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。     

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.     

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推导出综合考虑混凝土塑性性能及混凝土与钢筋界面裂 隙等因素的混凝土保护层锈胀开裂时钢筋锈蚀率的计算公式，验证了计算公式的可行性，探 讨了影响混凝土保护层锈胀开裂时钢筋锈蚀率的相关因素，可用于钢筋混凝土结构耐久性评 估及寿命预测.     

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。     

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。     

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°。     

三维随机凹凸型混凝土骨料细观建模方法研究

为了提高混凝土细观力学中数值模拟预处理的要求,提出了一种网格预先生成的三维随机凹凸型混凝土骨料建模方法。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。同时,提出一种四面体分割法来判断空间三维骨料与单元节点的位置关系,进行细观三相介质单元判断,该方法可保证投放的随机性以及级配分布的合理性,三维投放骨料含量可达到65%。采用本文提出的预处理方法,结合混凝土塑性损伤模型,分析了钢筋锈蚀引起的保护层开裂破坏过程,结果表明:受随机骨料的影响,顺筋裂纹的产生具有不确定性。     

混凝土中心裂缝单轴拉伸损伤断裂数值模拟研究

基于对混凝土细观力学的认识,假定混凝土是由砂浆基质,骨料及它们之间的界面组成的三相复合材料,各组分的材料性质按照某个给定的Weibull分布来赋值,细观单元满足弹性损伤的本构关系,应用细观力学损伤模型研究了混凝土的宏观力学性质,并且通过有限元程序对中心裂缝混凝土试件在单向拉伸情况下的破坏过程进行了数值模拟.模拟结果表明,该模型可以用来研究单向载荷作用下混凝土结构的破坏机理.     

基于均匀化理论的混凝土宏细观力学特性研究

在细观层次上将混凝土视为由砂浆基质、骨料及其界面组成的三相复合材料,在此基础上,采用有限元方法,对混凝土弹性本构关系进行数值模拟,利用位移渐近展开技术和均匀化理论建立了多尺度力学框架下的有限元平衡方程,重点考察了单胞尺寸对宏观力学性能的影响,得到了相对最大骨料粒径的最小单胞尺寸,即5～10倍最大骨料粒径.作为例证,对混凝土三点弯梁进行了宏细观尺度数值仿真研究,结果表明:基于本文方法可以较好地反映混凝土的宏观力学行为.此外,由于骨料、砂浆的相互作用,应力分布呈现出宏观渐变平滑与细观局部突变的特征.     

基于降阶均匀化理论的混凝土双尺度力学性能分析

混凝土材料细观特性对宏观力学性能有着重要影响。为进一步分析混凝土细观特性对宏观力学行为的影响规律,将混凝土材料简化为由骨料、砂浆和界面三相组成,编制了随机凸多面体骨料生成、投放和网格剖分算法,建立可用于有限元计算的满足级配要求的随机细观模型。针对直接使用细观力学模型计算量较大的问题,采用降阶均匀化理论,对混凝土细观胞元模型进行预处理并编制了相应的双尺度计算程序。对不同强度混凝土进行了单轴静态压缩双尺度计算,与实验数据和细观力学模拟结果符合较好。研究表明,降阶均匀化理论在加快求解速度的同时具有较高的精度,可以用于混凝土的多尺度力学性能分析。     

多轴加载下混凝土细观破坏模拟的强度准则探讨

实际工程结构中混凝土材料大多处于双轴或三轴的复杂应力状态,已有的细观力学数值研究工作大多针对单轴加载问题,对于双轴或者三轴加载条件下混凝土破坏模拟的研究相对较少。复杂受力条件下的混凝土材料破坏模拟中,细观组分强度准则选取的合理与否将成为混凝土破坏模式及宏观力学性能数值研究准确和成功与否的关键。本文旨在探讨单轴强度准则,如最大拉应变准则在多轴加载条件下混凝土破坏过程研究中运用的合理性。鉴于此,首先在细观尺度上建立了混凝土试件的二维随机骨料模型,分别采用弹性损伤本构关系模型及塑性损伤本构关系模型来描述细观组分(即砂浆基质)的力学性能,对双轴加载条件下混凝土的细观破坏过程进行数值模拟,对比了单轴强度准则和多轴强度准则下混凝土试件破坏路径及宏观应力-应变关系的差异。数值结果表明,简单的单轴强度准则难以反映双轴加载下混凝土内部应力状态的复杂性,不宜采用单轴强度准则来描述多轴加载下混凝土的破坏行为。     

EXPERIMENTAL RESEARCH OF THE WHOLE TENSILE CURVE FOR BITUMINOUS MORTAR

细观尺度上, 沥青混合料是由沥青胶浆、粗骨料和孔隙等构成的多相复合材料, 而沥青胶浆的力学参数为沥青混合料进行细观尺度研究的重要部分, 对抗拉强度有着决定性的影响. 本文通过设计制作加载夹具针对不同温度和不同加载速率的条件, 对9 组试件进行拉伸试验, 得到沥青胶浆拉伸全曲线. 通过对沥青胶浆拉伸全曲线的研究和计算, 确定了沥青胶浆的最大破坏应力σ_max、刚度K_nn 和破坏位移U, 这些参数为采用粘聚带本构模型模拟沥青混合料的开裂行为提供了力学参数.     

Modelling of compressive behaviour of concrete-like materials at high strain rate

Uniaxial compression tests are the most common tests for characterizing the strength of concrete-like materials. The dynamic compression strength of concrete-like material is typically obtained by Split Hopkinson Pressure Bar (SHPB) tests. The increase in material strength under dynamic loading is usually attributed to the strain rate effect and modelled with a dynamic increase factor (DIF). However, it was observed by some researchers that the radial inertial confinement caused apparent increase of dynamic strength of concrete-like specimen in SHPB tests. They attributed the material strength increase to this inertial effect, instead of the strain rate effect. In the present study, numerical analyses are performed to investigate the compressive behaviour of concrete-like material at high strain rates. A homogeneous macroscale model and a heterogeneous mesoscale model are developed in the study. In the macroscale model, the material is assumed to be homogeneous and isotropic. In the mesoscale model, the test sample is modelled as a three-phase composite consisting of aggregate, mortar matrix and interfacial transaction zone (ITZ) between the aggregate and the mortar matrix. The aggregate is assumed to be circular and the ITZ is modelled as a thin boundary around the aggregate. In the both models, the materials are assumed to be insensitive to the strain rate first. Therefore, the obtained strength enhancement is only due to the inertial confinement. Strain rate sensitive material properties are then used in the two models in the calculations. Numerical simulations of the concrete samples under compression at different strain rates are carried out. The relative contribution of the inertial effect and the strain rate effect on the compressive strength DIF is examined based on the numerical results. The failure process of concrete specimen is also studied.     

混凝土材料宏观力学特性分析的细观单元等效化模型

提出了一种混凝土材料宏观力学特性分析的新方法—细观单元等效化模型。该方法从描述混凝土材料的细观尺度入手,采用Monte Carlo法生成由骨料颗粒及砂浆基质组成的混凝土试件的随机骨料模型;然后,依据混凝土材料特征单元尺度来剖分有限元网格并投影到建立的随机骨料模型上,各细观单元的有效力学特性则采用复合材料等效化方法来确定。本文方法体现了材料非线性宏观力学特性源于其内在的不均匀性这一认识,而对不均匀性的描述则是以网格剖分是否影响其宏观力学特性为准则。因此,本文方法较其他细观力学方法最大的优点在于极大地减小了体系自由度数目（特别是对于三维问题）,从而提高了计算效率。算例分析初步验证了本文方法的高效性。     

钢筋混凝土梁受弯破坏过程的细观数值模拟研究

在细观层次上将混凝土视为由粗骨料、硬化水泥砂浆及界面粘结带组成的三相非均质复合材料,能够较好地模拟混凝土加载时的裂缝扩展过程和分布规律。本文采用细观刚体弹簧元法模拟了钢筋混凝土梁的弯曲受力性能和破坏过程,加载方式采用两点对称加载。数值计算得到了钢筋混凝土梁的破坏形态和荷载一变形曲线,并分析了受力过程中纵向钢筋的应力变化。与试验结果对比表明,细观刚体弹簧元法可以有效模拟钢筋混凝土梁的裂缝开展过程、破坏形态和荷载一变形响应。     

Mesoscopic model to simulate the mechanical behavior of reinforced concrete members affected by corrosion

In this contribution, a finite element methodology devised to simulate the structural deterioration of corroded reinforced concrete members is presented. The proposed numerical strategy has the ability to reproduce many of the well-known (undesirable) mechanical effects induced by corrosion processes in the embedded steel bars, as for example: expansion of the reinforcements due to the corrosion product accumulation, damage and cracking patterns distribution in the surrounding concrete, degradation of steel–concrete bond stress transfer, net area reduction in the reinforcements and, mainly, the influence of all these mentioned mechanisms on the structural load carrying capacity predictions.At the numerical level, each component of the RC structure is represented by means of a suitable FE formulation. For the concrete, a cohesive model based on the Continuum Strong Discontinuity Approach (CSDA) is used. Steel bars are modeled by means of an elasto-plastic constitutive relation. The interface is simulated using contact-friction elements, with the friction degradation as a function of the degree of corrosion attack. Two different (and coupled) mesoscopic analyzes are considered in order to describe the main physical phenomena that govern the problem: (i) an analysis at the cross section level and (ii) an analysis at the structural member level.The resultant mechanical model can be used to simulate generalized reinforcement corrosion. Experimental and previous numerical results, obtained from the available literature, are used to validate the proposed strategy.     

冲击荷载作用下混凝土材料的细观本构模型

将混凝土材料看成是水泥砂浆基体和粗骨料颗粒组成的2相复合材料,假设水泥砂浆基体和粗骨料颗粒均为弹性、均匀、各向同性的,粗骨料颗粒为球形。基于Mori-Tanaka理论和Eshelby 等效夹杂理论推出了混凝土材料弹性模量的计算公式。在Horii和Nemat-Nasser提出的脆性材料在双轴向压应力作用下破坏的滑移裂纹模型基础上,运用细观力学方法推导了微裂纹对材料弹性模量的弱化作用以及微裂纹的损伤演化方程。建立了混凝土材料在冲击荷载作用下的一维动态本构模型,模拟曲线与实验曲线符合良好,因而可以用该模型模拟混凝土材料在冲击荷载下的动态特性。