相對保護(hù)層厚度對混凝土中鋼筋銹脹效應(yīng)的數(shù)值模擬分析

高飛劍，鄭靖靖

(中國礦業(yè)大學(xué)力學(xué)與建筑工程學(xué)院，江蘇 徐州 221008)

一般試驗(yàn)研究認(rèn)為，混凝土保護(hù)層厚度、鋼筋直徑、混凝土強(qiáng)度等級、鋼筋的布置位置及鋼筋間距、鋼筋的銹蝕率等是影響鋼筋混凝土內(nèi)鋼筋銹蝕及銹脹效應(yīng)的主要因素。王顯利、李雪艷［1］等人通過研究發(fā)現(xiàn)保護(hù)層厚度與鋼筋混凝土的銹脹開裂時(shí)間存在著一定的關(guān)系即在一定的范圍內(nèi)隨著保護(hù)層厚度的增加，鋼筋混凝土銹脹開裂時(shí)間增長較快，保護(hù)層達(dá)到一定的厚度后，開裂時(shí)間的增長趨向于平緩增長，由此可以確定，在一定范圍內(nèi)增加保護(hù)層的厚度可以顯著提高混凝土結(jié)構(gòu)銹脹開裂的耐久性壽命;鋼筋直徑的變化對混凝土的銹脹開裂時(shí)間也有一定的影響，即鋼筋直徑越大對鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的銹脹開裂耐久壽命就越有利。

呂廣、謝楠［2］等人用有限元軟件ANSYS對鋼筋混凝土內(nèi)的銹脹效應(yīng)進(jìn)行了非線性有限元分析，計(jì)算結(jié)果表明:混凝土保護(hù)層厚度與鋼筋直徑的比值是影響混凝土保護(hù)層開裂時(shí)鋼筋銹蝕深度的重要因素，比值越大，鋼筋的銹蝕深度也就越大。

針對保護(hù)層厚度和鋼筋直徑這兩種因素，更多的學(xué)者是綜合考慮這兩種因素，考查鋼筋保護(hù)層厚度與鋼筋直徑的比值c/d即相對保護(hù)層厚度對鋼筋的銹蝕及銹脹的影響，結(jié)果表明影響顯著［3］。

通過改變相對保護(hù)層厚度的大小在FRANC2D有限元軟件中建立模型來模擬分析混凝土內(nèi)的銹脹裂縫，從而探尋相對保護(hù)層厚度對鋼筋銹脹過程的影響規(guī)律，對鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性發(fā)展具有一定的意義。

1 FRANC2D有限元軟件的簡單介紹

FRANC2D是由美國康奈爾(Cornell)大學(xué)Fracture Group開發(fā)的以斷裂力學(xué)基本理論為基礎(chǔ)，模擬二維平面(平面應(yīng)力、平面應(yīng)變和軸對稱)結(jié)構(gòu)的裂痕擴(kuò)展的有限元軟件，其前處理器為Casca，在Casca中建立需要研究的基本模型，所建模型的材料特性參數(shù)及邊界條件是在Franc2d中完成的。該軟件主要功能是:設(shè)置構(gòu)件裂紋的萌生點(diǎn)，模擬裂紋萌生擴(kuò)展的路徑，在網(wǎng)格開裂的過程中，裂紋尖端自動進(jìn)行加密。

2 在Casca軟件中建立基本模型

本模型的建立是以斷裂力學(xué)的基本理論為基礎(chǔ)，斷裂力學(xué)在混凝土中應(yīng)用始于20世紀(jì)60年代初期，運(yùn)用斷裂力學(xué)主要研究帶裂縫的混凝土強(qiáng)度及混凝土體裂縫的形成、擴(kuò)展及傳播規(guī)律。

本文所建立模型中混凝土的保護(hù)層厚度均取20 mm，鋼筋的直徑分別取為16 mm，22 mm，28 mm，為二級鋼筋，分別計(jì)算相對保護(hù)層厚度如表1所示。

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圖1 鋼筋混凝土平板模型(16mm)

在Casca前處理器中完成三種基本模型幾何尺寸的設(shè)置、網(wǎng)格劃分區(qū)域的指定、網(wǎng)格的劃分及網(wǎng)格的生成。

在Casca中分別建立直徑為 16 mm，22 mm，28 mm的鋼筋混凝土試件的平板模型，如圖1、圖2、圖3所示。

圖2 鋼筋混凝土平板模型(22 mm)

圖3 鋼筋混凝土平板模型(28 mm)

3 FRANC2D軟件的應(yīng)用

圖4 不同相對保護(hù)層厚度下鋼筋混凝土單元的應(yīng)力云圖

將在前處理器Casca中建立的基本模型分別在FRANC2D軟件中打開，分別設(shè)置鋼筋混凝土平板模型的邊界條件;材料的彈性模量;加載的起點(diǎn)、終點(diǎn);荷載的類型?；炷林械匿摻畎l(fā)生銹蝕后會生成銹蝕產(chǎn)物，銹蝕產(chǎn)物會沿著鋼筋與周圍混凝土的交接面產(chǎn)生具有一定厚度的銹蝕層，銹蝕層沿著此交界面的分布和發(fā)展也是不規(guī)則和不均勻的。因此，本文在FRANC2D軟件中定義荷載類型時(shí)是按照非均勻銹蝕的模型進(jìn)行考慮的。FRANC2D軟件根據(jù)荷載的類型，加載的起點(diǎn)、終點(diǎn)，計(jì)算出鋼筋混凝土界面的應(yīng)力場。分別得到不同相對保護(hù)層下應(yīng)力云圖:鋼筋直徑依次為16 mm、22 mm、28 mm的應(yīng)力云圖。

從FRANC2D軟件計(jì)算出的應(yīng)力值中可以看到，不同相對保護(hù)層厚度下鋼筋非均勻銹蝕模型中混凝土單元主拉應(yīng)力的最大值均出現(xiàn)在鋼筋兩側(cè)的某處，也就是圖4中鋼筋兩側(cè)的區(qū)域。

4 裂縫產(chǎn)生及擴(kuò)展的數(shù)值模擬

根據(jù)FRANC2D軟件中的應(yīng)力云圖，根據(jù)應(yīng)力分布較大處的混凝土最先達(dá)到混凝土拉應(yīng)力極限而開裂的原則，為了使問題得到進(jìn)一步的簡化，本文在指定裂紋的萌生點(diǎn)選擇了在鋼筋兩側(cè)應(yīng)力最大處，即與鋼筋的水平中心線成45°角處，通過軟件的分析得到三種相對保護(hù)層下裂縫的擴(kuò)展圖形如下圖所示(本文以22 mm鋼筋的單元模型為例)。

圖5 混凝土因鋼筋銹脹裂縫圖

從FRANC2D軟件模擬的裂縫產(chǎn)生及擴(kuò)展的圖中可以看出混凝土內(nèi)部最先開裂處位于鋼筋兩側(cè)的某處混凝土內(nèi)，這與應(yīng)力分布較大處的混凝土最先達(dá)到混凝土拉應(yīng)力極限而開裂的原則是相吻合的。

5 總結(jié)

本文通過以斷裂力學(xué)為基礎(chǔ)的FRANC2D軟件中建立非均勻銹蝕的鋼筋混凝土平板模型，設(shè)置鋼筋混凝土平板模型的邊界條件;材料的彈性模量;加載的起點(diǎn)、終點(diǎn);荷載的類型，得出不同相對保護(hù)層厚度下鋼筋混凝土單元的應(yīng)力云圖。通過對應(yīng)力云圖的對比發(fā)現(xiàn)不同相對保護(hù)層厚度下鋼筋非均勻銹蝕模型中混凝土單元中主拉應(yīng)力的最大值均出現(xiàn)在鋼筋兩側(cè)的某處，這與文獻(xiàn)［3］中運(yùn)用ANSYS分析混凝土在鋼筋非均勻銹脹情況下的開裂過程吻合。同時(shí)對混凝土內(nèi)裂縫的產(chǎn)生和擴(kuò)展進(jìn)行了數(shù)值模擬分析，揭示了混凝土內(nèi)部裂縫的擴(kuò)展途徑。

［1］王顯利，李雪艷，孟憲強(qiáng).鋼筋混凝土銹脹開裂耐久壽命的預(yù)測［J］.東北林業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2007(8)

［2］呂廣，謝楠 .損傷混凝土構(gòu)件中鋼筋界限銹蝕量的研究［J］.華東交通大學(xué)學(xué)報(bào)，2006，23(1)

［3］馮瑞.混凝土內(nèi)鋼筋銹脹效應(yīng)的力學(xué)模型和數(shù)值模擬［D］.中國礦業(yè)大學(xué)，2008