腐蚀混凝土单轴受压本构模型及其在混凝土构件力学性能分析中的应用

摘要

混凝土腐蚀是一个复杂的变化过程，其材料性能在腐蚀过程中发生了劣化。尽管混凝土在各种腐蚀介质下的腐蚀机理已经比较清楚，但是对腐蚀及腐蚀混凝土构件的力学性能的定量分析还需要进一步的研究。 本文在腐蚀混凝土试验基础上，应用损伤力学理论，结合已有的混凝土损伤本构模型，推导了一种腐蚀混凝土单轴受压本构模型，并将该模型应用到腐蚀钢筋混凝土构件的有限元分析中。本文主要做了以下几个方面的工作： 1)总结了各种腐蚀介质对钢筋和混凝土的腐蚀机理； 2)通过对腐蚀混凝土试验数据的分析，引入反映腐蚀介质和腐蚀时间的参数，推导了腐蚀混凝土的单轴损伤本构模型，并采用Matlab6.0拟和了试验得出的腐蚀混凝土的应力－应变曲线，确定了腐蚀参数。 3)采用C++语言编制了可以考虑材料非线性的梁单元有限元程序，对高浓度海水腐蚀下的钢筋混凝土构件进行了有限元分析。 混凝土受腐蚀后，单轴受压应力－应变曲线的上升段分成了两段，第一上升段的斜率远小于第二上升段；与未腐蚀混凝土相比，曲线下降段前部分变尖，后部分变平缓。腐蚀降低了混凝土的弹性模量、峰值应力，增加了混凝土的极限应变。本文建立了两段式的腐蚀混凝土单轴受压本构模型，与试验数据比较符合。只要借助试验或参考已有的试验数据，确定相关的腐蚀参数，就可以建立腐蚀混凝土单轴受压应力－应变曲线。在腐蚀钢筋混凝土构件的有限元分析中，腐蚀混凝土本构模型比一般的混凝土本构模型更准确的反映混凝土腐蚀对构件力学性能的影响。随着腐蚀程度的加深，受腐蚀混凝土本构模型对应的腐蚀构件有限元计算分析结果就越接近试验值。