混凝土锈胀时刻钢筋锈蚀率的数值分析方法

基于通用有限元大型程序建立非线性有限元模型,对混凝土构件受钢筋锈胀力作用的情况进行模拟,并在此基础上提出了基于有限元数值分析的混凝土锈胀时刻钢筋锈蚀率的计算方法.对受均匀钢筋锈胀力的混凝土构件进行了数值分析计算,包括混凝土构件角部钢筋锈蚀和中部钢筋锈蚀的情况;基于已有的非均匀钢筋锈蚀模型,对于工程实际情况中更为常见的非均匀钢筋锈胀情况,进行混凝土构件角部和中部钢筋锈蚀的数值模拟;在以往钢筋锈蚀分布情况理论分析结果的基础上,结合锈胀力数值分析的结果,提出了混凝土保护层胀裂时刻非均匀钢筋锈蚀率的计算方法,并给出了计算实例,说明该方法在混凝土结构环境条件和侵蚀状况已知的情况下,可估算混凝土保护层胀裂时刻的钢筋锈蚀率.     

基于热力耦合的钢筋混凝土锈胀开裂分析

为对锈蚀钢筋混凝土构件开裂问题进行分析,鉴于氯离子扩散控制方程与瞬态热传导控制方程的相似性,根据传统的Fick定律和已有的氯盐环境下钢筋非均匀锈胀模型以及热弹性力学理论,提出钢筋混凝土锈胀开裂模拟的热力耦合方法.对氯离子的扩散采用瞬态热传导方法进行分析模拟,提取各时间步钢筋单元表面的氯离子质量浓度即温度作为混凝土的温度荷载,引入钢筋锈胀的时变等效温度膨胀系数,采用升温膨胀对钢筋的锈胀以及由此引起的混凝土开裂过程进行有限元分析.数值算例表明,该方法可以有效地模拟和分析钢筋的非均匀锈胀和混凝土的裂缝扩展行为.     

钢筋非均匀锈蚀引发的混凝土保护层开裂细观数值研究

混凝土保护层锈裂严重影响钢筋混凝土结构的耐久性。为了研究混凝土保护层的锈裂行为,考虑到混凝土细观结构的非均质性以及钢筋锈蚀的非均匀性,将完好混凝土视为由骨料、砂浆和界面过渡区组成的三相复合材料,建立了细观随机骨料模型。在模型中,钢筋的非均匀锈蚀行为以施加非均匀径向位移的方式模拟,骨料的力学行为假定为弹性,砂浆和界面过渡区的力学特性采用塑性损伤模型来描述。在此基础上进行了中部钢筋非均匀锈蚀引发的混凝土保护层开裂行为的细观数值模拟;分析结果与已有文献中的试验结果吻合良好。另外,对比了均质模型和非均质模型中钢筋均匀锈蚀和非均匀锈蚀导致的保护层开裂模式;并探讨分析了保护层厚度和钢筋直径对保护层开裂模式、钢筋锈胀压力及保护层开裂时钢筋锈蚀率的影响。     

钢筋混凝土锈胀参数构件计算模型建立与应用

在对混凝土锈胀开裂破坏过程进行阶段划分的基础上,从锈蚀参数概念出发,利用变形协调原理导出了锈蚀物填充范围、锈蚀钢筋直径膨胀增量、锈胀作用临界锈蚀率、铁锈物膨胀系数、混凝土开口空隙率及锈蚀钢筋初始直径等各参数之间的关系,建立了计算锈蚀自由膨胀阶段铁锈物质渗入混凝土层的填充范围相对值的数学模型,并推导了锈胀连续作用阶段计算锈胀主压应力的理论模型.利用室内锈胀试验成果与锈胀二维数值模拟结果进行对比的方法,验证了所建立理论模型的可靠性与适用性.模型将为混凝土耐久性设计及寿命评估提供理论参考.     

非均匀锈蚀钢筋-混凝土黏结性能试验

为探究非均匀锈蚀对钢筋与混凝土黏结性能的劣化规律,浇筑了8榀钢筋混凝土梁试件,首先通过外加电流引入钢筋锈蚀;钢筋达到设计质量损失率后停止通电,记录混凝土表面锈胀裂缝开展情况;然后对梁试件施加三点弯曲荷载以测试其黏结性能;最后梁试件黏结破坏后,将黏结区锈蚀钢筋取出进行三维扫描测试。试验结果表明:钢筋锈蚀产物体积膨胀引起混凝土保护层产生沿纵向受拉钢筋轴线方向的锈胀裂缝,且混凝土表面最大锈胀裂缝宽度与钢筋质量损失率呈对数关系;锈蚀钢筋表面存在锈坑,随着钢筋质量损失率增加到10.3%,锈坑总长度、总宽度和总深度分别显著增加了68.27、40.21、9.98 mm,即锈坑总长度随钢筋质量损失率的增加变化最为显著。基于试验结果,建立了考虑非均匀锈蚀影响的钢筋与混凝土相对黏结强度退化模型以及质量损失率与混凝土表面最大锈胀裂缝宽度的相关关系模型;并据此提出了基于混凝土表面最大锈胀裂缝宽度的相对黏结强度计算模型,且验证了模型的有效性。     

钢筋混凝土结构保护层非均匀锈胀压力模型

结合椭圆形非均匀锈蚀轮廓曲线,建立腐蚀环境下钢筋混凝土结构保护层胀裂时的非均匀锈胀压力预测模型,分析了保护层锈胀开裂时的临界锈胀压力的影响因素,得到钢筋直径、钢筋锈蚀率及体积膨胀率对临界锈胀压力的影响程度及影响规律.研究表明,该模型的绝大部分预测精度控制在15%以内.研究结果可为腐蚀环境下钢筋混凝土结构的使用寿命评价及其维修加固设计提供支持.     

混凝土结构锈胀开裂预测的路径概率模型

针对氯盐环境下服役混凝土结构钢筋锈蚀、锈蚀程度不易检测及混凝土锈致开裂的现状,基于混凝土锈胀开裂过程的随机性,提出一种预测钢筋锈蚀、混凝土锈胀裂缝开展时变特性的概率模型,并编制了计算程序.该模型可以模拟混凝土中钢筋锈胀开裂发展进程的路径,有效评估氯盐侵蚀环境下混凝土结构中钢筋锈蚀状况和锈胀裂缝宽度不同时段的概率分布,同时能估计构件钢筋样本锈蚀百分比.通过对濒海环境下某混凝土桥下部结构的耐久性评估,验证了该模型的准确性.该模型实现了对服役混凝土结构耐久性能的有效预测,评估结果可为工程维修和加固提供理论依据.     

钢筋混凝土结构开裂时刻的钢筋锈胀力模型

用快速锈蚀实验的方法研究了混凝土试件在出现顺筋裂缝时刻的钢筋锈蚀率与钢筋直径、混凝土等级与保护层厚度之间的定量关系,并通过有限元分析计算得到了锈胀裂缝扩展到保护层表面时的钢胀力,提出了混凝土保护层胀裂时刻的钢筋锈胀力的力学模型,这将对钢筋混凝土结构的耐久性分析与设计是大有裨益的。     

钢筋锈蚀及混凝土劣化耦合对梁构件力学性能的影响

设计人工模拟环境,研究酸雾、氯盐及硫酸盐混合盐雾侵蚀以及碳化耦合作用下钢筋混凝土梁破坏模式、锈胀裂缝宽度、受弯承载力、荷载-挠度曲线,重点研究钢筋锈蚀与混凝土劣化耦合作用的影响.结果表明:钢筋锈蚀率低于3.27%时,试验梁基本没有锈胀开裂,受弯破坏模式主要为受压区混凝土压碎,极限承载力随锈胀裂缝宽度增加快速减小;锈胀裂缝产生后,破坏形式逐渐转变为受拉钢筋屈服破坏,且承载力随钢筋锈蚀率大幅增加而缓慢减小.荷载-挠度曲线的峰值和斜率随劣化程度增加而减小.钢筋锈蚀导致混凝土开裂,混凝土劣化降低对钢筋的约束,两者耦合加速黏结性能退化,从而导致梁构件力学性能退化.理论分析了试验现象产生的原因,并对试验结果和理论计算结果进行了验证.     

钢筋混凝土构件锈蚀开裂与锈胀力分析

为合理确定锈胀力大小及其变化规律,研究混凝土保护层在锈胀作用下的开裂过程,提高混凝土结构使用寿命. 在考虑混凝土材料受拉软化和损伤效应的基础上,通过改变保护层厚度、钢筋直径、混凝土强度等参数,对钢筋锈胀引起的混凝土开裂过程、锈胀力分布和变化过程进行了有限元模拟和分析. 结果表明:均匀锈蚀下钢筋圆周上各处锈胀力分布并不均匀,明显受到内部裂缝的影响;锈胀力在裂缝贯通前达到峰值,之后快速下降最终保持稳定;保护层厚度c和钢筋直径d对锈胀的影响为线性关系,且统一用c/d值表征这两个参数是合理的,c/d值越大保护层完全开裂时的锈胀力和锈蚀率也越大,即延缓了保护层开裂. 基于锈胀力与c/d值的变化关系提出了最大锈胀力公式,并通过试验数据比对验证了最大锈胀力公式的有效性与精度.      

基于非均匀锈蚀的带肋钢筋黏结性能

根据钢筋的非均匀锈蚀特征,研究锈蚀带肋钢筋与混凝土间的黏结性能.基于未锈蚀带肋钢筋黏结强度的微观受力模型与均匀锈蚀带肋钢筋黏结性能模型,考虑钢筋的实际锈蚀为非均匀锈蚀,利用弹性力学方法建立带肋钢筋黏结强度的预测模型,推导出锈蚀带肋钢筋与混凝土间的极限黏结强度.分析无横向约束的锈蚀钢筋极限黏结强度,对混凝土开裂时刻钢筋的临界锈蚀深度进行预测.试验结果与理论预测结果吻合良好,采用该模型可以较准确地反映钢筋实际锈蚀后黏结强度的变化情况.     

酸性环境下结构受弯构件的加速腐蚀试验

酸性环境对钢筋混凝土结构具有较强的腐蚀作用 ,长期作用下 ,结构的安全性将由于结构的腐蚀损伤而降低 .针对酸性环境下钢筋砼受弯构件进行了整体加速腐蚀试验研究 ,验证了已有钢筋混凝土结构的基本腐蚀理论 ,分析了不同类型、不同浓度酸性介质对结构的腐蚀作用及结构的基本腐蚀损伤过程 ,确立了结构中钢筋腐蚀电流密度随结构服役时间的变化性 ,为建立结构的腐蚀速率模型提供了基本的数据 ,并为进一步分析受腐蚀结构的耐久性提供依据     

锈蚀双筋混凝土梁抗弯承载力计算模型分析

为完善和发展锈蚀钢筋混凝土结构的计算方法,基于混凝土结构中钢筋锈蚀后,锈蚀钢筋的截面损失、力学性能下降,钢筋和混凝土之间的粘结性能退化,钢筋锈胀力导致混凝土锈胀开裂等因素,将造成钢筋混凝土梁的承载能力及整体刚度都会有所下降的事实。借鉴已有的研究成果,得到了钢筋不同锈蚀率对钢筋混凝土梁中钢筋与混凝土间协同工作的影响公式,并结合现有的关于钢筋混凝土梁抗弯承载力的规范计算方法,建立了锈蚀双筋混凝土梁抗弯承载力的计算模型。最后,利用所建立的计算模型对已有的试验成果进行了验证分析,结果表明,所建立的的计算模型能够与试验结果较好地吻合。     

钢筋与混凝土耦合腐蚀RC梁性能研究

在混凝土结构耐久性的诸多影响因素中,钢筋与混凝土的耦合腐蚀已成为引起混凝土结构过早破坏的一个主要因素。基于不同腐蚀损伤水平条件下的14根简支钢筋混凝土梁抗弯试件的试验结果,分析了混凝土与钢筋耦合腐蚀损伤后梁的基本性能。同时,研究了耦合腐蚀对钢筋混凝土梁承载性能的影响,提出了耦合损伤条件下,钢筋混凝土梁抗弯承载力的一般评价方法,为指导此类构件承载性能评价及后续加固设计提供技术参考。     

锈蚀钢筋混凝土梁受剪性能评估

正确评价锈蚀钢筋混凝土梁受剪性能是科学评估锈蚀钢筋混凝土结构可靠性和耐久性的关键之一。从锈蚀钢筋混凝土梁斜截面受剪性能退化机理的角度,分析了影响锈蚀钢筋混凝土梁受剪能力的主要因素以及关于抗剪承载力研究方面目前存在的问题,并用已有的实验数据对现有的抗剪承载力计算模型进行了评估。研究表明:现有的钢筋锈蚀程度描述方法不能客观地反映自然锈蚀中的坑蚀,更无法考虑坑蚀引起的应力集中问题;基于名义应力或名义强度的锈蚀钢筋力学性能指标无法科学地地描述锈蚀钢筋的力学特征,锈蚀钢筋和混凝土之间粘结性能应考虑自然锈蚀中坑蚀以及严重锈蚀时锈胀现象的影响,已有的各种锈蚀钢筋混凝土抗剪承载力计算模型均存在一定的片面性。     

钢筋混凝土锈蚀损伤研究综述

钢筋锈蚀是钢筋混凝土结构耐久性降低的主要因素之一。简要说明研究钢筋混凝土锈蚀损伤的重要意义,阐述了钢筋混凝土锈蚀件损伤的研究状况。主要从混凝土中锈蚀钢筋的力学性能、钢筋锈蚀引起的混凝土损伤、锈蚀钢筋与混凝土间粘结性能和锈蚀钢筋混凝土受弯构件、受压构件的受力性能、锈蚀钢筋混凝土构件抗震性能等方面总结归纳了国内外的研究现状与成果,并分析了今后的研究方向。     

锈蚀钢筋混凝土黏结滑移本构模型及数值模拟应用

为研究纵筋与箍筋共同锈蚀对钢筋混凝土黏结性能的影响,采用电渗—恒电流—干湿循环的加速锈蚀方法对25个钢筋混凝土（RC）试件进行锈蚀,进而对其进行拉拔试验,研究了纵筋锈蚀、箍筋锈蚀、保护层厚度和箍筋间距等参数对黏结性能的影响规律。分析了锈蚀对混凝土与钢筋界面间黏结力的影响,将黏结性能退化归因于材料性能退化和约束效应退化,基于试验数据,建立并验证了一个考虑设计参数、纵筋及箍筋共同锈蚀的修正黏结滑移本构模型。结合所提本构模型及微元算法建立了锈蚀纵筋应力-滑移模型,基于OpenSees平台,将所建模型应用于零长度截面单元中,通过串联纤维梁柱单元与零长度截面单元建立了考虑黏结滑移变形的锈蚀RC构件数值模型,根据锈蚀RC柱拟静力试验数据对该模型的准确性进行验证,并采用仅考虑锈蚀损伤的纤维模型进行辅助验证。结果表明:混凝土与钢筋界面间黏结力随锈蚀程度的增加呈先上升后下降的趋势,增加保护层厚度可略微增加黏结强度,而箍筋加密对黏结强度提升明显;与纤维模型相比,所建锈蚀RC纤维模型承载力、累计耗能和极限位移误差分别降低12.8%、23.5%和14.2%,表明所建模型可合理计算钢筋滑移的贡献且准确预测锈蚀RC柱地震整体响应。     

锈蚀钢筋混凝土柱承载力评估理论与方法

基于锈蚀纵筋压屈试验,依据构件延性破坏的理论原则,提出了柱中锈蚀纵筋计算可用应力的物理模型。结合改进后的混凝土截面锈损模型和钢筋与混凝土间粘结力退化模型,提出了适用于不同纵筋锈蚀率和箍筋锈断情况的轴心受压、小偏心受压以及大偏心受压锈蚀钢筋混凝土柱的正截面承载力估算的理论与方法,给出了相应的计算公式,并与国内外相关试验结果进行对照,初步证实了所提出的估算理论与方法在相应范围内是可行的。