張旭偉

(鎮(zhèn)江市住房與城鄉(xiāng)建設(shè)局抗震辦公室，江蘇鎮(zhèn)江 212000)

0 引言

在科技日益發(fā)展的今天，人們更加重視建筑結(jié)構(gòu)的耐久性性能及設(shè)計(jì)。作為工業(yè)與民用建筑最重要的建筑結(jié)構(gòu)——鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，由于其使用面寬，因而研究其耐久性顯得尤為重要，近年來(lái)大量研究表明，鋼筋銹蝕是造成鋼筋混凝土構(gòu)件性能退化的主要原因。

鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性破壞過程主要是梁裂縫貫通后導(dǎo)致的鋼筋銹蝕。我們?cè)诮Y(jié)構(gòu)檢測(cè)中可以觀測(cè)到梁表面的裂縫分布及裂縫寬度以及梁的撓度這些信息。為了更好的把握梁構(gòu)件的耐久性，我們有必要對(duì)梁開展有限元模擬分析，將分析結(jié)果與現(xiàn)行規(guī)范對(duì)比，以建立正常使用狀態(tài)下梁撓度預(yù)測(cè)的通用分析辦法，為工程結(jié)構(gòu)加固提供參考。

1 鋼筋銹蝕影響的鋼筋混凝土構(gòu)件的有限元模型建立

鋼筋銹蝕對(duì)混凝土構(gòu)件的影響主要體現(xiàn)在:鋼筋損傷;混凝土損傷;鋼筋和混凝土之間粘結(jié)性能的退化。

銹蝕后鋼筋損傷:對(duì)鋼筋，銹蝕導(dǎo)致其截面面積減小，鋼筋力學(xué)性能發(fā)生改變。

銹蝕對(duì)混凝土本身的特性無(wú)特殊影響，但部分銹蝕產(chǎn)物填充到混凝土孔隙中增加了混凝土的密實(shí)性，相應(yīng)的影響了混凝土的力學(xué)性能，由于目前此方面的研究資料極少，為了計(jì)算簡(jiǎn)化，本文在計(jì)算時(shí)假定混凝土各向同性，近似認(rèn)為銹蝕前后混凝土彈性模量基本保持不變，混凝土單元仍采用原混凝土力學(xué)性能指標(biāo)和本構(gòu)模型。

有限元軟件提供了一種專門用于混凝土分析的8節(jié)點(diǎn)實(shí)體單元Solid65，該單元既可用于建立整體式的有限元模型，也可用于建立分離式的有限元模型，具有模擬混凝土材料的開裂、壓碎、塑性變形和蠕變的能力。

銹蝕后鋼筋和混凝土之間粘結(jié)性能的退化:鋼筋銹蝕后在鋼筋與混凝土的界面上生成疏松的銹蝕層，降低了鋼筋與混凝土之間的機(jī)械咬合力，同時(shí)，混凝土保護(hù)層的開裂也降低了外圍混凝土對(duì)鋼筋的約束作用，導(dǎo)致鋼筋與混凝土之間的粘結(jié)作用隨鋼筋銹蝕的加劇而發(fā)生退化。

粘結(jié)單元采用非線性彈簧單元Combine39，在相應(yīng)的鋼筋單元節(jié)點(diǎn)和混凝土節(jié)點(diǎn)之間，設(shè)置3個(gè)長(zhǎng)度為0、互相垂直、具有不同剛度的非線性彈簧單元。垂直于鋼筋的彈簧單元?jiǎng)偠热∫粋€(gè)大數(shù)，即不考慮在垂直方向的滑移;平行于鋼筋的彈簧單元?jiǎng)偠仁歉鶕?jù)銹蝕鋼筋與混凝土的局部粘結(jié)滑移關(guān)系。

以圖1所示鋼筋混凝土簡(jiǎn)支梁為例，建立有限元模型(見圖2)。

圖1 構(gòu)件配筋及受荷圖

圖2 構(gòu)件模型圖

建模分為3個(gè)階段，第1階段不考慮鋼筋單元與混凝土單元的相對(duì)滑移建立有限元模型，通過比較理論計(jì)算值來(lái)判斷模型是否正確;第2階段在縱向鋼筋單元與混凝土單元之間加入Combine39單元以考慮兩者的相對(duì)滑移，對(duì)比第1階段模型的承載力，驗(yàn)算所加彈簧單元正確與否;第3階段通過對(duì) Combine39單元進(jìn)行修正來(lái)考慮鋼筋銹蝕對(duì)鋼筋與混凝土之間粘結(jié)力降低的影響，同時(shí)考慮鋼筋銹蝕造成的鋼筋截面減少和屈服強(qiáng)度降低，并對(duì)結(jié)果進(jìn)行分析。

2 結(jié)果分析

為了與有限元計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，不考慮長(zhǎng)期荷載效應(yīng)的影響。對(duì)于三分點(diǎn)加載的簡(jiǎn)支梁，其撓度可按如下公式計(jì)算:

根據(jù)我國(guó)規(guī)范，可得計(jì)算梁的撓度不考慮梁的收縮、徐變，其計(jì)算公式為:

其中，f為撓度;k為與加載方式有關(guān)的系數(shù);r為曲率半徑。

加載下梁的撓度圖見圖3，銹蝕處跨中最大撓度見表1。

圖3 有限元計(jì)算14 000 N加載下梁的撓度圖

表1 銹蝕處跨中最大撓度

3 結(jié)語(yǔ)

1)基于有限元分析軟件，對(duì)局部銹蝕鋼筋混凝土梁進(jìn)行模擬，可準(zhǔn)確獲得實(shí)際工程中存在的局部銹蝕梁的受力性能。通過對(duì)受拉筋單元和非線性彈簧單元的特性設(shè)置，進(jìn)行計(jì)算機(jī)模擬，可以克服實(shí)際局部銹蝕梁試驗(yàn)研究中諸多不足。2)基于有限元軟件的裂縫寬度計(jì)算公式計(jì)算出梁的跨中撓度;并按照我國(guó)規(guī)范進(jìn)行手算，計(jì)算出梁的跨中撓度。通過表1對(duì)比分析，發(fā)現(xiàn)在一定的誤差范圍內(nèi)，從而證明該模型可用于工程實(shí)際分析設(shè)計(jì)。

［1］杜毛毛.中國(guó)、美國(guó)、歐洲混凝土規(guī)范的裂縫寬度計(jì)算［J］.鄭州輕工業(yè)學(xué)院學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2012，27(2):8-9.

［2］張維君，謝 劍.考慮裂縫開展的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)受力性能有限元分析［D］.天津:天津大學(xué)建工學(xué)院學(xué)位論文，2011.

［3］金偉良，夏 晉，蔣遨宇，等.銹蝕鋼筋混凝土梁受彎承載力計(jì)算模型［J］.土木工程學(xué)報(bào)，2009，42(11):10-13.