无粘结预应力混凝土梁受压区钢筋锈蚀后受弯性能的数值模拟研究

摘要

混凝土构件中钢筋的锈蚀，不仅造成钢筋本身的强度损失和横截面面积减少，生成的铁锈还会对周围混凝土产生径向挤压膨胀力，即锈胀力，导致周围混凝土产生环向的拉应力，使得受压区的混凝土处于双向拉压异号的应力状态，会引起其开裂从而降低了抗压能力。
　　 本文采用大型有限元软件ANSYS模拟分析受压区钢筋锈蚀对无粘结预应力混凝土梁的受弯性能的影响，主要做了以下工作：对混凝土耐久性研究进行综述，探讨无粘结预应力混凝土梁钢筋锈蚀的有限元分析方法，确定材料的本构关系和结构单元模型，分析混凝土破坏准则、开裂软化、裂缝和压碎处理。在不同有效预应力、荷载、受压钢筋直径和混凝土强度等级的条件下，对不同锈蚀率的无粘结预应力混凝土悬臂梁进行数值模拟研究，分析受压钢筋锈蚀对无粘结预应力梁受弯性能的影响。接着对无粘结预应力悬臂梁锈蚀前后预应力筋应力的变化以及受压区混凝土应变的变化和挠度的变化等方面的模拟和试验结果进行对比分析研究。在基本假设前提下，分析推导出无粘结预应力混凝土梁受压区钢筋锈蚀开裂前的正截面抗弯承载力锈胀退化计算公式。通过对无粘结预应力混凝土T梁受压区钢筋锈蚀开裂前，在不同锈蚀率条件下的抗弯承载力进行有限元模拟计算研究，对模拟计算值和公式计算值进行比较，并分析了综合配筋指标的各因素对承载力的影响。
　　 本研究获得了以下的主要成果：无粘结预应力钢筋混凝土梁受压区钢筋锈蚀后的受弯性能随锈蚀量的增加而降低。其他条件相同的情况下，预应力、外荷载和受压钢筋直径越大，或者混凝土强度等级越低，受压区混凝土纵向开裂时刻的锈蚀量越小，相对挠度增量也随之减小。本文在基本假设前提下，分析推导出无粘结预应力混凝土梁受压区钢筋锈蚀开裂前的正截面抗弯承载力锈胀退化计算公式。通过“综合配筋指标”的各因素对极限承载力的影响进行有限元模拟分析研究可知:对极限弯矩的影响较大的是有效预应力和预应力筋用量，对预应力极限应力增量影响相对较大的依次混凝土强度和受拉受压普通钢筋用量。最后将模拟结果与本文公式计算结果进行比较，符合较好，对以后耐久性初步评估有良好的指导意义。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 引言

1．2 锈蚀钢筋混凝土构件力学性能的研究现状

1．2．1 锈蚀钢筋混凝土受压构件的有关研究

1．2．2 锈蚀钢筋混凝土受弯构件正截面承载力的研究现状

1．2．3 有关锈蚀预应力钢筋混凝土梁性能的研究

1．2．4 钢筋锈蚀数值模拟研究现状

1．3 钢筋锈蚀对周围混凝土的影响

1．3．1 钢筋锈蚀量的计算

1．3．2 钢筋锈胀力的计算

1．3．3 混凝土在双向应力作用下的强度

1．4 提高钢筋混凝土结构的耐久性的措施

1．5 预应力混凝土结构的分类

1．6 本文主要的研究内容

第二章 预应力钢筋混凝土结构的有限元分析方法

2．1 有限元分析方法的内容

2．1．1 有限元分析的基本假定

2．1．2 材料的应力—应变关系

2．1．3 钢筋混凝土结构单元模型

2．1．4 混凝土破坏准则和裂缝处理

2．1．5 混凝土开裂后的应力软化和压碎处理

2．2 预应力钢筋混凝土结构的建模方法

2．2．1 有限元模型建立的方法

2．2．2 预应力混凝土结构的建模方法

2．2．3 钢筋锈蚀的模拟方法

2．2．4 关于计算收敛的注意事项

2．3 本章小结

第三章 锈蚀预应力梁受弯性能的数值模拟和结果分析

3．1 锈蚀预应力混凝土梁的数值模拟

3．1．1 模型的尺寸参数和材料属性

3．1．2 模型的建立

3．2 数值模拟的计算结果与分析

3．2．1 锈蚀预应力梁中挠度增量与锈蚀率的关系

3．2．2 锈蚀预应力梁中锈蚀率与应变的关系

3．2．3 锈蚀前后预应力筋应力变化

3．2．4 模拟结果与试验结果的对比

3．3 本章小结

第四章 受压钢筋锈蚀后预应力混凝土梁受弯承载力计算

4．1 概述

4．2 基本假设

4．2．1 平截面假设

4．2．2 各材料的本构关系

4．2．3 普通受压钢筋的锈蚀影响范围

4．3 受压区普通钢筋锈蚀开裂前预应力受弯构件抗弯承载力分析

4．3．1 抗弯承载力计算

4．3．2 无粘结预应力筋的极限应σps计算

4．3．3 算例分析

4．4 承载力有限元数值模拟结果及分析

4．4．1 无粘结预应力混凝土T梁锈蚀开裂前承载力的模拟分析

4．4．2 主要设计参数对极限抗弯承载力的影响分析

4．5 本章小结

第五章 总结与展望

5．1 主要研究结论

5．2 展望

参考文献

致谢

攻读硕士学位期间发表的学术论文