混凝土保护层锈胀开裂时间预测模型及细观裂纹扩展分析

发布时间：2020-07-29 10:13

【摘要】：钢筋锈蚀是影响混凝土结构耐久性最主要的原因之一,锈蚀会导致钢筋力学性能退化和混凝土保护层的剥落,从而减小构件截面的有效承载面积,降低结构的使用寿命。目前已有许多学者对钢筋锈蚀机理、锈胀理论模型和锈蚀速率模型等方面进行了研究。本文以混凝土保护层锈胀开裂过程为研究主线,以理论模型分析、数值模拟和现象调查相结合为研究手段,对锈胀裂纹在混凝土保护层中的形成以及扩展过程进行了理论推导和数值分析,并与试验结果进行了对比。本文的研究有助于完善混凝土结构耐久性理论体系,对实际混凝土工程锈裂过程的预测也具有较高的应用价值。本文的主要研究内容如下:考虑保护层的厚度、几何边界条件以及钢筋之间的相对位置,将结构简化为半无限体平面模型,通过理论分析,得到了保护层的锈胀应力表达式。计算结果表明:锈胀裂纹首先产生于与锈蚀层接触的位置;内部裂纹若非顺筋方向,由保护层表面的隆起引起的水平张拉应力,会导致顺筋裂纹由外向内开裂;增加保护层厚度和钢筋直径以及提高混凝土标号均有助于增强混凝土结构的抗锈裂能力。讨论了并排钢筋的间距对锈胀应力的影响。根据自然环境下保护层锈胀开裂前的钢筋锈蚀形态,将锈蚀层简化为半椭圆状的非均匀分布,从而建立了钢筋非均匀锈蚀力学模型,并经过求解得到了混凝土中锈胀应力理论解。根据理论解可知最大周向应力在钢筋水平轴上,因此锈蚀层的发展会首先引起保护层内部水平裂纹的产生。增加钢筋直径可有效减低锈胀应力,提高结构抗锈裂的能力。与均匀锈蚀理论解对比,均匀锈蚀要远小于非均匀锈蚀条件下的临界锈蚀层厚度。采用扩展有限元法(XFEM)和过盈装配的方式,建立了混凝土保护层非均匀锈胀开裂有限元模型。计算结果表明:首先在与钢筋接触的左右两侧10°~30°范围内形成包含数条微裂纹的裂纹带,对称于钢筋的中轴线背向发展,随着锈蚀程度的加深,在裂纹带形成一条斜向的主裂纹,从而导致保护层产生“楔形”破坏。通过对ABAQUS进行二次开发,提取了锈胀裂纹长度,得到裂纹长度与钢筋锈蚀率之间呈指数关系,并指出裂纹发展可分为三阶段:萌生区、扩展区和平缓区,应以裂纹进入平缓区的钢筋锈蚀率对结构进行评估,并给出了界限判据。与高速公路桥梁保护层剥落病害对比分析,验证了计算结果的精确性。依据XFEM的计算结果,综合考虑保护层厚度、钢筋直径和混凝土强度的影响进行统计分析,得到了保护层锈胀开裂时间预测模型,并验证了模型的可靠性。考虑到保护层开裂分析属细观层次范畴(10~(-4)~10~(-1)m),因此模型中将混凝土视为骨料、砂浆以及界面层的三相复合材料较均质材料更为合理。本文提出了一种基于网格预先生成的二维和三维随机凹凸型骨料的混凝土细观建模方法。该方法利用已生成的网格状态进行骨料投放,有效解决了在细观三相介质中网格质量问题。采用随机凹凸型骨料使骨料模型更加接近真实形态,避免了该方法对骨料形貌描述不准确。针对二维随机凹凸型骨料,本文提出的骨料投放方法,可使二维骨料投放含量达到75%;针对三维随机凹凸型骨料,本文提出一种四面体分割法来判断空间三维骨料与节点的位置关系,三维骨料投放含量可达65%,上述方法均保证了投放的随机性以及级配分布的合理性。最后采用混凝土损伤塑性(CDP)模型分析了保护层非均匀锈胀开裂的细观断裂破坏过程。得到了细观尺度下的混凝土裂纹萌生、扩展过程及破坏形态,数值结果与实验结果吻合良好。
【学位授予单位】：西南交通大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TU375
【图文】：

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