混凝土保护层锈胀开裂时间预测模型及细观裂纹扩展分析

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1、国内图书分类号：TU375密级：公开国际图书分类号：531；692西南交通大学研究生学位论文混凝土保护层锈胀开裂时间预测模型及细观裂纹扩展分析年级二零一一级姓名汪奔申请学位级别博士专业固体力学指导老师王弘教授张志强教授二零一七年九月五日ClassifiedIndex:TU375U.D.C:531;692SouthwestJiaotongUniversityDoctorDegreeDissertationAMODELFORPREDICTIONOFTIMETOCORROSION-INDUCEDCON

2、CRETECOVERCRACKINGANDANALYSISOFMESO-CRACKPROPAGATIONGrade:2011Candidate:WangBenAcademicDegreeAppliedfor:DoctorSpeciality:SolidMechanicsSupervisor:Prof.WangHongProf.ZhangZhi-qiangSeptember5,2017西南交通大学学位论文版权使用授权书，本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定同意学校保留并．

3、向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权西南交通大学可以将本论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复印手段保存和汇编本学位论文。本学位论文属于１．保密□，在年解密后适用本授权书；２．不保密Ｓ］／使用本授权书。上方框内打“”（请在以Ｖ）学位论文作者签名：指导老师签名：５土ｉｐ曰期曰期丨：ｗｈｆ义西南交通大学博士研究生学位论文第顶西南交通大学博士学位论文创新性声明本人郑重声明

4、：所呈交的学位论文，是在导师指导下独立进行研究工作所得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体己经发表或撰写过的研宄成果。对本文的研宄做出贡献的个人和集体，均已在文中作了明确的说明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。本学位论文的主要创新点如下：（１）首先基于钢筋均匀锈蚀情形，考虑实际结构中保护层的厚度、几何边界条件与钢筋之间的相对位置，区别于以往采用的单层或双层圆环模型，将结构简化为更接近真实几何构造的半无限体平面模型，通过理论分析，

5、得到了保护层的锈胀应力理论解。（２）根据试验观测到的钢筋非均匀锈蚀层轮廓曲线，将其简化为半椭圆状的非均匀锈胀位移，从而建立了钢筋非均匀锈蚀理论模型。通过理论推导和求解，得到了非均匀锈胀形态下混凝土中锈胀应力场理论解。（３）采用扩展有限元法（ＸＦＥＭ）和过盈装配的方式建立了混凝土保护层非均匀锈胀开裂有限元模型，分析了保护层中裂纹萌生、扩展过程及破坏形态。通过对ＡＢＡＱＵＳ进行二次开发，提取了锈胀裂纹长度，得到裂纹长度与钢筋锈蚀率之间的关＿系。基于计算结果，．提出了考

6、虑保护层厚度、钢筋直径和混凝土强度影响的保护层锈胀开裂时间预测模型，并验证了模型的可靠性。一（４）提出了种新的二维和三维腿机凹凸型混凝土骨料的细观建模方法。该方法利用己生成的网格状态进行骨料投放，有效解决了细观三相介质中网格质量问题。采用随机凹凸型骨料使骨料模型更加接近真实形态，避免了该方法对骨料形貌描述不准确。该方法可保证投放的随机性以及级配分布的合理性，二维投放骨料含量可达到７５％，三维投放骨料含量可达到６５％。基于上述研宄建立了混凝土保护层细观几何模型，并采用混

7、凝土塑性损伤（ＣＤＰ）本构模型对保护层细观开裂过程进行了分析。学位论文作者签名：‘《曰期：／第II页西南交通大学博士研究生学位论文摘要钢筋锈蚀是影响混凝土结构耐久性最主要的原因之一，锈蚀会导致钢筋力学性能退化和混凝土保护层的剥落，从而减小构件截面的有效承载面积，降低结构的使用寿命。目前已有许多学者对钢筋锈蚀机理、锈胀理论模型和锈蚀速率模型等方面进行了研究。本文以混凝土保护层锈胀开裂过程为研究主线，以理论模型分析、数值模拟和现象调查相结合为研究手段，对锈胀裂纹在混凝土保护层中的形成以及

8、扩展过程进行了理论推导和数值分析，并与试验结果进行了对比。本文的研究有助于完善混凝土结构耐久性理论体系，对实际混凝土工程锈裂过程的预测也具有较高的应用价值。本文的主要研究内容如下：考虑保护层的厚度、几何边界条件以及钢筋之间的相对位置，将结构简化为半无限体平面模型，通过理论分析，得到了保护层的锈胀应力表达式。计算结果表明：锈胀裂纹首先产生于与锈蚀层接触的位置；内部裂纹若非顺筋方向，由保护层表面的隆起引起的水平张拉应力，会导致顺筋裂纹由外向内开裂；增加保护层厚度和钢筋直径以及提高混凝土标号均有助于增