力；盯。为屈服应力。3)在内外环交界处，有只=一盯，，则：脚一去刚n鲁。(5)V3n根据Mises应力条件：孑：3妥；L(盯。一盯。)。(6)将式(3)、(4)带入式(6)．则在r：R；在}．孑=、／丁P(R+c)2(R十c)2一R；。(7)根据弹性极限压应力公式司得【8】：纠，一

6、志]鲁。(8)由式(4)、(7)、(8)可得环向应力盯。与锈胀压力P的关系，并当盯e=Z时，混凝土开裂，此时：2(R+c)2ln笔L+[(R+c)2一R；]‰=——1鑫再万一。(9)式中：彳为混凝土轴心抗拉强度。对式(9)求导，令羔=o，可解得I临界开裂时刻的最大塑性区半径为：瑚．e一叫学卜如。(10)R；=尺·e“。(10)己啪6e厅伽代表超越方程)，=肥。的解，可由matlab求出，带入式(9)可求得临界锈胀力。引入混凝土孔洞柔度系数6，忽略钢筋间距对柔度系数的影响，则有【9】：ui=占·％，(11)6=华+志。(12)E2眈(c+d)。、由于混凝土与钢筋间存在空隙，假设空隙

7、厚度为n，并将式(9)带入式(11)，可得混凝土锈胀开裂时刻锈蚀产物的膨胀位移为：炉0+[半+≤‰]．2(尺+c)2ln等+[(R+c)2一碉———五}瓦忑广～圻，(13)(JR+c)2+R；“’、～基础与结构工程晶Foundation&StructureEngineering尺．：一争⋯*‘半1一引。(14)咒=尺·e“。(14)1．2钢筋截面损失率的计算钢筋锈胀开裂过程可分为锈蚀产物自由膨胀阶段和产生锈胀力后的锈胀开裂阶段。由于锈蚀产物膨胀引起的混凝土内边缘位移量与钢筋直径相