混凝土构件中钢筋非均匀锈胀应力研究

研究钢筋锈蚀引起混凝土保护层开裂的机理,对于评估受锈蚀影响的混凝土结构剩余寿命具有重要意义。本文提出了一种求解钢筋非均匀锈蚀应力场的解析方法。基于Muskhelishvili的复变函数法和Verruijt共形映射公式,利用基于冯·米塞斯分布的钢筋非均匀锈蚀模型作为位移边界条件,得到了钢筋非均匀锈胀应力的解析解。通过与基于ANSYS有限元模拟结果的比较,验证了解析解的有效性。对比了不同锈蚀模式下引起的应力,发现非均匀锈蚀引起的最大应力远大于均匀锈蚀引起的最大应力。通过实例探讨了影响钢筋锈胀力的各个因素,研究表明：钢筋直径越大,锈胀力越小,混凝土保护层越容易开裂;混凝土保护层厚度越大,锈胀力越大;混凝土强度等级越高,钢筋锈胀力亦越大。为易受锈蚀影响的钢筋混凝土构件设计提供了科学依据。     

钢筋锈胀引发混凝土保护层开裂破坏的细观数值研究

钢筋锈蚀膨胀引起保护层混凝土开裂是影响钢筋混凝土结构耐久性和服役寿命的重要因素。考虑到混凝土细观结构组成对保护层破坏模式的影响,从细观角度出发,将混凝土看作由骨料、砂浆基质及两者间界面过渡区组成的三相复合材料,建立了描述钢筋锈胀力学行为的混凝土随机骨料模型。采用塑性损伤本构关系模型来表征砂浆基质和过渡区界面的力学行为,假定钢筋均匀锈蚀,对钢筋锈胀引起的混凝土保护层开裂破坏过程进行了细观数值研究。对比了宏观均匀模型与细观非均质模型下获得的保护层破坏模式,探讨了径厚比(c/d)、钢筋位置(中部和角区)及混凝土拉伸强度对保护层破坏模式及保护层胀裂时钢筋锈蚀水平的影响,得到了一些有益结论。     

混凝土结构锈胀开裂的扩展有限元数值分析

依据非均匀锈胀理论提出钢筋锈胀作用的计算方法,应用扩展有限元法(XFEM)建立了钢筋锈胀保护层开裂的有限元模型.数值分析表明:采用XFEM与混凝土黏聚力模型能有效模拟混凝土开裂及裂纹扩展,避免了网格重剖分的问题;预裂纹的存在抑制了混凝土裂纹萌生,却加速了裂纹扩展贯通保护层,且萌生始于预裂纹尖端,而非钢筋-混凝土锈蚀层界面处;初始无损伤结构裂纹萌生位置对称分布于锈蚀层界面一定范围内,裂尖距交界面距离越大,单元受锈胀影响越小,最终贯通保护层主要是锈胀位移与锈蚀产物渗入裂缝产生作用力共同作用的结果,且裂纹扩展角趋于120°;提高混凝土等级和增大保护层厚度能有效延缓锈胀裂缝的产生与发展,有利于提高结构耐久性.     

钢筋混凝土结构锈胀开裂宽度的试验研究及预测模型

设计了45片钢筋混凝土(RC)构件,基于RC构件通电加速锈蚀,对该批构件进行腐蚀试验研究,测试了锈胀裂缝宽度及其位置和发生时间。以钢筋锈蚀率、保护层锈胀开裂、锈胀裂缝宽度、相对保护层厚度和混凝土强度为分析参数,结合测试数据,利用加速腐蚀和自然腐蚀的对应关系,通过数理统计回归分析建立了锈胀开裂宽度的预测模型。分析了各参数对锈胀开裂扩展的影响。该模型对RC结构耐久性设计提供一定的参考。使用本文建立的模型以及规范模型对文献试验数据和一座服役近40年的实桥构件的锈蚀率和锈胀裂缝宽度进行了预测,计算结果表明本文模型有较强的适用性,能够用于实桥锈胀损伤分析。     

混凝土保护层锈胀开裂过程分析的细观刚体弹簧元模型

建立了描述保护层锈胀开裂过程的细观刚体弹簧元模型(RBSM),获得了锈胀裂缝的扩展过程和保护层的力学响应。数值结果表明,锈胀裂缝开展过程与试验现象较为一致;混凝土采用弹性本构关系时,平均锈胀压力-径向位移曲线的斜率(模型刚度)与厚壁圆筒模型理论值接近;采用软化本构关系时,平均锈胀压力峰值与理论值接近,从而验证了本文模型的正确性。此外,探讨了保护层厚度和钢筋直径对锈胀过程力学响应的影响规律。结果表明,保护层厚度减小将导致峰值锈胀压力和径向位移降低;钢筋直径增大同样会导致峰值锈胀压力降低,对应的径向位移整体上呈现随钢筋直径增大而减小的趋势。     

锈胀开裂后变形钢筋与混凝土粘结性能实验研究

为研究锈胀开裂对变形钢筋与混凝土间粘结性能的影响,开展了电化学快速锈蚀内贴应变片钢筋混凝土试件的拔出实验,得到了不同位置处钢筋的应变,进而推导了钢筋与混凝土不同位置处的粘结应力,分析了锈胀裂缝宽度对钢筋与混凝土间不同位置处粘结应力的影响。实验研究表明:粘结试件中的钢筋应变对锈胀裂缝宽度的敏感性大;对于锈胀裂缝较小的试件,其粘结应力峰值接近加载端,而对于锈胀裂缝较大的试件,粘结应力峰值更靠近自由端。     

含横向裂缝混凝土氯盐侵蚀所致锈裂面的细观分析

为了更精确地分析氯盐侵蚀下含横向裂缝混凝土的锈胀开裂规律,考虑混凝土骨料的几何本征特性,利用激光扫描及图像处理技术获取混凝土的真实骨料库;在此基础上建立了扩散与应力耦合的三维细观锈胀开裂计算模型,分析了锈裂面的几何形态,并研究了锈裂面的宽度、角度与骨料体积率及骨料比表面积的关系。研究表明：在含横向裂缝的混凝土试块中,氯盐侵蚀所致的锈蚀开裂面均为“双月牙”形态,且开裂面形态随骨料比表面积增大呈现较强的不对称性;锈裂面的最大宽度随骨料体积率减小而增大,当骨料体积率增大到20%,开裂面最大宽度基本保持不变;锈裂面的最大夹角位于混凝土横向裂缝正下方,当骨料比表面积为0.160～0.197 m~2/kg时,锈裂面的最大夹角范围为144°～160°。     

锈蚀钢筋混凝土双筋矩形梁抗弯承载力分析

钢筋锈蚀是钢筋混凝土桥梁的主要病害之一。在锈蚀钢筋混凝土双筋矩形截面梁中,钢筋锈蚀易造成结构性能退化,并引起钢筋和混凝土相对滑移,导致结构的承载力降低,受拉区的钢筋与混凝土变形不协调。通过构造新的几何条件,推导了锈蚀钢筋混凝土双筋矩形梁正截面极限抗弯承载力计算公式。对室内快速锈蚀双筋矩形梁进行正截面抗弯承载力实验,结果表明推导的锈后双筋矩形梁正截面抗弯承载力公式的计算值与实验值吻合较好。上述工作为进一步进行工程实践奠定了基础。     

利用CFRC压敏性监测钢筋锈蚀的模拟实验研究

碳纤维增强水泥(CFRC)有很高的应变敏感性,在钢筋外均匀地包裹一层CFRC,并埋入普通混凝土中,当钢筋锈蚀体积膨胀时,对CFRC来讲,就如受有内压的圆筒埋入无限大弹性体中。通过监测CFRC的电阻变化可了解钢筋的锈蚀及其发展。据此,将CFRC制成内径为16mm壁厚为10mm的圆筒(包括内、外电极),24小时候后脱模并埋入边长为150mm的立方块中,再过24小时候后脱模并养护,28天后测试。根据钢筋锈胀的机理利用静态爆破剂的膨胀性和时效性来快速模拟钢筋锈蚀所产生的膨胀效应,采用静态爆破剂模拟钢筋的锈蚀产物,通过爆破剂的膨胀模拟锈蚀产物的体积膨胀作用,通过爆破剂的膨胀力的增大过程模拟钢筋锈蚀的发展过程。实验表明:利用CFRC包裹钢筋来监测钢筋锈蚀的方法灵敏度高,且可以进行定量估算。     

基于网格生成的随机凹凸型混凝土骨料细观建模方法

基于目前混凝土细观数值分析多采用二维模型,提出了一种基于网格预先生成的二维随机凹凸型骨料的混凝土细观建模方法。该方法利用已生成的网格状态进行骨料投放,有效解决了在细观三相介质中的网格质量问题。采用随机凹凸型骨料使骨料模型更加接近真实形态,避免了该方法对骨料形貌描述不准确的问题。该方法可保证投放的随机性以及级配分布的合理性,二维投放骨料含量可达75%。最后,采用混凝土损伤塑性模型模拟了混凝土保护层锈胀开裂的细观断裂破坏过程,分析了混凝土裂纹萌生、扩展过程及破坏形态,数值结果与实验结果吻合良好。     

锈蚀钢筋混凝土偏心受压构件实验及其承载力计算方法研究

大量锈蚀钢筋混凝土偏压构件的实验研究表明,随着纵向受力主筋锈蚀率的增大,偏心受压构件的承载力及其刚度均有不同程度的降低。并且由于钢筋锈蚀,钢筋混凝土偏心受压构件延性也随之降低,脆性性质明显,从而可能使得钢筋混凝土偏压构件的破坏形态发生变化。在对预制钢筋混凝土柱进行快速锈蚀实验85研究的基础上,对锈蚀偏心受压构件的结构性能退化机理和破坏特征进行了分析;在现行计算理论和实验85结果分析的基础上,通过拟合出的锈蚀钢筋与混凝土间的应变不协调系数,对未锈蚀构件的相对界限受压区高度进行修正,得到了锈蚀偏心受压构件相对界限受压区高度的修正公式;考虑锈蚀钢筋截面的削弱、钢筋屈服强度的降低以及钢筋和混凝土之间粘结性能退化的影响,提出锈蚀偏心受压构件正截面承载力计算方法,为今后混凝土结构耐久性评估和可靠性鉴定提供了科学依据。     

钢筋混凝土结构的三维有限元非线性分析

提出了一个简单的混凝土三维本构模型,结合两种钢筋分布模式编制了钢筋混凝土结构非线性分析的三维有限元程序,通过两个经典的算例对比分析,表明本文提出的混凝土本构模型能够有效地模拟结构的破坏荷载和破坏过程。     

关于钢筋混凝土数值分析中的本构关系

本文对钢筋混凝土数值分析中的本构关系,包括混凝土的本构关系,钢筋的本构关系,钢筋与混凝土之间的粘结关系的研究现状作了介绍与评述,对今后的发展趋势发表了一些看法．      

钢筋混凝土平面杆件非线性分析模型及其应用

本文提出了五区段变刚度单元模型,连续五区段变刚度单元模型,并将其应用于钢筋混凝土平面高层结构的非线性地震反应计算。     

受拉钢筋混凝土构件破坏过程中的等间距裂缝形成机理

采用三维真实材料破坏过程分析RFPA3D(Three-Dimension Realistic Failure Process Anal-ysis)系统,先对受拉钢筋混凝土构件在轴向拉伸作用下的破坏过程进行了数值试验研究,并与相应的实验结果进行了比较,数值试验得到的结果都与实验吻合的较好.并在此验证基础上利用RFPA系统着重分析了混凝土及钢筋在拉伸条件下的破坏过程中的应力分布情况过程及破坏机理.数值试验结果表明,受拉钢筋混凝土结构破坏过程中存在“等间距裂缝现象“,并通过破坏分析再现了裂缝形成、加密直至饱和的演化过程.本文还用三维程序,通过多个不同混凝土厚度钢筋混凝土构件的数值试验,研究了混凝土厚度对裂缝数及裂缝间距的影响,进一步发现饱和裂缝间距与混凝土厚度之间存在正比关系.随混凝土保护层厚度的增加而增大,裂缝数量随混凝土保护层厚度的增加而减少.     

钢筋混凝土空间杆件精细非线性分析模型

针对现有钢筋混凝土空间杆件非线性分祈模型进行了评还,应用结构力学方法推导得到了沿秆长配筋分布均匀的钢筋混凝土空间杆件的非线性单元刚度矩阵,建立了应用高斯积分点所在截面的非线性性质描述钢筋混凝土空间杆件非线性的计算过程。对于沿杆长配筋分布不均匀的杆件,根据其实际情况,将其细分为两段或三段沿杆长配筋分布均匀的杆段,以沿杆长配筋分布均匀的钢筋混凝土空间杆件非线性分析模型为基础,建立了沿杆长配筋分布不均匀的空间杆件的非线性分析模型。最后,给出了两个算例。就本文方法及程序的计算结果与模型结构振动台试验结果、常规非线性杆件模型的计算结果进行了比较。