混凝土内部锈蚀钢筋应力集中特性研究

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1、李建凤等：混凝土内部锈蚀钢筋应力集中特性研究6l混凝土内部锈蚀钢筋应力集中特性研究李建风，石晓猛(天津大学建筑工程学院。天津300072)【摘要】为了研究滨海环境下预应力钢筋混凝土结构内部锈蚀钢筋力学性能的退化过程，需要明确锈坑形状、深度及混凝土开裂程度等因素对锈坑处应力集中系数的影响。本文采用精细化有限元方法实现了混凝土内部钢筋在不同锈坑形状、锈蚀深度和混凝土开裂程度等多因素影响下的应力集中问题的数值模拟，分析总结了锈蚀钢筋应力集中程度的变化规律。【关键词】钢筋混凝土；锈蚀；应力集中；数值模拟【中图分

2、类号】TU375【文献标识码】B【文章编号】1001—6864(2013)03—0061—03钢筋在氯盐腐蚀环境下容易产生不均匀锈蚀，形成锈1钢筋锈蚀程度理论分析坑，造成应力集中现象。虽然钢筋的平均锈蚀率可能很小，(1)钢筋锈蚀深度预测模型。钢筋锈蚀是一个随着但严重的局部锈蚀对其受拉性能极其不利。不均匀锈蚀比时间变化的电化学过程，为获得锈蚀钢筋的应力集中情况，均匀锈蚀的危害更大，它使得钢筋的本构关系变化，延展性先要明确锈蚀深度的变化规律。Ⅱu和Weyers提出腐蚀电降低，从而更加容易发生无征兆的脆断。目

3、前对钢筋的锈流强度与时间的关系为：蚀研究多集中于普通钢筋，且单独对钢筋进行分析，钢绞线(t)=0．85i(Z)t。。·凹(1)一的锈蚀、混凝土开裂对锈蚀钢筋的影响的研究鲜有报道。式中，i。(t)为起锈后t时刻的腐蚀电流强度，cm；埋设在混凝土里的钢筋，受到混凝土的作用力，当混凝土出i一(Z)为钢筋初始锈蚀速度。由Kim提出的计算公式：现裂缝时，而裂缝又恰好在锈坑附近，当混凝土裂缝张开时，相当于给钢筋一个变化的弯矩。所以混凝土裂缝的存～(z)：(2)在也会影响钢筋的锈坑处应力集中程度。对锈蚀钢筋的研式中，

4、w／c为混凝土的水灰比；C为钢筋保护层厚究，特别是混凝土中的钢筋、钢绞线锈坑处应力集中现象对度，mmo钢筋的力学性能影响的研究更加紧迫。而在电化学腐蚀里有以下关系式：由于预应力钢筋混凝土结构本身的复杂性，加之三维锈坑的存在，使得要对锈蚀钢筋力学性能进行理论分析十⋯(t)=0．O116i⋯(t)(3)式中，。丌(t)为钢筋锈蚀速率，mm／年。分困难。所以许多学者采取试验方法对于锈蚀钢筋混凝土的力学性能进行研究，然而试验方法又有很大的局限性。所以钢筋的时刻锈蚀深度为：，tk—tO考虑到理论分析和试验研究的局

5、限性，本文利用有限d=IVe。Ⅱ(f)d(t)(4)元方法建立二维有限元模型，通过预制锈坑和裂缝等缺陷，式中，t。为钢筋起锈时间；t为结构已服役时间，年。模拟不同劣化情况下钢筋的应力集中特性，从而建立锈坑处应力集中系数和锈坑形状、锈蚀深度混凝土开裂程度之由式(1)一(4)可得钢筋锈蚀深度和锈蚀时间之间的关系，间的量化关系。见表I。区域大。[5]顾培英，陈厚群，李同春．用应变模态技术诊断梁结构的损伤[J]．地震工程与工程振动，2005，25(4)：50—53．[6]顾培英，邓昌，吴福生．结构模态分析及其损

6、伤诊断[M]．南参考文献京：东南大学出版社，2008．[7]ShiZY，LawSS，ZhangLM．Structuraldamagelocalizationfrom[1]徐丽，易伟建，吴高烈．结构局部损伤诊断的应变模态方法一modalstrainenergychange[J]．JSoundVib，1998，825—844分析与应用[J]．自然灾害学报，2006，15(3)：157—163．[8]周先雁，沈蒲生跃．用应变模态对混凝土结构进行损伤识别的[2]牛雪梅，王峰。熊晓燕．基于应变模态分析的损伤识别方

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8、部锈蚀钢筋应力集中特性研究63Bdw，R2sl至缝宽度情况下钢筋锈坑处的应力集中程度，在模型上调整中因素(如孔、缺口、沟槽等)不存在，以构件未减小时截面预制裂缝宽度进行计算，结果如图8所示。可以看到相同情上的应力为基准应力。况下三角形锈坑的应力集中程度要比圆形和椭圆形锈坑严考虑随时间的锈坑深度的变化，得到以下应力集中系重。随着裂缝宽度的增加，圆形和椭圆形锈坑处的应力基数变化趋势，利用所得系数拟合曲线，获得应力集中系数随本保持不变，而三角形锈