基于格构式模型的钢筋混凝土锈胀开裂数值模拟方法

摘要

钢筋受外部环境侵蚀发生锈蚀，进而产生体积膨胀，导致周围混凝土受到挤压。随着钢筋锈蚀程度加剧，混凝土保护层将受拉开裂。当裂缝发展到一定程度会引起混凝土保护层剥落，严重影响混凝土结构的耐久性。因此，研究钢筋混凝土结构的锈胀开裂在结构耐久性研究中具有重要意义。　　本文主要通过MATLAB编写程序实现用格构式模型对钢筋混凝土结构锈胀开裂进行数值模拟，并用该模型研究了保护层厚度、钢筋直径、混凝土抗拉强度、粗骨料粒径等对混凝土锈胀开裂的影响，主要研究内容及成果如下：　　①介绍混凝土的细观结构组成以及各成分的力学性能。提出了一种骨料投放方法，大大提高了骨料的体积投放率，并通过MATLAB编程建立二维混凝土随机骨料模型。　　②根据格构式模型的基本原理，在混凝土随机骨料模型基础上建立二维混凝土格构式模型，并总结钢筋的锈胀形态及其适用情况，根据钢筋的锈胀形态施加强迫位移模拟混凝土的锈胀开裂。　　③建立周边混凝土双线性四边形单元模型，通过界面结点耦合实现格构式模型(核心混凝土)与双线性四边形单元模型(周边混凝土)之间力的传递，从而建立组合模型，运用该模型对考虑边界约束下的钢筋混凝土锈胀开裂进行模拟。　　④用完善后的程序对非角区和角区钢筋混凝土的锈胀开裂进行模拟，绘制锈胀开裂图以及裂缝宽度与钢筋锈胀量关系曲线，并比较了两种骨料形态(圆形、椭圆形)下锈胀开裂的异同。　　⑤以非角区钢筋混凝土锈胀开裂为例，选择比较符合实际骨料形态的椭圆形骨料，研究了保护层厚度、钢筋直径、混凝土抗拉强度以及骨料粒径对混凝土锈胀开裂的影响。　　⑥针对两个代表性试验，根据本文介绍的方法进行数值模拟，将模拟结果与试验结果进行对比分析，论证本方法的可行性及其存在的缺陷。

目录

封面

中文摘要

英文摘要

目录

主要符号

1绪论

1.1研究背景和意义

1.2钢筋混凝土结构耐久性研究的发展历程

1.3钢筋锈蚀导致混凝土开裂研究概况

1.4本文主要工作

2格构式模型基本理论及实现方法

2.1格构式模型的基本理论

2.2格构式模型模拟开裂的基本方法

2.3本章小结

3二维混凝土随机骨料模型

3.1混凝土材料的基本理论

3.2混凝土骨料级配

3.3生成混凝土随机骨料模型的方法

3.4本章小结

4用格构式模型模拟混凝土锈胀开裂

4.1格构式模型模拟混凝土在外荷载作用下的开裂

4.2格构式模型模拟混凝土在钢筋锈蚀作用下的开裂

4.3考虑边界约束下的钢筋混凝土锈胀开裂模拟

4.4特定位置处钢筋混凝土锈胀开裂模拟

4.5锈胀开裂的影响因素

4.6本章小结

5格构式模型模拟锈胀开裂的应用案例

5.1电化学加速锈蚀试验模拟

5.2自然锈蚀试验模拟

5.3本章小结

6主要结论与展望

6.1本文总结

6.2本文创新点

6.3今后研究展望

致谢

参考文献

附录

A.作者在攻读硕士学位期间的发明专利

B.作者在攻读硕士学位期间参与的科研项目