钢筋锈蚀作用下混凝土保护层胀裂过程研究

摘要

钢筋锈蚀导致的混凝土保护层胀裂破坏对结构的耐久性能和结构性能的影响是极为不利的，是工程中亟待解决的一个重要问题。本文通过对钢筋锈蚀引起的混凝土保护层胀裂破坏过程及影响因素的研究，可以为既有混凝土结构进行耐久性评估和剩余使用寿命预测提供条件，同时也可以为提高结构耐久性设计水平提供理论基础。本文主要开展了如下工作内容: 首先，利用有限元软件ANSYS分别对位于截面角部和边中的单根均匀锈蚀钢筋引起的混凝土保护层胀裂破坏过程及影响因素进行了模拟分析。分析表明，边中锈蚀钢筋易引起保护层顺筋胀裂，而角部锈蚀钢筋易引起保护层角部剥落；角部锈蚀钢筋相比边中锈蚀钢筋更易使保护层胀裂；混凝土抗拉强度和相对保护层厚度越大，保护层越不易胀裂。另外，通过数据拟合得到了单根锈蚀钢筋临界锈胀力的计算模型，并利用已有研究得出的钢筋临界锈胀力和临界锈蚀率的关系模型，可以得到单根锈蚀钢筋临界锈蚀率的计算模型。经与已有试验结果对比验证，得出本文提出的单根锈蚀钢筋临界锈胀力的计算模型是有效的，同时也证明了本文数值模拟方法的合理性与可靠性。 其次，利用有限元软件ANSYS对多根均匀锈蚀钢筋（单排和双排）引起的混凝土保护层胀裂破坏过程及影响因素进行了模拟分析。分析表明，钢筋水平向净距s越小，保护层越易发生层裂，而当锈蚀钢筋水平向净距s大到一定程度（s/c?3）时，保护层胀裂破坏形式及多根锈蚀钢筋临界锈胀力大小与单根锈蚀钢筋基本相同；钢筋直径对混凝土保护层胀裂破坏的影响甚微；混凝土抗拉强度和保护层厚度越大，混凝土保护层越不易胀裂；双排多根锈蚀钢筋引起混凝土保护层在各排钢筋连线方向层裂破坏时的临界锈胀力大小与单排锈蚀钢筋情况基本一致，即钢筋排数对钢筋临界锈胀力无影响。最终通过拟合得到了多根锈蚀钢筋临界锈胀力计算模型，并基于已有研究得出了钢筋临界锈蚀率计算模型。 最后，利用有限元软件ANSYS对考虑箍筋约束（箍筋与混凝土之间分别为刚性联结与粘结-滑移两种情况）下单根边中均匀锈蚀钢筋引起的混凝土保护层胀裂破坏过程及影响因素进行了模拟分析。分析表明，箍筋约束下模型横截面保护层胀裂破坏模式与无箍筋约束时相同；无箍筋约束时混凝土保护层外表面沿轴向同时开裂，而在箍筋约束时混凝土保护层外表面沿轴向在距离箍筋最远位置处首先开裂，随后裂缝由两端逐渐向中间位置开展；箍筋约束下钢筋临界锈胀力的大小相比无箍筋情况下有所提高，可见箍筋的存在能够有效抑制和延缓混凝土保护层锈胀裂缝的开展；通过对比箍筋与混凝土之间分别为刚性联结和粘结-滑移的情况，得出箍筋与混凝土之间存在粘结-滑移时能够更准确地反映实际情况下钢筋临界锈胀力的大小；箍筋屈服强度对钢筋临界锈胀力的大小无影响，而增大箍筋直径、控制箍筋间距在一定范围内将对钢筋临界锈胀力的大小有所提高，有利于延缓混凝土保护层锈胀裂缝的开展，提高结构的耐久性设计水平。

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