锈蚀预应力筋混凝土梁受弯承载性能有限元分析.pdf

2 0 1 6年第 3期 3月 混 凝 土 与 水 泥 制 品 C HI NA C ONCRE T E AND C EME NT P RODUC T S 2 01 6 No ． 3 Ma r c h 锈蚀预应力筋混凝土梁受弯承载性能有限元分析 唐 硕 ， 喻孟雄 ， 丁权福 ， 徐晓燕 。 ， 明 勇 ( 1 ． 徐州工程学院土木工程学院 ， 2 2 1 1 1 1 ； 2 ． 江苏大学土木工程与力学学院 ， 镇江 2 1 2 0 1 3 ； 3 ． 江苏师范大学商学院。 徐州 2 2 1 1 1 6 ) 摘 要 ： 利 用 A NS Y S建立 了预应 力混凝土 梁分 离式有 限元模 型 ， 实现 了预应 力筋锈蚀后 混凝土构件静 力承栽 性 能的模拟 ． 分析 了预应力筋锈蚀对预应 力混凝土构件极 限承 栽力、 刚度和破坏形式 的影响 。 结果表 明 ： 随着预应 力 筋锈蚀 率的增加 ， 构件 的极限荷栽和 刚度 降低 ， 梁顶应 变增加 ， 塑性 变形 能力变差， 破坏 由延性向脆性发展。 关键词 ： 预应 力混凝 土结构 ； 预应 力筋锈 蚀 ； 承 载性能 ； 有限元 Ab s t r a c t ：F i n i t e e l e me n t mo d e l wi t h d i s c o n n e c t — t v D e o f p r e s t r e s s e d r e i n for c e d c o n c r e t e b e a ms i s e s t a b l i s h e d b y u s i n g ANS YS 。 t h e s i mu l a t i o n o f s t a t i c l o a d c a p a c i t y f o r p r e s t r e s s e d t e n d o n s w i t h c o r r o d e d c o n c r e t e me mb e r i s a c h i e v e d ，t h e - ．i n fl u e n c e o f c o r r o d e d p r e s t r e s s e d t e n d o n s o n u l t i ma t e b e a r i n g c a p a c i t y ， s t i f f n e s s a n d d e s t r u c t i o n a l for ms o f p r e s t r e s s e d，c o n — c r e t e me mb e r s a r e a n a l y z e d ． T h e r e s u l t s s h o w t h a t 。 wi t h t h e i n c r e a s e o f c o r r o s i o n r a t e o f p r e s t r e s s e d t e n d o n s ， t h e u l t i ma t e l o a d a n d s t i f f n e s s of t h e me mb e r a r e d e c r e a s e d ， me a n wh i l e ，t h e s t r a i n o f b e a m i S i n c r e a s e d ，t h e p l a s t i c d e f o r ma t i o n a b i l i t y b e c o me s wo I s e ． a n d t h e f a i l u r e i s d e v e l o p e d f r o m t h e d u c t i l e t o b r i t t l e ． Ke y wo r d s ：P r e s t r e s s e d c o n c r e t e s t r u c t u r e ； P r e s t r e s s e d r e i n for c e d c o r r o s i o n ； B e a rin g b e h a v i o r ； F i n i t e e l e me n t 中图分类号 ： T U 5 2 2 文献标识码 ： A 文章编号 ： 1 0 0 0 — 4 6 3 7 ( 2 0 1 6) 0 3 — 6 3 — 0 4 0前 言 ’ 自预应力混凝 土 ( P C ) 结构 推广使用 至今 ， 耐久 性失效事故频现。典型案例包括柏林议会大厦预应 力支承 构件发生预应力 钢索锈蚀引起混凝 土屋顶 部分倒塌【 1 ； 辽 宁盘锦 田庄台大桥发生垮塌[2 ] 等 。由 此可见 ．处于恶劣环境的 P C结构承载性能退化 问 题已十分突出。 P C梁作为 P C结构中的重要受力构件 ， 一旦发 生预应力筋腐蚀 ， 极有可能引起整个结构出现脆性 破坏。 目前 ， 针对预应力钢筋锈蚀混凝土受弯构件 的承载力主要以试验研究为主。李富 民等[ 3 1 利用掺 盐加速锈蚀方法分别对先张和后张 P C梁 中的钢绞 线进 行腐蚀 。通过静载试验研 究了腐蚀钢绞线 P C 梁的受弯性能。刘其伟等嗍 和郑亚 明等嘲 利用静力拉 伸试 验方法研究 了通 电加速腐蚀后不 同锈蚀程度 钢绞线 的力学性 能。与试验研究相 比 ， 有限元分析 不存在构件缩尺 、 加速腐蚀差异等缺点 。因此 ， 为了 较为全面地揭示预应力筋锈蚀对 P C梁承载性能的 影响 。笔者采用 有限元 A N S Y S软件对不 同锈蚀率 P C梁 的承载性能进行了建模分析 ， 力求较为全面地 揭示预应力筋锈蚀后 P C梁承载性能的变化情况 。 基 金 项 目 ：国家 级 大 学 生 创 新 训 练 计 划 项 目( 2 0 1 5 1 1 9 9 8 0 3 6 Z ) ；教 育 部 高等 学 校 博 士 学 科 科 研 指 导 项 目( 2 0 1 2 3 2 2 71 l o o O 6 ) 。 1 单元类型与参数设置 1 ． 1 单 元类 型 采用分离式有 限元模 型 。 钢筋和混凝土分别 由 L I N K8和 S O L I D6 5单元进行模拟 ， 通过共用节点法 实现两者的协同工作[6 3 。此外 ， 鉴于实际工程中的荷 载作用方式 主要 为面荷载 ． 笔者在加 载点 、 支座 和 预应力筋两端设置了 S 0 UD 4 5单元弹性垫块 ， 这一 设置也缓解 了应力集 中现象引起的局部单元奇 异 ， 使计算易于收敛 。 1 ． 2 强化 准则 锈蚀 P C梁抗弯性能的有 限元分析属于静力单 调加载和大变形情况 ， 因此 ， 采 用等 向强化准则川 。 混凝 土材料应用 MI S O模型、普通钢筋和预应力筋 应 用 B I S O模 型 。 同时采 用 V o n Mi s e s 屈服 准则 。 1 ． 3 材料 本构 关 系 1 ． 3 ． 1 混 凝 土 采用弹塑性本构关系 。 混凝土开裂前设为各 向 同性 ， 开裂后 ， 再利用裂缝 的开展状况 实时跟踪调 整各 向同性本构关系嘲。 进 而模拟 混凝 土的各 向异 性材料特性。混凝土设计强度等级为 C 4 5 ， 2 8 d立方 体抗压强度 取实测值 5 5 ． 9 8 MP a ， 轴心抗压强度 和轴心抗拉强度 分别按式 ( 1 ) 和式( 2 ) 计算得到 ， 泊松 比取 0 ． 2 。 ． =0 ． ( 1 ) 一 63— 2 0 1 6年第 3期 混凝土与水泥制品 总第 2 3 9期 0 ． 3 9 u 0 ．5 5 ( 2 ) 混凝土的本构关系根据规范推荐 的公式翻 修改 简化得 到 ， 即忽略混凝 土的下降段 ， 以利 于计算 收 敛 。定义 ： X = 8 ／ 6 ， y = o ／f ~ ( 3 ) 当 ≤1 时 ， y = 0 + ( 3 — 2 a ~ ) x + ( 0 2 ) ( 4 ) 当 x > l时 ， y = l ( 5 ) 式 中 ： 为混凝 土峰值压应变 ； ％ 为单轴受 压 应力一 应变曲线上升段参数值 。 针对 S O L I D 6 5单元 ， 混凝土开裂采用弥散式裂 缝模型 ， 裂缝剪力传递系数 张开时取 ， 闭合时取 啷 。单轴抗压强度 取一 1 ， 即关闭压碎 ， 拉应力释 放 系数 ， 缺省值为 0 ． 6 ， K E Y O P T( 7 ) = 1 。其它基本参 数为默认值[7 1 。 1 ． 3 ． 2 普 通钢 筋 普通钢筋采用 理想 弹塑性的应力一 应变关 系 。 如图 1 所示 ． 表达式为 ： O r s = ， ( 6 ) 1 O ，8s >Sy 1 ． 3 ． 3 预应力筋 假定预应力筋应力达到极限强度时被拉断 。 预 应力筋的应力一 应变关系如图 2 。 图 1 普通钢筋应力一 应 变关系 图 2预应力筋应力一 应 变关系 1 ． 3 ． 4锈蚀预应力筋 郑亚明等[ 5 1 根据试验研究 的线性 回归 ， 得 到了 锈蚀 钢绞线力学性能的退化公式 。 ( 1 ) 名 义极 限强 度 =( 1 - 0 ． 8 3 6 p ~ , ， 一 ( 7 ) 式 中： 为锈蚀钢 绞线 的名义极 限强度 ； 为 完好 钢绞线的极限强度 ； ， 一 为钢绞线 中单 根钢 丝最大截面损失率。 ( 2 ) 名义弹性模量 ，c = ( 1 - 3 ． 6 ) ( 8 ) 式中 ： ，。 为锈蚀钢绞线名义弹性模量 ； 为 完好钢绞线的弹性模量 ； P p , 为钢绞线 的锈蚀重量损 失率 。 ( 3 ) 锈蚀钢绞线的极限延伸率 一 6 4 一 ，产( 1 - 3 ． 6 2 6 p ~ ) S u ( 9 ) 式中 ： 6 为锈蚀 钢绞线极 限延伸率 ； 为完好 钢绞线极限延伸率 ； 为钢绞线锈蚀重量损失率。 2有 限元模 型 的建 立 由于混凝土结构 的复杂性 ， 有限元分析存在计 算难 以收敛 的问题。单纯改变收敛准则 ． 提高收敛 容许度 ， 必然会对计算结果 造成较大 的误差 ， 甚 至 错误。在加载点、 支座处及预应力筋锚 固位置 由于 应力集 中 ， 导致混凝 土过早 压碎或开裂 ， 造成收敛 困难 ， 且实际工程 中 ， 荷载 的作 用方式以面荷载为 主， 很少会 出现点荷载形式 。因此 ， 笔者在加载点、 支座处预应力筋两端均添加 了弹性垫块 ． 缓解应力 集 中， 利于计算收敛 ， 也更加符合实际情况 。 设计 尺寸为 1 5 0 mmx 2 0 0 mmx 1 5 0 0 m m 的 P C梁 存在几何 和荷载的对称 ，在建模时 ，先建立 1 1 2模 型 。 再镜像生产 另一半 ， 具体 有限元模型建模过程 如下 ： ( 1 ) 建立混凝土和垫块 的几何模型 。分别 建立 混凝 土和垫 块的几何实体 ， 再将二者黏结 ， 使 二者 共 同工作 。 ( 2 ) 建立钢筋笼 的几何模型。按照 G B 5 0 0 l 0 — 2 0 1 0《 混凝 土结构设计规范》[ 1 0 】 进行配筋设 计 ， 下 部纵向受力钢筋和上部受压钢筋均为 2 ( n ) 8 ，箍筋 为① 8 @1 5 0 ( 1 0 0 ) ， 加强筋为① 8 @ 4 0 ， 预应力筋为 。 1 2 ． 7 mm的 1 ~ 7股钢绞线 。根据配筋信息 ． 利用工 作平 面对步骤 1中的几何模型进行切分 。 得到钢筋 笼的几何模型。 ( 3 ) 混 凝 土 网格 划 分 尺 寸控 制 。 为 了得 到 规 则 的混凝土单元 ， 在切分 出钢筋 笼后 。 再对 步骤 1的 几何模型进行切分 ， 控制混凝 土网格划分尺寸。 ( 4 ) 生成混凝土和钢筋单元 。几何模型建成后 ， 对应赋予普通钢筋 、 预应力筋 、 混凝土 、 垫块的本构 关系和材料属性 ， 进行 网格划分 ， 生成钢筋 、 混凝土 及垫块单元 。网格划分时， 利用划分数量控制 ， 每个 几何实体或几何直线均只划分为一份。 ( 5 ) 建立锈蚀预应力筋 重叠单元 ， 并 赋予其材 料属性和实常数。 ( 6 ) 设置约束并加载。 P C梁的位移边界条件为一端铰接 。 一端滑动支 座 。为防止发生平 面外的位移 ， 增设了平 面外位移 约束 。荷载包括预应力施加和外载 ， 外 载采用均布 面荷载 ， 施加在加载点的垫块上 ， 作用方 向为法 向。 采用降温法对预应力进行施加 。由于混凝土和 预应力筋的相互作用 ， 导致不 同位置预应力筋 的应 变存在差异 ， 分段输入初应变值 ， 操作 困难 ， 难 以实 2 0 1 6年第 3期 混凝土与水泥制品 总第 2 3 9期 ( a ) 开裂时 ( b ) 极 限荷 载 时 图 8 裂缝分布 3 ． 2 荷载一 跨 中挠度曲线 图 9给出了不同锈蚀率构件 的荷载一 跨 中挠度 曲线。由图可以看出： ①加载初期， 荷载与挠度近似 成线性关系 ， 荷载增加 ， 跨 中挠度相应增大 ， 曲线近 似为直线形式 。②钢筋锈蚀对构件的初始开裂荷载 值影响较小 ， 开裂时荷载基本不变 ， 但跨 中挠度 出 现一个突然增加的短平 台， 这表示开裂降低 了构件 的刚度， 且随着锈蚀率增加， 平台增长变缓。③开裂 后 ． 构件 刚度均出现不同程度 的降低 ， 曲线斜率变 小 ， 跨 中挠度加 速增 大 ． 且锈蚀率越 大 ． 斜 率越小 。 非线性形式越明显。 ④受拉区钢筋屈服后， 荷载一 跨 中挠度 曲线基本呈水平发展 ，荷载基本保持不变 ， 挠度不断增加。⑤随着锈蚀率的增大 ， 极限荷载变 小 ， 同一荷 载水平下跨 中挠度增加 ． 但是总 的挠度 变小 ， 甚至出现屈服平 台消失的现象。 可见 ， 锈蚀 P C 构件的极限荷载和抗弯刚度均 随钢筋锈 蚀率 的增 大而减小 ， 破坏形式 由延性向脆性发展。 图 9 不 同锈蚀率 的荷 载一 跨 中挠度 曲线 3 ． 3 荷载一 梁顶应变曲线 提取不同时刻跨中梁顶 的混凝土应变值 ， 绘制 出荷载一 梁顶应变曲线 ， 如 图 l 0所示。由图可 以看 出： ①荷载为 3 0 k N时， 曲线斜率发生突变 ， 出现一 个荷载不变 。 应变不断增加的水平平 台， 构件开裂 。 ②平台之后的曲线表现为不光滑形式 ， 实际表现为 裂缝的开展和新裂缝的产生。③随着锈蚀率增加， 曲线斜率变小 ， 同一荷载水平下 ， 梁顶应变增大。 一 6 6一 图 l O 不同锈蚀率的荷载一 梁顶应变 曲线 4结 论 ( 1 )第一条裂缝出现在纯弯段 ， 裂缝 出现时 ， 受 拉 区应力重分布 ， 受压 区应力会 突然增大 。 ( 2 )锈蚀 P C构件的极限荷载和抗弯刚度均随 钢筋锈蚀率 的增大而减小 ，塑性变形 能力变差 ， 破 坏 由延性 向脆性发展 。 ( 3 )构件裂缝分布形式为 ： 纯弯段为垂直裂缝 ， 加载点与支座之间( 弯剪区) 为斜裂缝 。 ( 4 )随着荷载增加 ， 构件梁顶应变逐渐增加 ， 同 一 荷载水平下 ， 锈蚀率越大 ， 梁顶应变越大。 参考文献 ： [ 1 】 洪定海． 混凝 土 中钢筋 的腐 蚀与防护【 M】 ． 北京： 中国铁道 出 版 社， 1 9 9 8 ． [ 2 】 金伟 良． 腐蚀混凝 土结构 学【 M】 ． 北京： 科学 出版社， 2 0 1 1 ． 【 3 】 李 富民， 袁 迎曙 ． 腐 蚀钢绞 线预应 力混凝 土梁 的受 弯性 能 试验研究[ J ] ． 建筑结构学报， 2 0 1 0 ， 3 1 ( 2 ) ： 7 8 — 8 4 ． ’ [ 4 ] 刘其伟， 张鹏飞， 赵佳军． P C连续梁 桥孔道压浆 调查及钢 绞 线力学性能研究【 J 】 ． 施工技术， 2 0 0 7 ( 2 ) ： 6 3 — 6 6 ． [ 5 】 郑亚 明， 欧阳平， 安琳． 锈蚀 钢绞线力 学性能 的试验研究 [ J ] ． 现代交通技术， 2 0 0 5 ( 6 ) ： 3 3 — 3 6 ． [ 6 ] 江见鲸． 钢 筋混凝土结构 非线性有 限元分析【 M】 ． 西 安： 陕西 科 学技术 出版社． 1 9 9 4 ． [ 7 ] 王新敏． A N S Y S工程结构数值分析【 M ] ． 北 京： 人 民交通 出版 社 。 2 0 0 7 ． 【 8 】 卢先军． 半连通 钢管混凝 土柱芯钢管角节 点模 型试验研究 【 D 1 ． 西安： 长安大学， 2 0 0 5 ． 【 9 】中华 人民共 和国住房和城 乡建设部 ．G B ／ T 5 0 1 5 2 --2 0 1 2混 凝土结构试验方法标 准【 S 】 ． 北京： 中国建筑工业 出版社， 2 0 1 2 ． 【 1 0 1 中华 人 民共和 国住 房和城 乡建设 部． G B 5 0 0 l 0 —2 0 l O混 凝 土结构设计规范f 5 】 ． 北京： 中国建筑 工业 出版社， 2 0 1 1 ． 收 稿 日期 ： 2 0 1 5 — 1 2 — 3 0 作者简 介 ： 唐硕 ( 1 9 9 3 一 ) ， 男 ， 工学学 士。 联 系电话 ： 1 5 1 5 2 1 0 4 3 7 4 E -ma i l ： 1 1 7 4 9 8 3 3 0@q q ． c o m