盧曉峰

(揚(yáng)州工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院,江蘇 揚(yáng)州 225127)

0 引言

鋼筋混凝土柱在使用過(guò)程中會(huì)受到外界環(huán)境的侵蝕[1-3]，表層混凝土碳化或開(kāi)裂，造成鋼筋有效面積減小和鋼筋與混凝土粘結(jié)性能下降，致使鋼筋混凝土柱承載力降低，影響結(jié)構(gòu)安全。本文僅考慮由于鋼筋與混凝土的粘結(jié)性能下降對(duì)軸心受壓柱承載力的影響情況。

對(duì)于銹蝕的鋼筋混凝土柱，鋼筋外圍混凝土剝落或部分剝落，與鋼筋存在粘結(jié)作用喪失或部分喪失，用有限元軟件模擬時(shí)考慮完全去除或部分去除鋼筋外圍的混凝土來(lái)實(shí)現(xiàn)。本文通過(guò)有限元軟件ABAQUS的數(shù)值模擬，建立數(shù)值模型，研究鋼筋銹蝕程度、銹蝕長(zhǎng)度和銹蝕根數(shù)對(duì)鋼筋混凝土軸心受壓柱承載力的影響。

1 試件設(shè)計(jì)

本文采用有限元軟件ABAQUS共建立11根鋼筋銹蝕混凝土柱數(shù)值模型研究鋼筋銹蝕長(zhǎng)度、粘結(jié)程度和根數(shù)對(duì)其承載力的影響。試件(完好)尺寸與配筋如圖1所示。為較準(zhǔn)確地反映鋼筋與混凝土的粘結(jié)削弱情況，用完全去除受壓鋼筋周?chē)恼辰Y(jié)混凝土來(lái)模擬粘結(jié)完全失效混凝土柱的狀態(tài)，缺口寬度50 mm，深度為50 mm；用部分去除受壓鋼筋周?chē)恼辰Y(jié)混凝土來(lái)模擬粘結(jié)完全失效混凝土柱的狀態(tài)，缺口寬度50 mm，深度為34 mm，如圖2所示。

通過(guò)在圖1柱中心線上改變鋼筋銹蝕長(zhǎng)度、粘結(jié)程度和銹蝕根數(shù)建立數(shù)值模型研究其對(duì)鋼筋銹蝕混凝土柱承載力的影響。具體參數(shù)設(shè)置如表1所示。

2 數(shù)值模型建立

表1 試件參數(shù)設(shè)置

2.1 材料本構(gòu)關(guān)系

數(shù)值模型中，鋼筋采用理想彈塑性模型[5,6]；混凝土采用ABAQUS提供的損傷塑性模型，其中混凝土單軸受拉和受壓應(yīng)力—應(yīng)變關(guān)系采用GB 20010—2010混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范中的雙參數(shù)模型[4]，并取混凝土剪脹角ψ=30°，流動(dòng)勢(shì)偏移量e=0.1，混凝土雙軸受壓與單軸受壓極限強(qiáng)度比σb0/σc0=1.16，受拉子午線和受壓子午線常應(yīng)力比值Kc=2/3，粘滯系數(shù)μ=0.005。

2.2 單元類(lèi)型和網(wǎng)格劃分

本文采取分離式建模方法，分別建立了混凝土、縱向鋼筋、箍筋三個(gè)部分。混凝土采用八節(jié)點(diǎn)線性六面體單元C3D8R，縱向鋼筋同樣采用八節(jié)點(diǎn)線性六面體單元C3D8R(由于鋼筋銹蝕混凝土剝落，鋼筋裸露在空氣中，鋼筋采用以往的桁架單元無(wú)法計(jì)算，所以本文采用實(shí)體單元)，縱筋采用兩節(jié)點(diǎn)線性三維桁架單元T3D2。

混凝土采用合理網(wǎng)格尺寸，縱筋網(wǎng)格尺寸劃分為5 mm，箍筋網(wǎng)格尺寸劃分為20 mm。網(wǎng)格劃分如圖3所示(本文僅列出ZZ-W1網(wǎng)格劃分示意圖，其他數(shù)值模型劃分相同，不再列出)。

2.3 相互作用和邊界條件

縱筋、箍筋與混凝土之間采用Embedded技術(shù)進(jìn)行耦合。為了防止應(yīng)力集中，數(shù)值模型的支座和加載點(diǎn)位置設(shè)置剛性墊塊，剛性墊塊和混凝土之間采用Tie技術(shù)進(jìn)行綁定。

對(duì)柱底設(shè)置鉸接U1=U2=U3=0，頂端建立參考點(diǎn)施加位移荷載求解銹蝕鋼筋混凝土柱承載力極限值。

3 數(shù)值計(jì)算結(jié)果與分析

本文通過(guò)有限元軟件ABAQUS建立鋼筋銹蝕混凝土柱數(shù)值模型，獲得混凝土應(yīng)變E33云圖和鋼筋應(yīng)力Mises云圖，從軟件后處理器中可獲取各軸心受壓柱的極限承載力的大小。為了研究粘結(jié)失效程度對(duì)軸心受壓柱承載力的影響，節(jié)省本文篇幅，取完好柱ZZ-W1、半粘結(jié)柱ZZ-B4、無(wú)粘結(jié)柱ZZ-S4為研究對(duì)象，列出各柱的混凝土應(yīng)變圖與鋼筋應(yīng)力云圖，如圖4～圖6所示。

從圖4～圖6混凝土應(yīng)變圖與鋼筋應(yīng)力云圖的對(duì)比中發(fā)現(xiàn)，粘結(jié)完好柱破壞時(shí)，混凝土應(yīng)變最大，鋼筋的應(yīng)力峰值分布比較飽滿(mǎn)，混凝土的強(qiáng)度發(fā)揮最為充分；粘結(jié)部分失效柱破壞時(shí)，混凝土應(yīng)變較大，鋼筋的應(yīng)力峰值分布略平，混凝土的強(qiáng)度發(fā)揮較為充分；粘結(jié)完全失效柱破壞時(shí)，混凝土應(yīng)變最小，鋼筋的應(yīng)力峰值扁平，混凝土的強(qiáng)度發(fā)揮不夠充分。

為了研究粘結(jié)失效鋼筋根數(shù)對(duì)軸心受壓柱承載力的影響，取完好柱ZZ-W1、無(wú)粘結(jié)柱ZZ-S3、無(wú)粘結(jié)柱ZZ-S4為研究對(duì)象，列出柱的混凝土應(yīng)變圖與鋼筋應(yīng)力云圖，如圖7所示。

從圖4，圖6，圖7混凝土應(yīng)變圖與鋼筋應(yīng)力云圖的對(duì)比中發(fā)現(xiàn)，鋼筋銹蝕根數(shù)越多的受壓柱，混凝土應(yīng)變最小，鋼筋的應(yīng)力峰值扁平。

從軟件后處理器讀取各受壓柱的承載力大小，列表分析比較各柱在不同影響因素作用下承載力的變化情況，如表2所示。由于本文僅考慮粘結(jié)失效對(duì)受壓柱承載力的影響，不考慮混凝土有效截面面積減小對(duì)承載力的影響，故在表2中將模擬時(shí)已去除混凝土補(bǔ)全，并考慮其強(qiáng)度對(duì)受壓柱承載力的貢獻(xiàn)。

從表2可以發(fā)現(xiàn)，鋼筋與混凝土部分粘結(jié)失效時(shí)，與完全柱相比，承載力沒(méi)有明顯變化；鋼筋與混凝土粘結(jié)完全失效時(shí)，受壓柱的承載力明顯下降，而且鋼筋銹蝕的根數(shù)越多，承載力越低；鋼筋粘結(jié)失效長(zhǎng)度對(duì)部分粘結(jié)失效柱和完全粘結(jié)失效柱的承載力都沒(méi)有明顯影響。

表2 鋼筋銹蝕軸心受壓混凝土柱極限承載力 kN

4 結(jié)論

1)鋼筋銹蝕軸心受壓柱承載力研究，可以通過(guò)采用有限元軟件ABAQUS選用合理的本構(gòu)關(guān)系、單元類(lèi)型、網(wǎng)格尺寸并施加邊界條件建立鋼筋銹蝕混凝土柱數(shù)值模型來(lái)實(shí)現(xiàn)，有限元分析結(jié)果良好。2)鋼筋粘結(jié)失效長(zhǎng)度對(duì)軸心受壓柱的承載力都沒(méi)有明顯影響；鋼筋銹蝕程度和鋼筋銹蝕根數(shù)對(duì)軸心受壓柱的承載力影響較大，鋼筋銹蝕程度越大和鋼筋銹蝕根數(shù)越多，軸心受壓柱承載力下降越多。3)本文關(guān)于粘結(jié)部分失效和完全失效軸心受壓柱承載力分析與研究的結(jié)果，可以為加固改造工程技術(shù)方案的設(shè)計(jì)提供一定的理論依據(jù)。