箍筋锈蚀约束混凝土力学性能退化数值模拟.pdf
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1、 四川建 筑科 学研究 S i c h u a n B u i l d i n g S c i e n c e 第 3 9卷第 5期 2 0 1 3年 1 O月 箍筋锈蚀约束混凝土力学性能退化数值模拟 张 雯, 牛荻涛, 李 强 ( 西安建筑科技大学土木工程学院, 陕西 西安7 1 0 0 5 5 ) 摘要: 为研究箍筋锈蚀对约束混凝土的影响 , 运用 A B A Q U S有限元软件对不同锈蚀率箍筋约束混凝土轴心受压 构件进行分析 , 并引入配箍特征值 A 表征箍筋不同锈蚀率 7 7 对构件的影响。分析结果表明: 随着箍筋锈蚀率的增 大, 约束混凝土的承载力和变形能力均有不同程度的下降。通过
2、对数据的回归分析, 建立了箍筋锈蚀后约束混凝 土应 力 应变模型。 关键词: 箍筋锈蚀; 有限元; 配箍特征值 ; 应力 应变模型 中图分类号 : T U 3 1 2 文献标 志码 : A 文章编号 : 1 0 0 81 9 3 3 ( 2 0 1 3 ) 0 5 0 9 4 0 4 S t i r r u p s c o r r o s i o n o f c o nc r e t e c o l u m n wi t h a x i a l c o mp r e s s i o n f o r n u me r i c a l s i mu l a t i o n Z H A N G We
3、 n , N I U D i t a o , L I Q i a n g ( X i a n U n i v e r s i t y o f A r c h i t e c t u r e T e c h n o l o g y , X i a n 7 1 0 0 5 5 , C h i n a ) A b s t r a c t : C o n s i d e r i n g t h e e ff e c t o f s t i r r u p c o r r o s i o n o n t h e p e rf o r ma n c e o f c o n f i n e d c o n
4、c r e t e , A B A Q U S fi n i t e e l e me n t s o ft w a r e i s u s e d t o r e a r c h o n d ife ren t C O rrO s i o n r a t e o fa x i a l c o mp r e s s i o n c o l u mn I n t r o d u c e t h e s t i r r u p e i g e n v a l u e入 t o d i ff e r e n t c o r r o s i o n r a t e o f s t i r r u p
5、s 田 。o n t h e c o mp o n e n t s T h e res m s h o w t h a t , wi t h t h e s t i r r u p s c o r r o s i o n r a t e i n c rea s e s , t h e b e a r i n g c a p a c i t y a n d d e f o rm a t i o n c a p a c i t y o f c o n f i n e d c o n c ret e h a v e d i ff e r e n t d e g r e e s of d e c l
6、i n e B y t h e r e g r e s s i o n a n aly s i s O i l t h e s i mu l a t i o n d a t a , s ti r r u p s c o r r o s i o n c o n fi n e d c o n c r e t e s t res s s t r a i n mo d e l h a s b e e n e s t a b l i s h e d Ke y wo r d s: s t i r r u p c o r r o s i o n ; fi n i t e e l e me n t ; s t
7、 i r r u p c h a r a c t e r i s t i c v Mu e ; s t r e s s s t r a i n mo d e l 0 引 言 钢筋锈蚀是导致钢筋混凝土构件性能退化的主 要原因之一。钢筋锈蚀后 , 其力学性 能会发生改 变, 强度和延性均降低, 从而造成服役结构构件力学 性能退化 , 严重时可能造成结构提前失效甚至倒塌。 近年来 , 国内外学者对锈后钢筋混凝土构件 承载力 退化进行了研究 , 研究方法主要采用有限元分析 和试验研究两种。运 用有 限元方 法分析锈蚀构 件力学性能退化 , 可 以克服快 速腐蚀试验与实际工 程构件 自然腐蚀间差异及试验
8、周期长等缺陷, 因此 , 有限元法成为解决钢筋混凝 土结构耐久性分析的有 效手段 。 目前 , 国内外学者对纵筋锈蚀后构件的力学性 能退化研究较多 加 J , 对于箍筋锈蚀相对较少。然 而, 从钢筋混凝土耐久性试验研究和现场检测发现, 在 同等条件下 , 箍筋锈蚀程度 比纵 向钢筋锈蚀程度 收稿 日期 : 2 0 1 2 - 0 3 - 2 7 作者简介: 张雯( 1 9 8 7一 ) , 女, 江苏苏州人, 硕士研究生, 研究方 向: 混凝土结构耐久性。 基金项目: 国家杰出青年科学基金( 5 0 7 2 5 8 2 4 ) ; 陕西省“ 1 3 1 1 5 ” 科技 创 新工程项 目( 2
9、 O 1 O z D K G_ 5 5 ) E ma i l : 5l 6 9 9 l4 6 7 6 q q c o rn 大得多 J , 有时当纵筋锈蚀量仅为 5 1 0 时 , 箍 筋的锈蚀 已经很严重, 甚至有锈断现象 J 。箍筋锈 蚀后: 截面面积减小, 其屈服强度、 弹性模量和延 性均降低; 对混凝土约束作用降低; 保护层发生 锈涨开裂; 箍筋与混凝土间粘绪陛能退化; 构件 破坏形式变为脆性破坏。箍筋锈蚀 对混凝土结构的 影响很大 , 对箍筋锈蚀后约束混凝 土力学性能退化 研究尤为重要 。本文采用 A B A Q U S有 限元软件 , 对 不同箍筋锈蚀 程度的轴 心受压混凝土短 柱
10、进行分 析 , 研究锈蚀箍筋约束混凝土的力学性能退化。研 究成果不仅可以为在役结构 的检 贝 4 鉴定提供依据 , 而且可 以为新结构的设计做指导。 1 有限元模型 1 1 模型概况 1 1 1 构件 概 况 为考虑箍筋在约束混凝土中的作用 , 模型建立 时不考虑保 护层 作用 , 采 用 尺寸 为 1 5 0 m m 1 5 0 m m 4 5 0 m m的箍筋约束混凝土短柱, 混凝土强度 为 2 5 6 4 MP a , 构件尺寸如图 1 所示。 1 1 2加载与边界条件 本次模拟将受压柱柱底设 为 固接 , 柱顶 自由。 2 0 1 3 N o 5 张 雯, 等 : 箍筋锈蚀约束混凝土力
11、学性能退化数值模拟 9 5 6 O 图 1 构件配筋及 尺寸 Fi g 1 Re i n f o r c e me n t a n d s i z e o f c o mp o n e n t 由于模型直接加载时容易在局部节点上产生应力集 中, 导致求解失败 , 为 了使 昆凝土构件均匀受力 , 建 立 了刚性体垫块。垫块截面取与柱截面尺寸同, 厚 6 0 mm, 模拟过程 中将荷载施加在刚性体垫块上 , 通 过垫块进一步传递到构件上 。 1 1 3实体模 型 及 网格 划分 网格划分 - 6 9 的疏密直接影 响到所求结果的准 确性 , 网格划分要求具有足够多的单元 和节点 , 以满 足求解
12、结果的精确性。考虑本文模型尺寸, 模型中 混凝土所选用的网格划分尺寸定为 2 5 m m 2 5 m i l l 2 5 m m。构件具体网格划分情况见图 2 。 图 2 构 件网格划分 F i g 2 Gr i d o f c o m p o n e n t 1 1 4单元选择 本文采用 AB A Q U S有 限元软件模 拟分析锈蚀 箍筋约束混凝土性能的变化, 混凝土单元采用三维 实体单元 C 3 D 8 R 。钢筋单元采用桁架单元, 即空 间二节点单元 T 3 D 2 , 用 e m b e d d e d 方式将普通钢筋 嵌人混凝土 中。 1 2 混凝土及钢筋本构 混凝土单轴受力时 ,
13、 应力一 应变关系反映了混凝 土受力全过程的重要力学特征, 是进行混凝土构件 应力分析、 建立承载力和变形计算理论的必要依据, 也是利用计算机进行有限元非线性分析的基础。 1 2 1混凝土本构 有限元分析软件 A B A Q U S中共提供 了三种不 同的混凝 土本 构模型 6 】 : 弥散裂 纹混凝 土模 型 、 混 凝土损伤塑性模型 、 混凝土裂纹模型 。本文在建模 过程中综合考虑各因素, 采用如下混凝土本构模型 , 混凝土在单轴加载下拉伸和压缩应力一 应变 曲线分 别如图 3和图 4所示。 图3 馄凝土单轴受压应力一 应变曲线 F i g 3 Un i a x i a i c o mp
14、r e s s i v e s t r e ss- s t r a i n c u r v e o f c o n c r e t e 图4 混凝土单轴受拉应力一 应变曲线 Fi g 4 Un i a x i a l t e n s i l e s t r e ss- s t r a i n c u r v e o f c o n c r e t e 1 2 2钢 筋本构 在研究钢筋混凝土结构性能时 , 钢筋应力 应变 关 系常采用 的模 型有 以下 三种【 6 】 : 理想 弹塑 性模 型 、 弹塑性模型 和刚塑性模型。本文在建立有 限元 模 型时 , 钢筋采用各 向同性塑性模型即理想 弹塑
15、性 本构模型 , 其应力一 应变关系如图 5所示 。钢筋初始 弹性模量为 2 11 0 MP a , 屈服强度取为 2 8 0 MP a , 泊松 比为 0 3 。 图 5钢筋受拉应 力一 应 变 曲线 Fi g 5 Te n s i l e s t r e s s - s t r a i n c u r v e o f s t e e l 1 3 箍筋锈蚀后性能折减 文献 7 对比分析了箍筋参数中影响约束混凝 土性能的因素: 配箍特征值 A 对约束混凝土性能的 影响较大 , 箍筋 间距 次之, 箍筋构造 和形式影 响不 9 6 四川建筑科学研究 第 3 9卷 大。配箍特征值 A 也在一定程度
16、上反映箍筋间距 影响, 因此, 配箍特征值 A 可作为箍筋对约束混凝 土作用的综合参数。本文模型中, 构件其余条件不 变 , 仅箍筋发生锈蚀 , 因此 , 以配箍特征值 A 作为主 要参数 。 1 3 1 锈 后箍 筋 强度折 减 许多学 者 进行 了大 量锈 蚀 钢 筋 力 学 性 能试 验 引, 结果表 明, 钢筋的屈服强度 、 极限抗拉强度及 延伸率都 随钢筋锈蚀程度增大而降低。文 献 1 0 对现有的锈蚀钢筋屈服强度和极限强度公式进行了 分析验证, 给出了锈蚀钢筋屈服拉力和极限拉力的 计算式 , 本文 中的锈蚀 箍筋后 力学 性 能采用 文献 1 0 中方法折减。 1 3 2 锈后箍筋
17、截面积折减 一 般大气环境下 , 光圆钢筋表面锈蚀较均匀 , 本 文视箍筋锈蚀为均匀锈蚀 , 采用箍筋截面损失率 来表达箍筋锈蚀程度 , 见下式 : A =A 0 ( 1一叼 ) ( 1 ) 式中A 为箍筋锈蚀前截面面积 ; A为箍筋锈蚀后 截面面积。 2 数值模型计算结果和分析 数值模拟分析得到的锈蚀箍筋约束混凝土应力 一 应变曲线 , 与以往完好构件约束混凝 土应力一 应变 曲线形状类似 , 主要包括上升段和下降段两个部分。 约束混凝土应力一 应变 曲线形状受箍筋锈蚀量影响 较大: 随着箍筋锈蚀率增大 , 约束混凝 土应力一 应变 关系曲线的峰值点呈下降趋 势 , 上升段向右下方偏 移 ,
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