【摘要】：鋼筋銹蝕是影響混凝土結(jié)構(gòu)耐久性最主要的原因之一,銹蝕會導(dǎo)致鋼筋力學(xué)性能退化和混凝土保護(hù)層的剝落,從而減小構(gòu)件截面的有效承載面積,降低結(jié)構(gòu)的使用壽命。目前已有許多學(xué)者對鋼筋銹蝕機(jī)理、銹脹理論模型和銹蝕速率模型等方面進(jìn)行了研究。本文以混凝土保護(hù)層銹脹開裂過程為研究主線,以理論模型分析、數(shù)值模擬和現(xiàn)象調(diào)查相結(jié)合為研究手段,對銹脹裂紋在混凝土保護(hù)層中的形成以及擴(kuò)展過程進(jìn)行了理論推導(dǎo)和數(shù)值分析,并與試驗結(jié)果進(jìn)行了對比。本文的研究有助于完善混凝土結(jié)構(gòu)耐久性理論體系,對實際混凝土工程銹裂過程的預(yù)測也具有較高的應(yīng)用價值。本文的主要研究內(nèi)容如下:考慮保護(hù)層的厚度、幾何邊界條件以及鋼筋之間的相對位置,將結(jié)構(gòu)簡化為半無限體平面模型,通過理論分析,得到了保護(hù)層的銹脹應(yīng)力表達(dá)式。計算結(jié)果表明:銹脹裂紋首先產(chǎn)生于與銹蝕層接觸的位置;內(nèi)部裂紋若非順筋方向,由保護(hù)層表面的隆起引起的水平張拉應(yīng)力,會導(dǎo)致順筋裂紋由外向內(nèi)開裂;增加保護(hù)層厚度和鋼筋直徑以及提高混凝土標(biāo)號均有助于增強(qiáng)混凝土結(jié)構(gòu)的抗銹裂能力。討論了并排鋼筋的間距對銹脹應(yīng)力的影響。根據(jù)自然環(huán)境下保護(hù)層銹脹開裂前的鋼筋銹蝕形態(tài),將銹蝕層簡化為半橢圓狀的非均勻分布,從而建立了鋼筋非均勻銹蝕力學(xué)模型,并經(jīng)過求解得到了混凝土中銹脹應(yīng)力理論解。根據(jù)理論解可知最大周向應(yīng)力在鋼筋水平軸上,因此銹蝕層的發(fā)展會首先引起保護(hù)層內(nèi)部水平裂紋的產(chǎn)生。增加鋼筋直徑可有效減低銹脹應(yīng)力,提高結(jié)構(gòu)抗銹裂的能力。與均勻銹蝕理論解對比,均勻銹蝕要遠(yuǎn)小于非均勻銹蝕條件下的臨界銹蝕層厚度。采用擴(kuò)展有限元法(XFEM)和過盈裝配的方式,建立了混凝土保護(hù)層非均勻銹脹開裂有限元模型。計算結(jié)果表明:首先在與鋼筋接觸的左右兩側(cè)10°~30°范圍內(nèi)形成包含數(shù)條微裂紋的裂紋帶,對稱于鋼筋的中軸線背向發(fā)展,隨著銹蝕程度的加深,在裂紋帶形成一條斜向的主裂紋,從而導(dǎo)致保護(hù)層產(chǎn)生“楔形”破壞。通過對ABAQUS進(jìn)行二次開發(fā),提取了銹脹裂紋長度,得到裂紋長度與鋼筋銹蝕率之間呈指數(shù)關(guān)系,并指出裂紋發(fā)展可分為三階段:萌生區(qū)、擴(kuò)展區(qū)和平緩區(qū),應(yīng)以裂紋進(jìn)入平緩區(qū)的鋼筋銹蝕率對結(jié)構(gòu)進(jìn)行評估,并給出了界限判據(jù)。與高速公路橋梁保護(hù)層剝落病害對比分析,驗證了計算結(jié)果的精確性。依據(jù)XFEM的計算結(jié)果,綜合考慮保護(hù)層厚度、鋼筋直徑和混凝土強(qiáng)度的影響進(jìn)行統(tǒng)計分析,得到了保護(hù)層銹脹開裂時間預(yù)測模型,并驗證了模型的可靠性。考慮到保護(hù)層開裂分析屬細(xì)觀層次范疇(10~(-4)~10~(-1)m),因此模型中將混凝土視為骨料、砂漿以及界面層的三相復(fù)合材料較均質(zhì)材料更為合理。本文提出了一種基于網(wǎng)格預(yù)先生成的二維和三維隨機(jī)凹凸型骨料的混凝土細(xì)觀建模方法。該方法利用已生成的網(wǎng)格狀態(tài)進(jìn)行骨料投放,有效解決了在細(xì)觀三相介質(zhì)中網(wǎng)格質(zhì)量問題。采用隨機(jī)凹凸型骨料使骨料模型更加接近真實形態(tài),避免了該方法對骨料形貌描述不準(zhǔn)確。針對二維隨機(jī)凹凸型骨料,本文提出的骨料投放方法,可使二維骨料投放含量達(dá)到75%;針對三維隨機(jī)凹凸型骨料,本文提出一種四面體分割法來判斷空間三維骨料與節(jié)點的位置關(guān)系,三維骨料投放含量可達(dá)65%,上述方法均保證了投放的隨機(jī)性以及級配分布的合理性。最后采用混凝土損傷塑性(CDP)模型分析了保護(hù)層非均勻銹脹開裂的細(xì)觀斷裂破壞過程。得到了細(xì)觀尺度下的混凝土裂紋萌生、擴(kuò)展過程及破壞形態(tài),數(shù)值結(jié)果與實驗結(jié)果吻合良好。
【學(xué)位授予單位】：西南交通大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號】：TU375
【圖文】：

西南交通大學(xué)博士研究生學(xué)位論文國民經(jīng)濟(jì)投入—產(chǎn)出表的計算結(jié)果進(jìn)行對比，我國每年腐蝕總損失可達(dá)，約占國民生產(chǎn)總值 5%的。《2020 年中國土木工程科學(xué)和技術(shù)發(fā)展研究報告》中，專門討論了海工久性問題及對策。國內(nèi)外大量調(diào)查結(jié)果表明，海工混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性。多數(shù)碼頭在其使用期的前 10~20 年，就會出現(xiàn)明顯的表面損傷特征，銹跡、銹斑，嚴(yán)重的會出現(xiàn)銹脹開裂，特別嚴(yán)重的則有大面積剝落現(xiàn)象有些結(jié)構(gòu)只使用了 5~10 年就出現(xiàn)上述現(xiàn)象。圖 1-1 展示了鋼筋銹蝕所導(dǎo)房屋建筑結(jié)構(gòu)保護(hù)層剝落現(xiàn)象和結(jié)構(gòu)失效破壞。

第18頁 西南交通大學(xué)博型，圖中的鋼筋僅表示孔洞位置。在圖 2-2 所示模型中，若將混凝土視移軸對稱的平面應(yīng)變問題。在距鋼筋頂端兩個半無限大板即可得到圖 2-2 中的力學(xué)模疊加就可以消除面力 q 對保護(hù)層中銹脹應(yīng)力分布。該模型幾何形狀以及邊界條件與實

西南交通大學(xué)博士研究生學(xué)位論文 第2理論解與有限元對比分析驗證理論解答，本文采用 ABAQUS 對模型中的銹蝕情形進(jìn)行了仿真分析采用 200mm×400mm 的混凝土試件，混凝土強(qiáng)度等級為 C25，彈性模松比為 0.2，抗拉強(qiáng)度設(shè)計值 ft=1.27MPa；鋼筋直徑為 16；保護(hù)層厚度 25度 Δ=0.001mm；采用平面應(yīng)變單元 CPE8，在與鋼筋接觸的混凝土表面徑向位移表示鋼筋均勻銹脹對周圍混凝土的作用；約束條件為試件底端端）固定約束，有限元模型及網(wǎng)格劃分如圖 2-4 所示，圖 2-5 為混凝土保分布云圖。

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本文編號：2773820