锈裂混凝土裂缝开展的模拟试验研究

对锈蚀开裂的混凝土构件进行受损程度的评估时，裂缝宽度往往是重要指标之一。为使对锈蚀构件的评估定量化，获得混凝土保护层裂缝宽度和钢筋锈蚀程度的关系便成为首要的问题，用膨胀螺栓对混凝土试件的预留孔持续施加径向位移（变形），以此模拟钢筋锈蚀产物的膨胀，对94个混凝土试件进行了扩孔试验，直到试件出现裂缝并且裂缝继续扩展，这被称为机械扩孔法。试验过程中，用游标卡尺测定径向膨胀，以及用专用裂缝宽度笔测得相应的裂缝宽度。对试验数据进行分析和曲线拟合，得到包括混凝土抗拉强度、保护层厚度、钢筋直径等影响因素的裂缝扩展模型，结果与文献观测值基本吻合。     

细观尺度下的保护层非均匀锈胀开裂分析

对锈蚀混凝土构件评估时,裂缝的分布形态和宽度是最主要的评估依据。本文根据在自然环境下钢筋锈蚀层的分布形态,基于细观力学模型采用过盈装配和损伤的方式模拟了钢筋非均匀锈蚀引起保护层开裂的全过程。分析了混凝土保护层开裂趋势、裂缝扩展方式、裂缝分布形态与保护层厚度、钢筋位置、骨料集配之间的关系,并与试验数据和现场检测现象进行对比,验证了计算结果的精确性。     

基于锈胀力的混凝土保护层破裂过程数值模拟

本文运用FINAL有限元软件,基于钢筋锈胀力,研究混凝土保护层裂缝的形成和发展过程,以及应力分布情况。以二维钢筋混凝土简支梁模型为例,采用以均匀锈蚀为理论基础的锈胀力计算模型,混凝土开裂前选用线弹性本构,开裂后选用双线性软化本构,模拟混凝土由加载初始到破坏的整个过程,得到不同时刻的裂缝图和最大主应力图。通过对试件破坏过程中典型裂缝图和最大主应力图的分析,得出模型为顺筋开裂,初裂位置位于钢筋周围的混凝土中,并逐渐向保护层发展,破坏时锈胀裂缝为张性裂缝,拉应力是裂缝扩展的动力,裂缝形态和应力分布均为漏斗状。文中验证了混凝土保护层发生顺筋锈胀破坏的形态,所得结论为混凝土构件的可靠性、耐久性分析提供了理论依据。     

不同锈蚀情况对混凝土锈裂影响研究

本文引入粘性界面单元模拟混凝土中裂缝,对多根钢筋的混凝土保护层锈胀开裂进行数值模拟研究;通过在钢筋/混凝土界面施加三组不同的位移荷载模拟均匀锈蚀、单侧侵蚀引起的非均匀锈蚀、单侧和双侧侵蚀耦合引起的非均匀锈蚀三种锈蚀分布情况;结果表明,不同锈蚀情况引起的混凝土保护层锈胀开裂模式存在显著差异,耦合引起的非均匀锈蚀对保护层破坏更大。     

钢筋混凝土构件的非均匀锈胀分析

借鉴均匀锈胀开裂三阶段理论(铁锈自由膨胀、混凝土保护层承受拉应力、混凝土保护层锈胀开裂),结合钢筋锈蚀形态,描述了钢筋非均匀锈蚀引起混凝土保护层开裂的整个过程。并以此为基础,建立了锈胀开裂时刻的钢筋最大锈蚀深度计算模型。两种不同锈蚀形态(均匀和非均匀)下钢筋锈蚀量的参数敏感性分析结果表明:两者主要参数的影响规律相似,钢筋锈蚀量均与混凝土保护层厚度、混凝土强度等级呈正相关关系,与钢筋直径、铁锈体积膨胀率呈负相关关系;非均匀锈蚀与均匀锈蚀的钢筋锈蚀量相比,钢筋锈蚀率较小,而钢筋最大锈蚀深度较大。     

受荷锈蚀钢筋混凝土构件保护层纵向开裂时钢筋锈蚀深度的分析计算

混凝土保护层锈胀开裂时钢筋锈蚀深度(半径损失)的确定，是钢筋锈蚀研究的一个热点。本文运用弹性力学方法，考虑变形钢筋与混凝土界面上的粘结应力和钢筋锈蚀引起的半径损失，将受荷锈蚀钢筋混凝土构件混凝土保护层纵向开裂简化为一空间轴对称问题。通过对这一问题的分析求解，得到了钢筋、铁锈、混凝土中的应力，确定了混凝土断面上的环向拉应力达到混凝土抗拉强度而引起混凝土保护层纵向开裂时钢筋的锈蚀深度。     

二维钢筋混凝土氯离子作用锈胀开裂数值模拟方法

在环境氯离子作用下混凝土构件因钢筋锈胀产生开裂,导致结构耐久性退化。为模拟并研究这一过程,基于经典Fick定律建立了考虑温湿度、水灰比、氯离子浓度等的多因素氯离子扩散数值模拟方法。针对混凝土锈胀开裂,提出了基于二维格构式模型的钢筋混凝土锈胀开裂模拟方法,并建立了自由网格模型与格构式模型之间的钢筋表面锈胀节点力转换方法。基于上述方法针对某钢筋混凝土自然锈蚀试验进行数值模拟,与试验结果对比并验证本方法的可行性。最后,基于提出的方法研究钢筋位置、混凝土保护层厚度、钢筋直径对钢筋锈蚀及混凝土保护层锈胀裂缝宽度的影响。研究结果表明;角区钢筋锈蚀均大于边区钢筋;混凝土保护层厚度越大,钢筋锈蚀增长越缓慢;混凝土保护层裂缝宽度随钢筋直径增大而增加。     

在役钢筋混凝土受弯构件承载力评估方法

在分析钢筋锈蚀造成钢筋混凝土构件力学性能退化的基础上，根据钢筋混凝土构件碳化锈蚀规律及混凝土保护层锈胀裂缝宽度与钢筋锈蚀深度的关系，提出了保护层锈胀开裂前和锈胀开裂后钢筋混凝土受弯构件承载力评估方法，可为在役钢筋混凝土结构耐久性评估及修复决策提供理论依据。     

混凝土中钢筋锈蚀膨胀的应力分析

本文用外加荷载法模拟钢筋均匀锈蚀膨胀过程，采用有限元分析软件ANSYS对混凝土保护层由于钢筋锈蚀膨胀所产生的应力进行研究与分析。     

锈蚀箍筋约束混凝土柱低周反复荷载试验研究

通过电化学方法对混凝土柱内箍筋进行实验室加速腐蚀试验,得到箍筋锈蚀程度不同的混凝土柱试件,进一步开展了箍筋锈蚀约束混凝土柱低周往复加载试验,研究了箍筋锈蚀造成的混凝土损伤、箍筋的锈蚀形态以及箍筋锈蚀对钢筋混凝土柱破坏过程和破坏形态的影响。试验结果表明：混凝土构件中箍筋在转角部位锈蚀严重,混凝土保护层的开裂是以构件角部顺纵筋开裂为主;箍筋锈蚀产物在混凝土内的扩散、堆积导致混凝土保护层提前脱落,使其对试件承载力的贡献减弱;箍筋锈蚀程度的不同导致试件破坏过程和最终破坏形态有所差异：随着箍筋锈蚀程度的增大,试件破坏形式由延性较好的弯曲破坏向剪切脆性破坏转变;箍筋轻微锈蚀构件中钢筋与混凝土间的粘结作用不受影响。     

低锈蚀率钢筋混凝土梁疲劳性能试验研究

对5根低锈蚀率钢筋混凝土梁进行疲劳试验,研究钢筋锈蚀率和应力比对循环荷载下锈蚀钢筋混凝土梁跨中挠度、裂缝宽度和疲劳寿命的影响。研究表明:低锈蚀率钢筋混凝土梁的跨中挠度比未锈蚀钢筋混凝土梁小;锈蚀钢筋混凝土梁的最大裂缝宽度随应力比增大而减小;锈蚀钢筋混凝土梁疲劳寿命随应力比增大而增大。研究结果可为锈蚀钢筋混凝土梁的研究和评估提供参考。     

荷载作用下开裂钢筋混凝土梁锈胀开裂模式及锈蚀分布研究

为提高混凝土结构的服役性能,对混凝土保护层的锈胀开裂过程进行研究。对荷载作用下锈蚀18个月的内掺氯盐钢筋混凝土梁的截面锈胀裂缝分析发现：环向裂缝宽度沿径向呈指数函数变化;锈胀裂缝的开裂模式、锈蚀产物与钢筋混凝土受力状态、骨料及裂缝的相对位置均密切相关;保护层破坏以层状破坏为主。通过研究提出,在对锈蚀钢筋混凝土梁进行承载力分析时,建议剪压区不考虑受压混凝土保护层的作用,对剪拉区和弯拉区钢筋与混凝土之间的黏结性能要进行折减。     

锈蚀钢筋混凝土构件粘结滑移本构模型

研究了锈蚀后的钢筋与混凝土之间的粘结滑移关系。基于已有细观受力模型及锈蚀后极限粘结力理论，综合考虑了锈蚀钢筋体积膨胀对混凝土保护层的锈胀压应力、锈蚀钢筋半径损失、混凝土有效保护层厚度的改变、钢筋与混凝土之间摩擦系数的改变以及粘结滑移特征值的改变等影响因素。分析得出了锈蚀后钢筋与混凝土之间的4个粘结应力特征值和滑移值，并绘出了完整的粘结滑移曲线。最后，通过现有的试验验证了建立的锈蚀后的钢筋混凝土构件粘结滑移本构模型。     

锈蚀钢筋混凝土梁抗弯承载力计算方法

目前对锈蚀钢筋混凝土梁抗弯承载力的研究主要考虑锈蚀程度的影响,忽视了构件本身参数不同对承载力退化的影响,导致不同学者提出的锈蚀钢筋与混凝土的协同工作系数差异较大。为合理评估既有锈蚀钢筋混凝土梁的剩余承载力,首先对锈后无黏结钢筋混凝土受弯构件进行模拟试验与有限元分析,系统分析严重锈蚀混凝土构件钢筋应力水平的主要影响因素,发现截面配筋指标可综合反映混凝土强度和截面配筋率对受拉钢筋应力水平的影响,并确定基于截面配筋指标的锈后无黏结混凝土梁受拉钢筋强度利用系数;对一般锈蚀钢筋混凝土梁抗弯承载力的退化机理进行深入分析,综合考虑钢筋锈蚀程度和截面配筋指标的影响,建立一般锈蚀混凝土梁钢筋强度利用系数计算公式;提出概念明确、通用性强的锈蚀钢筋混凝土梁抗弯承载力计算方法;与大量的试验结果进行对比验证,计算方法的吻合性较好。     

Exploring the impact of chloride-induced corrosion on seismic damage limit states and residual capacity of reinforced concrete structures

A non-linear finite element (FE) framework for time-dependent capacity assessment of corroded rectangular reinforced concrete (RC) columns is developed. The proposed non-linear FE model includes the impact of corrosion on inelastic buckling and low-cycle fatigue degradation of longitudinal reinforcement. The proposed non-linear FE model is validated against a set of experimental data and then extended to evaluate the impact of corrosion on damage limit states to be used in seismic performance and evaluation of corroded structures. This is done through a parametric study on hypothetical RC columns, varied in axial force ratios, mass loss ratios, cover crack widths and confinement levels. Moreover, the application of the proposed model in seismic collapse capacity assessment of corroded structures is shown through non-linear dynamic analyses of prototype columns. Results show that, depending on the axial force ratio, corrosion changes the failure mechanism of the columns. The results of this study suggest that in seismic fragility analysis of corroded structures, the damage limit states should be considered as time-variant parameters.     

锈蚀钢筋与混凝土的粘结强度模型

为了建立较为完善的锈蚀钢筋与混凝土的粘结强度模型,改变以往仅考虑钢筋锈蚀程度的单因素回归分析方法,对粘结强度模型进行理论分析。对钢筋与混凝土在接触面上的粘结作用机理及粘结力组成进行分析,借助弹性力学方法,建立了锈蚀前钢筋与混凝土的粘结强度理论模型。从锈蚀改变钢筋表面特征参数和混凝土保护层约束力入手,采用钢筋均匀锈蚀假定,并基于未锈钢筋与混凝土的粘结强度模型,建立了钢筋锈蚀后的粘结强度计算模型,该模型能够考虑各种因素对粘结强度的影响。通过试验数据对模型进行了验证,结果吻合较好。     

基于材料劣化的既有混凝土构件数值建模方法研究

基于ABAQUS,以多龄期混凝土构件为研究对象,在数值建模方面,采用三维实体线性减缩单元C3D8R和两结点三维单元T3D2模拟混凝土材料、内嵌钢筋的力学行为,将指数衰减摩擦模型用于锈蚀钢筋与混凝土间接触问题上,并将Hsich-Ting-Chen四参数强度准则作为混凝土材料的破坏准则;在材料性能退化方面,基于修正斜压场理论,以锈蚀箍筋、纵筋、受压区锈胀开裂混凝土及核心区约束混凝土为对象,综合各既有材料退化模型,预测了材料退化后的力学性能,得到了开裂混凝土、锈蚀钢筋、混凝土及其之间黏结滑移的本构模型。进而,采用多龄期混凝土构件抗震性能试验研究结果,对提出的基于ABAQUS软件平台的锈蚀混凝土构件数值建模理论进行了可靠性验证,结果表明:所建立的数值建模理论可以有效地模拟锈蚀混凝土构件的抗震性能退化规律,为既有混凝土结构的数值建模理论提供了一种有效的研究方法。     

模拟严重锈蚀钢筋的混凝土梁试验与钢筋应力分析

锈蚀引起的粘结性能退化导致钢筋与混凝土之间的协同工作性能降低,跨中的钢筋应变较混凝土应变滞后,当构件严重锈蚀时,钢筋与混凝土间的粘结力基本丧失,可能在钢筋达到屈服应变前受压区混凝土先行压坏,形成粘结失效超筋梁。通过严重锈蚀钢筋混凝土梁的模拟试验和有限元分析,研究在完全无粘结的极限情况下影响钢筋应力水平的因素及其影响规律,并建立了无粘结状态混凝土梁受拉钢筋应力与配筋指标的关系,为严重锈蚀混凝土构件的承载力计算提供依据,同时也为研究一般锈蚀钢筋混凝土构件的性能退化机理与承载力计算方法奠定基础。