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。我們在結(jié)構(gòu)檢測中可以觀測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，我們有必要對梁開展有限元模擬分析，將分析結(jié)果與現(xiàn)行規(guī)范對比，以建立正常使用狀態(tài)下梁撓度預(yù)測的通用分析辦法，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。

銹蝕對混凝土本身的特性無特殊影響，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)算簡化，本文在計(jì)算時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，混凝土保護(hù)層的開裂也降低了外圍混凝土對鋼筋的約束作用，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個長度為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剛度取一個大數(shù)，即不考慮在垂直方向的滑移;平行于鋼筋的彈簧單元剛度是根據(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個階段，第1階段不考慮鋼筋單元與混凝土單元的相對滑移建立有限元模型，通過比較理論計(jì)算值來判斷模型是否正確;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滑移，對比第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 Combine39單元進(jìn)行修正來考慮鋼筋銹蝕對鋼筋與混凝土之間粘結(jié)力降低的影響，同時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)行對比，不考慮長期荷載效應(yīng)的影響。對于三分點(diǎn)加載的簡支梁，其撓度可按如下公式計(jì)算:

根據(jù)我國規(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

1)基于有限元分析軟件，對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;并按照我國規(guī)范進(jìn)行手算，計(jì)算出梁的跨中撓度。通過表1對比分析，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、美國、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.