硫酸盐腐蚀钢筋混凝土板受弯力学性能的退化规律.pdf
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1、2 0 1 2年第 1 0期 1 0月 混 凝 土 与 水 泥 制 品 CHI N A C ONC RE T E AND C E MENT P RODUC 2 01 2 No 1 0 0c t o b e r 硫酸盐腐蚀钢筋混凝土板受弯力学性能的退化规律 周效 国 , 汪俊华 ( 1 江苏科技大学船舶与海洋工程学院, 镇江 2 1 2 0 0 3 ; 2 江苏科技大学土木工程与建筑学院 , 镇江 2 1 2 0 0 3 ) 摘要 :通过 大型非线性数值分析软件 A B AQUS对受硫酸 盐腐蚀后 的钢 筋混凝土板进行模 拟分析 ,揭 示 了 A B A QUS中塑性损伤模 型进行非线性模拟的有
2、效性 以及钢筋混凝土板 受腐蚀后 受弯性能 的退化规律。 通过模 拟结 果和试验结果的对比, 可以看 出, A B AQUS非线性模拟是行之有效 的。从 A B AQUS模拟结果和试验结果均 可看 出 随着腐蚀度 D 的增加 , 板 的极 限承载 力、 延性和 刚度逐渐减 小, 其 中承 栽力下降 约 3 - 5 , 延性下 降约 1 9 2 8 , 刚度下 降 9 。 9 6 一 1 9 4 3 , 而跨 中挠度逐渐增 大 , 这主要 是 因为随着硫 酸盐 的不断侵 蚀 , 生成膨胀性物质钙矾 石 , 板 截面 的损伤 不断严重 , 使得 截面的有效抗 弯高度 以及 弹性 模量 降低 , 最
3、终造成 板的承载 力、 延性 、 刚度的 降低 以及 跨 中挠度 的增 大。 关 键 词 : 硫 酸 盐 腐 蚀 ; 塑性 损 伤 模 型 ; 受 弯性 能 ; 腐 蚀度 ; 承 载 力 ; 挠 度 ; 延 性 ; 刚 度 Ab s t r a c t : T h e l a 职e s c a 1 e n o n l i n e a r f i n i t e e l e m e n t s o f t w a r e A B A Q U S i s u s e d t o s i m u l a t e t h e r e i n f o r c e d c o n c r e t e s
4、l a b a t t a c k e d b y s u l f a t e t o r e v e a l t h e e f f e c t i v e n e s s a b o u t n o n l i n e a r s i mu l a t i o n o f d a ma g e d D 1 a s t i c mo d e l i n AB AQUS a n d t h e f l e x u r a 1 p e rf o r ma n c e d e g r a d a t i o n l a ws o f r e i n f o r c e d c o n c r e
5、t e s l a b a t t a c k e d b y s u l f a t e C o mp a r e d w i t h t h e s i mu l a t i o n r e s u l t s a n d e x p e r i m e n t a l r e s u l t s ,i t S f o u n d t h a t t o u s e A B A Q U S t o s i m u l a t e n o n l i n e a r p e r f o rma n c e i s e f f e c t i v e T h e u l t i m a t e
6、 s t r e n g t h , d u c t i l i t y a n d s t i f f n e s s o f t h e s e s l a b s g r a d u a l l y d e c r e a s e w h e n t h e c o r r o s i o n d e g r e e D i n c r e a s e s ,a n d t h e u l t i ma t e s t r e n g t h d e c r e a s e a b o u t 3 - 5 ,t h e d u c t i l i t y d e c l i n e s
7、a b o u t 1 9 - 2 8 ,t h e s t i f f n e s s d e c l i n e a b o u t 9 9 6 - 1 9 4 3 , me a n w h i l e t h e d e fl e c t i o n i n c r e a s e s b e c a u s e o f t h e c o n s t a n t e r o s i o n o f s u l f a t e , wh i c h r e s u l t s i n mu c h e x p a n s i v e s u b s t a n c e ( E t t r
8、 i n g i t e ) , a n d t h e c r o s s - s e c t i o n s o f the s l a b c o n t i n u e t o d a ma g e s e r i o u s l y , a l l t h e s e ma k e t h e e ff e c t i v e fl e x u r al h e i g h t of the c r D s s - s e c t i o n a n d t h e e l a s t i c mo d u l u s d e c r e a s e ,wh i c h ma k e
9、 the u l t i ma t e s t r e n g t h ,d u c t i l i t y ,s t i f f n e s s of t h e s l a b s r e d u c e a n d t h e d e fl e c t i o n i n c r e a s e s i n t h e e n d Ke y wo r d s :S u l f a t e c o r r o s i o n ;Da ma g e d p l a s t i c mo d e l ;Be n d i n g p e r f o rm a n c e ;C o rro s i
10、 o n d e g r e e ;U l t i ma t e s t r e n g t h ; D e f l e c t i o n ; Du c t i l i t y ; S t i f f n e s s 中图分类号 : T U 5 2 5 文献标识码 : A 文章编 号 : 1 0 0 0 - 4 6 3 7 ( 2 0 1 2 ) 1 0 5 1 - 0 6 0前言 无论是遥远古罗马时代诸如斗兽场等建筑群 、 古老 中国大地 湾遗址 的仰韶文化建筑群 , 还是现代 化混凝土建筑世界的今天 , 混凝 土作为一种经济耐 久的建筑材料都造就了无 比璀璨的辉煌成就【 l 1 。而 随
11、着混凝土的长时间的使用 , 混凝土结构物出现 了 大量 的耐久性问题 , 造成巨大 的经济损失 。硫酸 盐对结构物的腐蚀破坏是 四类 主要的劣害之一 , 我 国广大地 区都富含着硫酸盐 , 硫酸盐腐蚀也造成 了大量的结构物 的损伤破坏【7 】 , 因此 , 我国广大地区 的结构物正面临着越来越严重的硫酸盐腐蚀。进行 硫 酸盐对混凝土结构物腐蚀破坏 的研究越来越 受 到业 界 的关 注 。 试验研究可得到最为真实的数据 , 但较 为复杂 基 金项 目:住房与城 乡建设科学技术 计划项 目 ( 2 0 0 9 一 K 2 3) 。 且费用较高 , 也易受到试验条件的限制而难 以获得 理想结果 。数
12、值模拟相对较为简便 , 容易得到试验 不能轻易得到的现象和数据 。A B A Q U S作为现在最 通用最强大的非线性数值分析软件 , 正越来越受到 工程界和高校研究人员的青睐。 目前 , 非线性分析 是最为热门的课题之一 , 由于钢筋混凝土结构材料 参数的复杂性 , 以及二者相互粘结关 系模拟较为困 难 , 所以 , 混凝土结构 的数值模拟不 易得到合理 的 收敛结果。 将 A B A Q U S运用于钢筋混凝土结构非线 性分析中可以得到更精确的、 更贴合实际的研究结 果 。 1 试验 1 1 试件设计 混凝土采用掺 2 0 粉煤灰的 C 2 5混凝土 , 混凝 土配合比如表 1所示。试验板
13、长 、 宽、 高尺寸规格为 1 0 0 0 m mx 5 0 0 m mx 1 0 0 m m, 板用 P B表示 。板 的纵筋 一 5】一 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 2 0 1 2年第 1 0期 混凝土与水泥制品 总第 1 9 8期 表 1 C 2 5混凝土配合 比( 1 m 的重量 比) 水泥 粉煤灰 砂 石 水 注 : 初始 弯矩为受弯板在腐蚀状 态中所承受 的弯矩 , 其 中 肘 为试件设计抗弯承载力 , Mu = 2 3 5 k N m 。 均采用 0 8 1 0 0 mm, 分 布筋采用 6 1 9 0 m m, 混凝 土保护层为 1 5 m
14、m, 板的分组如表 2所示 。 1 2 腐 蚀方 法 为讨论实际工程中地下结 构的板受腐蚀后 力 学性能的退化规律 , 模拟压弯板 的受力状态 , 在应 力状态下腐蚀 ,将受力构件长期浸泡 于 2 0 浓度 ( 质量百分 比) 的硫酸钠溶液中, 采用干湿循环的腐 蚀方式 , 并定期 ( 1 0 d ) 更换腐蚀溶液实现溶液 的浓 度恒 定 , 如 图 l 、 图 2所示 。 百分 图 1 P B板应力腐蚀装置图 图 2 P B板 应 力腐 蚀 实 物 图 l - 3 加载程序 使用非金属超声检测仪采用超声平测法检测 板的腐蚀厚度后 , 计算出板的腐蚀度 蛔 。 试验在对平 板腐蚀过程 中施加
15、O 5 眠 的初始弯矩 , 为设计极 限弯矩 , 当腐蚀达到预期程度后继续对试件加载至 破坏。加载方式采用逐级加载 , 初期采用荷载控制 , 2 k N一级加载 ,进入屈服 阶段后采用位移控制 , 按 一 5 2一 百分 图 3 P B板加载简图 图 4 P B板加载实物图 0 0 5 ra m一级加载 , 加载过程如 图 3 、 图 4所示。 1 _ 4 试验结果 主要 试验结 果 如表 3及 图 5所示 。 表 3 不同腐蚀程度 P B板的主要试验结果 Z 控 跨 中挠度 r a m 图 5 不 同腐蚀程度受弯板荷载一 挠度 曲线 2 数 值分 析 2 混凝土参数的确定 根据文献【 1 l
16、 】 可知 , P B 1 、 P B 2和 P B 3受压区混 凝土的抗压性能参数如表 4所示 。 试件在应力条件下进行长期腐蚀试验 , 且只有 上部受压区受硫酸盐腐蚀 , 而下部受拉区则不受腐 蚀。 如图 1 和图 2所示。 因此 , 进行混凝土参数设置 时 只有受 压 区混 凝 土受 压 本构 关 系变 化 , 而受 拉 区 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 周效国, 汪俊华 硫酸盐腐蚀钢筋混凝土板受弯力学性能的退化规律 表 4 混凝土相关参数 p 图 6 混凝 土本构关 系曲线 混凝 土本构关 系则始终保持未腐蚀 时的本构关 系 不变 。将表 4中的混凝土
17、参数代入文献 1 2 】 中得到 混凝土的本构模型, 混凝土单轴受压本构关系代入 公式( 1 ) 。混凝土本构关系曲线如图 6所示 。 2 3 O + ( 3 2 0 【 ) + ( 。 一 2 ) 1 xl ( 1 ) 2 d( 一 1 )+ 2 式中, 。 、 O l d 按文献 1 2 】进行取值分别为 : = , y = u C ,厶 按表 4进行选取 。 c k 混凝土单轴受拉本构关系按下列公式 ( 2 ) 进行 计算 : 6 1 2 x - O 2 x 1 ; ; 1 ( 2 ) l 7 O t ( 一 1 ) 帆 式 中 , 按 文献 1 2 1进 行 取 值 为 : = , y
18、 = , = 2 0 N mm 。 2 2 钢筋参数的确定 钢筋本构关 系模型采用理想弹塑性双直线模 型,如公式 ( 3 ) 。钢筋 的弹性模量为 E = 2 O x l O N m m , 屈服强度取标准值f y = 2 3 5 N mm 。 f E s , = , O - ( 3 ) 【 o - = f 一 2 - 3 AB A Q U S材料模型的确定 钢筋 混 凝 土 结 构非 线 性 问 题 主要 包 括 三 类 3 1 : 材料非线性 、 几何非线性、 边界条件非线性。材料非 线性是指钢筋和混凝土两种材料 在结构受力分 析 过 程 中,要 同时 考 虑 其 弹 性性 能 和 塑 形
19、 性 能 。 A B A Q U S通过分别定义钢筋和混凝 土的本构关 系 来实现材料非线性的特性,弹性阶段须分别输入两 种 材 料 的弹 性模 量 和泊 松 比 , 塑性 阶 段则 需 要 输入 两 种 材料 塑性 阶段应 力 和 对应 的非 线 性 应 变关 系 。 A B AQ U S中混凝 土塑性模 型 4 有 C o n c r e t e S m e a r e d C r a c k i n g( 弥散裂 纹 混凝 土模 型 ) 、 C o n c r e t e D a ma g e d P l a s t i c i t y ( 混凝 土损伤塑性模型 )以及 A B A Q
20、U S E x p l i c i t 中的 C r a c k i n g Mo d e l f o r C o n c r e t e ( 混 凝 土 裂 缝模型) , 其 中, 混凝土损伤塑性模 型可用于单项加 载、 循环加载以及动态加载等场合, 具有较好的收敛 性 。因此 , 一般采用混凝土损伤塑性模型进行混凝 土非 线性 问题 的模拟 分 析 。本 文考虑 试验 中混凝 土 的腐蚀程度较轻 , 而且没有进行相应 的损伤因子 的 试验测定 , 因此 , 将不考虑受力过程中损伤 的影响 , 只考虑混凝土的受压和受拉性能。 2 4 单 元离散 考虑到计算 的时间成本和收敛 的难易程度 ,
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- 关 键 词:
- 硫酸盐 腐蚀 钢筋混凝土 板受弯 力学性能 退化 规律
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