受腐蚀钢筋混凝土梁抗弯性能研究

51

受腐蚀钢筋混凝土梁抗弯性能研究

易美英,　方从启,　王艺霖,　程书剑

(上海交通大学土木工程系,　上海　200240)

　　【摘　要】　通过3根未腐蚀和12根腐蚀钢筋混凝土梁的抗弯试验,研究重复荷载下钢筋腐蚀率对钢筋混凝土梁变形、裂缝、承载力及破坏机理的影响。根据实验数据得出混凝土梁承载力随钢筋腐蚀率的变化规律。同时拟合出钢筋腐蚀率对钢筋与混凝土协同工作系数的影响,提出了受腐蚀梁在重复荷载下的抗弯承载力计算公式。

【关键词】　钢筋腐蚀;重复荷载;承载力

【中图分类号】　TU528.01　　　　【文献标识码】　A　　　　【文章编号】　1001-6864(2008)01-0051-03

THEBENDINGRESISTANCEBEHAVIORSOFCORRODED

REINFORCEDCONCRETEBEAM

YIMei-ying,　FANGCong-qi,　WANGYi-lin,　CHENGShu-jian(ShanghaiJiaotongUniversity,Shanghai200240,China)

　　Abstract:Theeffectofsteelcorrosiononreinforcedconcretebeamwasstudiedregardingthedeforma2tion,cracking,bearingcapacityandthefailuremechanismofthebeamunderrepeatedloading.Fifteensam2ples,including3uncorrodedand12corrodedreinforcedconcretebeamsweretested.Therelationshipbetweenthebearingcapacityofthebeamandthecorrosionlevelwaspresentedbasedontheresults.Theeffectofcor2rosionlevelonthecoordinationcoefficientbetweenconcreteandthesteelreinforcementwaspresented.Theformulaforcalculatingthebearingcapacityofcorrodedbeamsunderrepeatedloadingwassuggested.

Keywords:steelcorrosion;repeatedloading;bearingcapacity

　　纵观国内外关于钢筋腐蚀对构件承载力影响的研究,从已取得的研究成果来看,主要集中在静力性能方面。JG

Cabrera通过拔出试验和梁式试验对钢筋腐蚀引起的混凝

[1]

筋,架立钢筋采用2根直径为8mm的HRB335,箍筋为直径为

6mm的HRB235,间距为80mm,保护层厚度为18mm。所有

构件均在实验室采用钢模浇注,人工插入式振捣方式浇注成型,室内自然养护28d。

1.1　钢筋混凝土梁快速腐蚀方法

土粘结性能退化进行了研究,他采用电化学快速腐蚀方法,按照法拉第定律控制钢筋腐蚀量,通过测量梁式试件的粘结强度、裂缝宽度和挠度变化,得出结构承载力损失与腐蚀率的关系。中国矿业大学的袁迎曙等学者

[2]

对钢筋混凝土梁中的受拉钢筋采用电解液快速腐蚀法加速钢筋的腐蚀。为防止箍筋与受压钢筋的腐蚀,在与箍筋接触的受拉钢筋底部套塑料管并裹绝缘胶布。混凝土梁养护28d后放入装有5%NaCl溶液试验槽中,浸泡72h后接通稳压直流电源。将需腐蚀梁的两根受拉主筋接电源正极作为阳极,不锈钢板接电源负极作为阴极,通以直流电,形成电解池。为得到不同的钢筋腐蚀率,需要控制腐蚀时间。按照理论钢筋腐蚀率,换算成相应钢筋设计腐蚀量。再根据设计腐蚀量与法拉第原理,选择适当的电流密度即可确定通电

时间。由腐蚀所导致的钢筋质量损失可以按照式(1)估计。

mt=

,对钢筋与混凝土

粘结性能及构件承载力影响方面做了大量细致的研究,研究认为引起粘结性能退化的主要参数有三个:腐蚀率、钢筋直径及混凝土保护层厚度。Andre,Sergio和Jorge

[3]

对腐蚀后

的混凝土梁进行三分点抗弯试验,分析平均锈蚀深度,最大表面裂缝宽度和钢筋最大锈坑深度对承载力的影响,得出影响混凝土梁抗弯承载力最重要的参数是钢筋最大锈坑深度。混凝土结构在重复荷载作用下的材料性能与在静荷载作用下是不相同的。在重复荷载作用下,混凝土有蠕变加速现象,粘结性能发生改变,不仅影响构件使用阶段的刚度和裂缝,而且还影响构件的强度和承载力。

1　试验

551847tI2×96487

(1)

式中,mt为钢筋质量损失;t为腐蚀时间;I为腐蚀时间内流经钢筋截面的平均电流。

1.2　试验装置及加载制度

混凝土采用3215普硅水泥、天然中砂和粒径在5～

20mm的碎石,配合比为水泥:砂子∶石∶水=1∶1.16∶2.47∶0.41。梁的截面尺寸为b×h×l=120mm×180mm×1800mm,

钢筋混凝土试验梁简支于混凝土结构支墩上,试验梁采用手动液压千斤顶进行加载。为得到混凝土与钢筋应变,在

纵向受拉钢筋采用2根直径为10mm的HRB335级热轧钢

[基金项目]　上海自然科学基金(05ZR14073)

52

低　温　建　筑　技　术2008年第1期(总第121期)

跨中弯矩最大的两侧面各粘贴5片混凝土应变片,同时在预留孔洞中粘贴钢筋应变片,应变片全部接入DH3815静态应变仪中,采用1Π2电桥并温度补偿。加载时,根据未腐蚀钢

筋混凝土梁的理论破坏荷载值分7级进行循环加载。

2　试验结果分析2.1　混凝土梁荷载-挠度

　　从根据试验数据得到的重复荷载下受腐蚀钢筋混凝土梁荷载-挠度曲线(如图1所示)可以看出:①当梁承受的荷载较小时,荷载与挠度成线性关系,构件处于弹性工作状态,卸载后挠度可以恢复到零;②荷载继续增大,受拉区混凝土开裂,梁的荷载-挠度曲线出现转折点,挠度增长加快;卸载

后挠度不能恢复到加载前,变形不能完全恢复,有部分残余变形;③当荷载再继续增大,受拉钢筋屈服,挠度急剧增大,滞回环丰满。卸载后,变形基本不能恢复。随着钢筋腐蚀率的增加,钢筋混凝土构件的相同重复荷载下的荷载-挠度曲线面积逐渐增大,表明构件耗能能力和延性降低。

2.2　重复荷载下混凝土梁承载力与钢筋腐蚀率的关系不符合平截面假定。受腐蚀钢筋混凝土梁受力后,钢筋应变与混凝土应变不再保持一致,而是小于混凝土应变,即存在钢筋应变滞后现象。荷载越大,钢筋应变滞后越严重。

2.4　腐蚀钢筋混凝土梁承载力计算方法

从根据试验数据得到的重复荷载下受腐蚀钢筋混凝土梁承载力-腐蚀率曲线中(如图2所示)可以看出:重复荷载作用下,钢筋腐蚀率小于2%时,承载力随腐蚀率的增大而增加,增加幅度可达10%左右;钢筋腐蚀率大于2%时,承载力随腐蚀率增大而减少。这主要是由于受拉钢筋的腐蚀率小时,铁锈的膨胀力作用增加了钢筋与混凝土之间的握裹力,提高了钢筋与混凝土之间的粘结强度,从而使梁的承载力得到了相应的提高。当钢筋腐蚀到一定程度时,钢筋腐蚀产生的体积膨胀力将导致混凝土产生顺筋裂缝,甚至使混凝土保护层剥落,构件截面有效面积减少,更重要的是使钢筋与混凝土之间的粘结性能退化;同时,由于钢筋腐蚀使其截面面积减少,延性下降,造成使钢筋混凝土梁构件承载力下降。

2.3　应变分布

从图2混凝土梁承载力-腐蚀率曲线可看出,当钢筋腐蚀率较小时,梁承载力随腐蚀率成线性关系增大,腐蚀率对协同工作系数的影响用线性方程来考虑。当钢筋腐蚀率较大时,承载力随腐蚀率的增大而成非线性关系减少,其对协同工作系数的影响用一元二次方程来考虑。经过对试验数据最优化拟合和对试验理论计算结果的分析,得出协同工作系数与钢筋腐蚀率的关系式为式(2):

η=

1+0.0527ρ

ρ≤2

　　　2

2<ρ≤50.0518ρ-0.4051ρ+1.7450

(2)

式中,η为钢筋与混凝土的协同工作系数;ρ为钢筋腐蚀率,%。

重复荷载下受腐蚀钢筋混凝土梁抗弯承载力的计算可以通过按无腐蚀时钢筋混凝土梁的理论计算的抗弯承载力乘以协同工作系数得出。根据协同工作系数,腐蚀钢筋混凝

土梁重复荷载下的抗弯承载力可以通过公式(3)计算得出:

根据重复荷载下受腐蚀混凝土梁的抗弯试验可以得到钢筋混凝土应变曲线分布(如图3)。重复荷载下,随着荷载增大,混凝土梁中和轴上升。受压区混凝土应变逐渐增大,应变沿梁高按直线分布,即混凝土受压区符合平截面假定;受拉区混凝土应变逐渐减小,但应变沿梁高不是按直线分布而是按曲线变化,

张立伟等:MSC・MARC并行计算及辅助建模

53

MSC・MARC并行计算及辅助建模

张立伟,　张照福

1

2

(1.黑龙江工程学院,　哈尔滨　150050;　2.大庆市城建开发设计院,　大庆　163000)

　　【摘　要】　介绍了有限元分析软件MSC・MARC与前处理软件Hypermesh的连接,以及应用CAD进行三维有限元建模。通过建立多台电脑的连接实现并行运算,为大型模型的计算提供一个新的方法。

【关键词】　三维有限元模型;并行运算

【中图分类号】　TU20114　　　　【文献标识码】　B　　　　【文章编号】　1001-6864(2008)01-0053-02

GENERALFINITEELEMENTPRE-PROCESSESSOFTWARECONNECTIONWITHMSCMARCANDPARALLELCALCULATIONZHANGLi-wei,　ZHANGZhao-fu

1

2

(1.HeilongjiangInstituteofTechnology,Harbin150050,China;2.DaqingInstituteofArchitecturalDesign,Daqing163311,China;

3.InstituteofEngineeringMechanics,ChinaEarthquakeAdministration,Harbin150080,China)

　　Abstract:Inthispaper,connectionmethodbetweenfiniteanalysissoftwareMsc.MARCandpre-pro2

cessessoftwareHypermeshwasintroduced.ThethreedimensionalfiniteelementmodelthatwasfoundedinCADcanbeusedinanalysis.Parallelcalculationinmulti-computersprovidesanewmethodforlargemodel.

Keywords:threedimensionalfiniteelementmodel;parallelcalculation

0　引言

FEM是现有处理复杂模型的有效工具,其核心是基于现

通用有限元软件Abaqus、Marc和Adina都是分析软件。对于结构复杂的三维实体有限元分析模型的建立是这些软件的弱项。CAD建立模型的方便快捷,在处理模型方面的能力得到行业内广泛的认可。本文基于CAD与Hypermesh建模

marc并行运算提出了一种更有效的处理问题方式方法,为解

代计算力学的有限单元分析技术。众所周知,在进行有限元分析计算时,前处理工作是一个重要环节,前处理质量的好坏将直接影响计算结果的精度和计算的效率。大家熟悉的

[基金项目]　黑龙江省教育厅科学技术研究项目(11511325)

　　Mu=ηMu0

筋与混凝土的协同工作系数,见式(2)。

3　结语

(3)

sion[J].Cement&ConcreteResearch,1996,18:47-59.

[2]　袁迎署,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,2001,34(3):47-52.

[3]　惠云玲,李荣,林志伸,全明研.混凝土基本构件钢筋锈蚀前后

式中,Mu0为未锈蚀钢筋混凝土梁的抗弯承载力;η为钢

(1)　重复荷载作用下,钢筋腐蚀率小于2%时,承载力

性能试验研究[J].工业建筑,1997,27(6).

[4]　金伟良,赵羽习.锈蚀钢筋混凝土梁抗弯强度的试验研究[J].

随腐蚀率的增大而增加,增加幅度为10%左右;钢筋腐蚀率大于2%时,承载力随腐蚀率增大而减少。

(2)　得出钢筋腐蚀率对钢筋与混凝土协同工作系数的影响公式,提出了受腐蚀钢筋混凝土梁重复荷载下抗弯承载力计算公式。(3)　受腐蚀钢筋混凝土梁在重复荷载作用下,钢筋与混凝土应变不符合平截面假定,存在钢筋应变滞后现象。荷载越大,钢筋应变滞后越明显。

参考文献

[1]　CabreraJG.Deteriorationofconcreteduetoreinforcementsteelcorro2

工业建筑,2001,31(5):9-11.

[5]　牛荻涛,卢梅,王庆霖.锈蚀钢筋混凝土梁正截面受弯承载力计

算方法研究[J].建筑结构,2002,32(10):14-17.

[6]　ByungHwanOh,MASCE,SeHoonKim.Realisticmodelsforlocal

bondstress-Slipofreinforcedconcreteunderrepeatedloading[J].JournalofStructuralEngineeringASCE,2007,(2).[收稿日期]　2007-09-27

[作者简介]　易美英(1983-),女,江西南昌人,硕士研究生,从

事混凝土耐久性研究。