導(dǎo)讀

鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)由于良好的塑性和材料的就地性，在建筑結(jié)構(gòu)當(dāng)中應(yīng)用廣泛，但鋼筋銹蝕導(dǎo)致保護(hù)層的銹脹開裂現(xiàn)象極大的危害了結(jié)構(gòu)的安全性和耐久性。細(xì)觀層次下，混凝土是由粗骨料、砂漿和二者界面區(qū)組成的三相復(fù)合材料，其中界面區(qū)是最薄弱的環(huán)節(jié)，因而銹脹裂縫也往往在此處萌生和擴(kuò)展。為研究細(xì)觀層次下保護(hù)層的銹脹開裂過程，北京工業(yè)大學(xué)的杜修力（第一作者）和金瀏（通訊作者）兩位學(xué)者采用基于ABAQUS建立了用以計(jì)算保護(hù)層銹脹開裂細(xì)觀有限元模型，并在《Engineering Failure Analysis》上發(fā)表了題為“Meso-scale numerical investigation on cracking of cover concrete induced by corrosion of reinforcing steel”的研究成果。有限元模型中，粗骨料采用隨機(jī)骨料的投放方法，骨料體積含量高達(dá)46.5%。并討論了保護(hù)層厚度，骨料分布和鋼筋位置對(duì)于保護(hù)層銹脹開裂過程力學(xué)反應(yīng)的影響。

內(nèi)容簡(jiǎn)介

現(xiàn)有的預(yù)測(cè)保護(hù)層銹脹開裂數(shù)值模型中，大多采用宏觀模型，即假設(shè)混凝土為均質(zhì)材料，而實(shí)際上混凝土是是由粗骨料、砂漿和二者界面組成的多相復(fù)合材料。在宏觀層次下，無法體現(xiàn)各相材料對(duì)于保護(hù)層銹脹裂縫萌生和擴(kuò)展的影響，因此有必要采用細(xì)觀力學(xué)模型研究保護(hù)層的銹脹開裂過程及力學(xué)反應(yīng)。作者所建立的不同保護(hù)層厚度下鋼筋混凝土細(xì)觀數(shù)值模型如圖1所示，其中混凝土模型的截面尺寸為150mm×150mm，鋼筋直徑為16mm，骨料體積含量為46.5%，保護(hù)層厚度分別為20-40mm。

圖1　不同保護(hù)層厚度下的鋼筋混凝土細(xì)觀模型

不同保護(hù)層厚度下混凝土保護(hù)層的開裂模式如圖2所示，其中（a）~（d）為各細(xì)觀模型對(duì)應(yīng)的混凝土宏觀模型，可以看出宏觀和細(xì)觀模型的開裂形態(tài)差別很大，宏觀模型下保護(hù)層的銹脹裂縫（損傷）呈現(xiàn)出連續(xù)的區(qū)域性分布，而在細(xì)觀模型下由于骨料的阻礙作用和界面區(qū)的薄弱性，銹脹裂縫呈現(xiàn)分散的形態(tài)，而且分布裂縫長(zhǎng)度也較宏觀模型要長(zhǎng)。

圖2　混凝土保護(hù)層宏觀模型和細(xì)觀模型銹脹開裂形態(tài)對(duì)比

作者對(duì)每組保護(hù)層厚度的鋼筋混凝土試件建立了8個(gè)不同骨料分布的數(shù)值模型，計(jì)算所得鋼筋邊界銹脹力-徑向位移曲線如圖3所示，可以看出在同保護(hù)層厚度不同骨料分布下曲線存在差異，這表明骨料分布對(duì)保護(hù)層銹脹開裂力學(xué)反應(yīng)有影響。

圖3　各保護(hù)層厚度不同骨料分布下的銹脹力-徑向壓力曲線

角部鋼筋的保護(hù)層銹脹開裂模擬結(jié)果如圖4所示，可以看出，角部鋼筋處保護(hù)層的開裂形態(tài)與中部鋼筋有明顯不同，出現(xiàn)了混凝土角狀脫落的現(xiàn)象，相較于中部鋼筋情形更加危險(xiǎn)。

圖4　角部鋼筋混凝土保護(hù)層開裂形態(tài)

原始文獻(xiàn)：Du X, Jin L. Meso-scale numerical investigation on cracking of cover concrete induced by corrosion of reinforcing steel [J]. Engineering Failure Analysis, 2014, 39: 21-33.

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