混凝土内部锈蚀钢筋应力集中特性研究.pdf

李建凤等 ： 混凝土 内部锈蚀钢筋应力集 中特性研究 6 l 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3 0 0 0 7 2) 【 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 【 中图分类号】 T U 3 7 5 【 文献标识码】 B 【 文章编号】 1 0 0 1 6 8 6 4 ( 2 0 1 3 ) 0 3 0 0 6 1 0 3 钢筋在氯盐腐蚀 环境下容易产生不均匀锈蚀， 形成锈 坑， 造成应力集中现象。虽然钢筋的平均锈蚀率可能很小 ， 但严重的局部锈蚀对其受拉性能极其不利。不均匀锈蚀比 均匀锈蚀的危害更大， 它使得钢筋的本构关系变化， 延展性 降低 ， 从而更加容易发生无征兆的脆断。目前对钢筋的锈 蚀研究多集中于普通钢筋， 且单独对钢筋进行分析， 钢绞线 的锈蚀、 混凝土开裂对锈蚀钢筋的影响的研究鲜有报道。 埋设在混凝土里的钢筋， 受到混凝土的作用力， 当混凝土出 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 在也会影响钢筋的锈坑处应力集中程度。对锈蚀钢筋的研 究， 特别是混凝土中的钢筋、 钢绞线锈坑处应力集中现象对 钢筋的力学性能影响的研究更加紧迫。 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 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。 考虑到理论分析和试验研究的局限性， 本文利用有限 元方法建立二维有限元模型， 通过预制锈坑和裂缝等缺陷， 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 间的量 化关系。 1 钢筋锈蚀程度理论分析 ( 1 ) 钢筋锈蚀深度预测模型。钢筋锈蚀是一个随着 时间变化的电化学过程， 为获得锈蚀钢筋的应力集中情况， 先要明确锈蚀深度的变化规律。u和 We y e r s 提出腐蚀电 流强度与时间的关系为 ： 一 ( t )= 0 8 5 i ( Z ) t 。 。 凹 ( 1 ) 式中， i 。 ( t ) 为起锈后 t 时刻的腐蚀电流强度， c m ； i 一( Z ) 为钢筋初始锈蚀速度。由 K i m提出的计算公式： ( z )： ( 2 ) 式中， w c为混凝 土 的水灰 比； C为钢 筋保护 层厚 度 ， mmo 而在电化学腐蚀里有以下关系式： ( t )= 0 O 1 1 6 i ( t ) ( 3 ) 式中， 。 丌 ( t ) 为钢筋锈蚀速率 ， m m 年。 所以钢筋的时刻锈蚀深度为： ，t k t O d=I V e 。 ( f ) d ( t ) ( 4 ) 式中， t 。为钢筋起锈时间； t 为结构已服役时间， 年。 由式( 1 ) 一( 4 ) 可得钢筋锈蚀深度和锈蚀时间之间的关系， 见表 I 。 区域大。 参考文献 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 分析与应用 J 自然灾害学报 ， 2 0 0 6 ， 1 5 ( 3 ) ： 1 5 71 6 3 2 牛雪梅， 王峰。 熊晓燕 基于应变模态分析的损伤识别方法研 究 J 中北大学学报( 自然科学版) ， 2 0 1 1 ， 3 2 ( 6 ) ： 6 8 2 6 8 7 3 】 顾培英， 丁伟农 模态试验在粱损伤诊断中的应用研究 J 振 动与 冲击 ， 2 0 0 4。 2 3 ( 3 ) ： 6 O一 6 3 4 李德葆， 诸葛鸿程， 王波 实验应变模态分析原理和方法 J 清华大学学报 ( 自然科学版 ) ， l 9 9 0 ， 3 8 ( 2 ) ： 1 0 51 I 1 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， 2 0 0 5 ， 2 5 ( 4 ) ： 5 0 5 3 6 顾培英， 邓昌， 吴福生 结构模态分析及其损伤诊断 M 南 京 ： 东南大学 出版社 ， 2 0 0 8 7 S h i Z Y， L a w S S ， Z h a n g L M S t r u c t u r a l d a m a g e l o c a l i z a t i o n f r o m mo d a l s t r a i n e n e r g y c h a n g e J J S o u n d V i b ， 1 9 9 8 ， 8 2 58 4 4 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 研究 J 湖南大学学报， 1 9 9 7 ， 2 4 ( 5 ) ： 6 9 7 4 收稿 日期 2 0 1 21 21 0 作者简介 李桂青 ( 1 9 8 8一) ， 女 ， 山西忻 州人 ， 硕 士研究 生 ， 研究方 向： 水利工程 。 李建风等： 混凝土内部锈蚀钢筋应力集中特性研究 6 3 缝宽度情况下钢筋锈坑处的应力集中程度， 在模型上调整 预制裂缝宽度进行计算 ， 结果如图8所示。可以看到相同情 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 重。随着裂缝宽度的增加， 圆形和椭圆形锈坑处的应力基 本保持不变， 而三角形锈坑处则有小幅波动。 ( 4 ) 应力集 中系数。为了方便表述锈蚀钢筋的应力 集中现象， 本文拟通过用应力集 中系数来表示应力集中的 程度。应力集中处的最大应力与基准应力之 比， 定义为理 论应力集中系数， 简称应力集中系数， 即： = ( 5 ) 式中， 最大应力 矿 可根据以上有限元法分析得到； 基 准应力 是人为规定的应力比的基准 ， 假设构件的应力集 裂缝深度 m m 图7 不同裂缝深度 时的应力集 中情况 中因素( 如孔、 缺口、 沟槽等) 不存在， 以构件未减小时截面 上的应力为基准应力。 考虑随时间的锈坑深度的变化， 得到以下应力集中系 数变化趋势， 利用所得系数拟合曲线， 获得应力集中系数随 时间变化拟合的曲线如图 9所示。 得到锈坑应力集中系数拟合公式 ： ，1 0 4 5+ 0 0 0 3 3 5 ( t k t 0 ) ( 圆形) = 1 0 3 9 + 0 0 0 3 1 3 ( t k t o ) ( 椭圆形) ( 6 ) L 1 0 9 5+0 0 0 2 3 4 ( t k t o ) ( 三角形) 可以发现， 圆形和椭圆形锈坑的应力集中系数随锈坑 深度的增加而线性变化， 三角形锈坑的应力集中系数变化 不规律， 线性拟合效果很差。 裂缝深度 mm 图8 不同裂缝深度时的应力集中情况 4结语 本文分别讨论了圆形、 椭 圆形和三角形锈坑在变化的 锈坑深度、 混凝土裂缝深度及裂缝宽度影响下的应力集中 特性， 给出了随锈坑深度变化的应力集中系数计算公式。 研究结果表明 ， 锈坑深度和裂缝深度是影响钢筋应力 集中程度的主要原 因， 而锈坑形状及裂缝宽度的变化影响 不大。相同情况下， 圆形锈坑和椭圆形锈坑处应力集中系 数随锈蚀深度的增加而线性增加 ， 三角形锈坑集中程度变 化不明显。随着混凝土裂缝深度的增加， 钢筋锈坑处应力 集中程度增加， 特别是混凝土开裂前后。相同情况下， 随着 混凝土裂缝宽度的增加， 圆形和椭圆形锈坑处的应力集中 程度基本保持不变， 而三角形锈坑的应力集中程度随着裂 缝宽度变化有小幅波动， 且其集中程度要比圆形、 椭圆形锈 坑严重。锈坑变化和裂缝变化对应力集 中效应的综合作用 有待进一步研究。 参 考文献 1 安琳， 欧阳平， 郑亚明 锈坑应力集中对钢筋力学性能的影响 籁 导 姻f R 锈蚀年 限， 年 图9 锈坑应力集中系数分布图 J 东南大学学报( 自然科学版) ， 2 0 0 5 ， 3 5 ( 6 ) 2 范颖芳 ， 周晶 考虑蚀坑影响的锈蚀钢筋力学性能研究 J 建 筑材料学报 ， 2 0 0 3， 6 ( 3 ) 3 闪勇， 郭院成， 曾力 锈蚀钢筋力学性能的数值分析 J 工业 建筑 ， 2 0 0 7， 3 7 ( 增刊 ) 4 施锦杰， 孙伟 混凝土中钢筋锈蚀研究现状与热点问题分析 J 硅酸盐学报， 2 0 1 0 。 3 8 ( 9 ) 5 李富民， 袁迎曙 氯盐环境下混凝土内钢绞线的锈蚀特性试验 研究 J 预应力技术 ， 2 0 0 9 ， ( 4) 6 王旭光， 李翠 混凝土内钢筋的蚀坑形状及分布特征 J 徐州 工程学 院学报 ( 自然科学版)， 2 0 1 0 ， 2 5 ( 2 ) 7 李富民 氯盐环境钢绞线预应力混凝土结构的腐蚀效应 D 徐州 ： 中国矿业大学 ， 2 0 0 8 8 袁迎曙。 贾福萍 ， 蔡跃 锈蚀钢筋混凝土梁的结构性能退化模 型 J 土木工程学报， 2 0 0 1 ， 3 4 ( 3 ) 收稿 日 期】 2 0 1 2 1 2 0 7 作者简介 李建凤( 1 9 8 7 一 ) ， 女， 河南焦作人， 硕士研究生， 研究方向 ： 建筑与土木工程。 讲究质量 读者至上 j 【欠 迎投褊 j 【 欠 地刊登广告 W R s a 日 I 皇 B d w， R 2s l 至 n ” “ “ “ “