顧 煒 湯紅衛(wèi)*

(山東大學(xué)土建與水利學(xué)院，山東 濟(jì)南 250100)

鋼筋銹蝕對(duì)鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性影響數(shù)值分析

顧 煒 湯紅衛(wèi)*

(山東大學(xué)土建與水利學(xué)院，山東 濟(jì)南 250100)

利用有限元軟件ANSYS，對(duì)發(fā)生鋼筋銹蝕后的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)進(jìn)行了數(shù)值模擬，探討了在鋼筋不同銹蝕程度的情況下，鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)固有頻率的變化情況，模擬結(jié)果表明，鋼筋銹蝕對(duì)鋼筋混凝土梁的固有頻率有顯著影響，鋼筋混凝土梁的固有頻率隨著鋼筋銹蝕程度的加深而呈減小趨勢(shì)。

鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，銹蝕，固有頻率，ANSYS

0 引言

鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)是目前應(yīng)用較為廣泛的結(jié)構(gòu)形式之一，但是由于其材料自身和使用環(huán)境的特點(diǎn)，使得混凝土結(jié)構(gòu)存在嚴(yán)重的耐久性問(wèn)題[1]。鋼筋銹蝕導(dǎo)致鋼筋截面減小，使混凝土保護(hù)層脹裂甚至脫落，削弱鋼筋與混凝土之間的粘結(jié)性能，使結(jié)構(gòu)的承載能力降低[2]。當(dāng)前，針對(duì)鋼筋銹蝕機(jī)理及影響因素、銹蝕鋼筋的力學(xué)性能、銹后鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)承載能力等方面的研究較多，而對(duì)鋼筋銹蝕對(duì)結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性影響研究相對(duì)較少。鋼筋銹蝕不僅使結(jié)構(gòu)的承載能力降低，也使結(jié)構(gòu)的剛度發(fā)生改變，進(jìn)而導(dǎo)致結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性發(fā)生變化[3]。而結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性的變化可以用于結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)[4]。因而，開(kāi)展鋼筋銹蝕對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性影響的研究是十分必要的。

本文利用ANSYS有限元軟件，建立銹蝕鋼筋的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)有限元模型，對(duì)不同銹蝕程度下的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的動(dòng)力特性進(jìn)行計(jì)算和分析。

1 有限元模型的建立

1.1 鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的基本情況

分析模型為鋼筋混凝土T形梁，T形梁總長(zhǎng)為1 350 mm，翼緣長(zhǎng)600 mm，截面尺寸為(600×100)mm2,梁肋長(zhǎng)1 250 mm，截面尺寸為(100×100)mm2。整個(gè)試件中只使用一根通長(zhǎng)鋼筋，鋼筋總長(zhǎng)為1 500 mm，其中與混凝土粘結(jié)的長(zhǎng)度為1 350 mm?；炷恋燃?jí)為C20，鋼筋選用直徑為10 mm的Ⅰ級(jí)圓鋼。試驗(yàn)梁尺寸見(jiàn)圖1。

1.2 有限元模型的基本假定

結(jié)構(gòu)的振動(dòng)一般分線性振動(dòng)和非線性振動(dòng)。對(duì)于一般的建筑結(jié)構(gòu)，一般將其控制在線性振動(dòng)的范圍內(nèi)。一般假定在分析過(guò)程中，整個(gè)結(jié)構(gòu)處于彈性范圍內(nèi)，不考慮鋼筋和混凝土的非線性影響。

1.3 有限元模型的建立

混凝土選用Solid65單元，采用Link8單元模擬鋼筋，用Combin39三維非線性彈簧單元來(lái)模擬銹蝕鋼筋和混凝土之間的力學(xué)性能變化。銹蝕鋼筋和混凝土之間的粘結(jié)強(qiáng)度關(guān)系按式(1)考慮：

τcor=βτ

(1)

其中，β為粘結(jié)強(qiáng)度系數(shù)；τ為未銹蝕鋼筋和混凝土之間的粘結(jié)強(qiáng)度。

混凝土的彈性模量Ec=2.55×104N/mm2,泊松比μc=0.2。鋼筋的彈性模量Ec=2.1×105N/mm2,泊松比μs=0.3。

有限元分析模型見(jiàn)圖2。

2 鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的固有頻率計(jì)算和分析

本文采用ANSYS有限元軟件計(jì)算了在鋼筋0%，5%，10%和15%四種銹蝕階段下的鋼筋混凝土梁的固有頻率。

鋼筋銹蝕程度由其銹蝕深度衡量，鋼筋的銹蝕率計(jì)算公式如下：

(2)

其中，η為鋼筋的銹蝕率；R為鋼筋的直徑；l為鋼筋的銹蝕深度。

不同銹蝕階段下，計(jì)算所得的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的固有頻率如表1所示。

表1 鋼筋混凝土梁的固有頻率

從表1中可以看出，鋼筋混凝土梁的固有頻率總體呈下降趨勢(shì)，原因可以歸結(jié)如下：

1)開(kāi)始銹蝕時(shí)，由于鋼筋和混凝土之間出現(xiàn)裂隙，二者間的結(jié)合不再緊密，使整個(gè)鋼筋混凝土梁的剛度降低，從而導(dǎo)致鋼筋混凝土梁固有頻率減小。但是，此時(shí)由于銹蝕脫落的鋼筋有效的填充了鋼筋和混凝土之間的縫隙，這就使得5%階段的固有頻率有降低，但是幅度不大；

2)在10%階段，此時(shí)由于鋼筋進(jìn)一步被銹蝕，而脫落的鋼筋已無(wú)法再有效填充鋼筋和混凝土之間的縫隙，這就使得在此階段鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的固有頻率有明顯的降低；

3)在15%階段的時(shí)候，由于鋼筋銹蝕程度加深，整個(gè)鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)產(chǎn)生脹裂，這就使得結(jié)構(gòu)被破壞，鋼筋和混凝土之間的粘結(jié)進(jìn)一步被削弱，因此整個(gè)結(jié)構(gòu)的固有頻率進(jìn)一步降低。

3 結(jié)語(yǔ)

本文通過(guò)ANSYS軟件，研究了鋼筋銹蝕對(duì)鋼筋混凝土梁固有頻率的影響。模擬計(jì)算發(fā)現(xiàn)，固有頻率隨著鋼筋銹蝕程度的加深呈減小趨勢(shì)。模擬結(jié)果表明，鋼筋銹蝕對(duì)鋼筋混凝土梁動(dòng)力特性有顯著影響，由于固有頻率隨著銹蝕損傷程度的加深而減小，據(jù)此推斷固有頻率可以作為損傷指標(biāo)用于混凝土結(jié)構(gòu)腐蝕損傷檢測(cè)。

[1] 金偉良,趙羽習(xí).混凝土結(jié)構(gòu)耐久性研究的回顧與展望[J].浙江大學(xué)學(xué)報(bào)(工學(xué)版),2002,36(4):371-380.

[2] 惠云玲,李 榮.混凝土基本構(gòu)件鋼筋銹蝕前后性能試驗(yàn)研究[J].工業(yè)建筑,1997(6):11-18.

[3] 曾 力,郭院成,張 彬.部分銹蝕鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性的數(shù)值分析[J].世界地震工程,2009，25(1):12-15.

[4] Doebling S W, Farrar C R, Prime M B. A summary review of vibration-based damage identification methods[J]. Shock and Vibration Digest,1998,30(2):91-105.

Numerical analysis of effects of corrosion on modal parameters of reinforced concrete structures

Gu Wei Tang Hongwei*

(SchoolofCivilEngineering,ShandongUniversity,Jinan250100,China)

The natural frequency of corroded reinforced concrete structures are simulated by finite element method. The change of the natural frequency of the reinforced concrete structure under the different degree of corrosion was discussed. The results show that the corrosion of reinforced concrete has a significant effect on the natural frequency of reinforced concrete beams, and the natural frequency decreases with the depth of corrosion.

reinforced concrete structure, corrosion, natural frequency, ANSYS

1009-6825(2017)02-0058-02

2016-11-04

顧 煒(1991- )，男，在讀碩士

湯紅衛(wèi)(1965- )，男，碩士生導(dǎo)師，教授

TU375.1

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