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（1.广东省重工建筑设计院,广州 510034；2.中南大学土木建筑学院,长沙 410075）
摘 要：
钢筋锈蚀会影响钢筋混凝土偏压构件的抗弯刚度.论文基于ANSYS有限元程序,建立了同时考虑锈后钢筋力学性能下降、有效截面积减少以及钢筋与混凝土粘结性能退化的锈蚀混凝土偏压构件有限元计算模型,通过有限元计算结果和试验结果的对比,验证了论文所建有限元模型的可靠性.
关键词：偏压构件,锈蚀,抗弯刚度,有限元
Finite Element Simulation on Flexural Stiffness of
Corroded RC Eccentric Compressive Members
PAN Qiao1,WEI Jun2
(1.Guangdong Zhonggong Architectural Design Institute,Guangzhou 510034,China,
2. School of Civil Engineering and Architecture,Central South University,Changsha 410075,China）
Abstract:
Corrosion greatly influences the flexural stiffness of reinforced concrete eccentric compressive members. On the base of finite element software ANSYS, finite analysis model was founded considering the effects both to mechanical properties of steel bar and steel barconcrete bond strength based on familiar part corroded members. Paralleling calculating result with the test proved the reliability of this model.
Key words:eccentric compressive members,corrosion,flexural stiffness,finite element
有限元分析方法经过实践已被证明是一种非常有效的数值分析方法.有限元分析方法可以克服试验的局限性,可以省去相当数量的构件试验工作.钢筋锈蚀导致钢筋混凝土结构提前破坏,在国内外已是十分普遍的现象,造成了巨大的经济损失.基于试验基础的有限元分析,是锈蚀钢筋混凝土构件性能研究的一个重要方面,也是一种十分经济的分析方法.
美国ANSYS公司研制的ANSYS系列软件拥有完善的模块化结构,具有强大的建模、计算和分析能力,是一款比较合适的能对混凝土结构进行非线性分析的有限元软件.在用ANSYS软件进行有限元分析时,主要用以下3种基本模块：预处理模块、求解模块和后处理模块.
预处理模块提供了一个强大的实体建模及网格划分工具,利用这个模块用户可以方便地构建有限元分析模型.这部分主要实现3种功能：参数定义、实体建模和网格划分.
求解模块可以对预处理模块中建立的模型进行计算分析.在这个模块中,用户可以定义分析类型、分析选项、载荷数据和载荷步选项,然后进行有限元求解.
后处理模块主要是用来查看分析结构的.主要包括通用后处理器(POST1)和时间历程后处理器(POST26).通过这些处理器,用户可以将计算结果以图形方式显示出来,也可以将计算结构以图表、曲线形式显示或输出.
1ANSYS单元模型
1.1SOLID65单元
ANSYS提供了一种特殊的SOLID65单元,专门用于模拟混凝土、岩石等抗压能力远大于抗拉能力的非均匀材料,可以模拟混凝土材料的拉裂和压溃现象.SOLID65单元可以使用弹性或弹塑性的本构模型来描述混凝土受压的应力应变关系.此外,SOLID65单元还有特有的Concrete element data,用来定义混凝土的强度准则,譬如单向和多向拉压强度等等.
SOLID65单元使用时应注意的问题：1) 单元关键项的设置： 当KEYOPT(1)等于0或1时,分别为考虑或不考虑形函数的附加项,不考虑计算容易收敛,考虑与否对结果有一定的影响,尤其是对开裂后压碎之前的结果.当KETOPY(7)等于0时,为考虑拉应力释放,属于半脆性开裂,这样设置易于收敛.2) 剪力传递系数的选择：SOLID65单元采用裂缝剪力传递系数表示裂缝面的情况,其值在0~1之间变化（0表示开裂面光滑,不能传递剪力）,剪力传递系数对计算结果影响较大,需要进行多次试算.
1.2LINK8单元
采用LINK8杆件单元来模拟混凝土中的钢筋.LINK8单元是杆轴方向的拉压单元,每个节点具有3个自由度,不能承受弯矩,并且与SOLID65单元单节点自由度数量是一致的.LINK8单元具有塑性、蠕变、膨胀、应力刚化、大变形、大应变等功能,可以通过杆单元截面的变化和强度条件来模拟不同锈蚀情况下的钢筋截面面积和钢筋强度.考虑钢筋材料塑性时,一般采用折线型本构关系模型,譬如双线性随动强化模型BKIN或双线性等向强化模型BISO等.
1.3COMBINE39单元
锈蚀钢筋和周围混凝土之间的粘结性能退化是分析锈蚀钢筋混凝土结构时会遇到的特有问题之一,为了模拟锈蚀钢筋和混凝土之间的作用,采用COMBIN39非线性弹簧单元来模拟锈蚀钢筋与混凝土之间的粘结滑移.COMBIN39非线性弹簧单元仅有空间位置而无几何体积,可以通过指定力位移（FD）曲线来定义非线性关系.COMBIN39单元主要用于不考虑弯曲作用影响的大变形分析.由于锈蚀钢筋与混凝土之间的粘结滑移本构关系是用粘结应力表达的,需要将粘结应力乘以钢筋单元的表面积来将它转换成模型中的弹簧力.
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1.4单元的组合
目前,钢筋混凝土结构有限元分析的单元模型主要有3种：整体式模型、组合式模型和分离式模型.前两种模型均假设钢筋与混凝土之间没有相对滑移,分离式模型是把混凝土和钢筋作为不同的单元来处理.该文在建模时采用分离式模型,用SOLID65单元划分混凝土实体,LINK8单元划分纵向钢筋和箍筋,在纵向钢筋单元和混凝土单元节点之间建立3个相互垂直的COMBIN39单元 (图1).3个COMBIN39单元具有各自的刚度,其中,平行于纵向钢筋长度方向的非线性弹簧的力位移关系是模拟钢筋和混凝土之间的粘结滑移作用,垂直于钢筋长度方向的两个非线性弹簧的力位移关系是模拟钢筋和混凝土的径向作用,在一定程度上反映了钢筋的销栓作用.
2有限元模拟
钢筋锈蚀后,会导致钢筋有效截面积减少.在假定均匀锈蚀的情况下,可以用钢筋截面的减小来模拟锈蚀引起的截面损失.由于在试验中测得的是锈蚀钢筋的重量损失率,有限元模拟时需要将重量损失率转化为截面损失率,该文采用文献\[1\]提出的计算公式(1)进行计算
式中,ηs为钢筋截面损失率；
η为钢筋重量损失率.
该文的钢筋强度模型采用文献\[2\]提出的退化模型,按其提出的计算公式(2)~式(3)进行计算
在分析模型中,采取如下基本假定：不考虑锈胀裂缝对混凝土截面造成的几何损伤；不考虑箍筋的锈蚀；不考虑受压钢筋以及箍筋与混凝土之间的滑移,钢筋单元与混凝土单元共用节点；柱端部纵向钢筋与混凝土节点合并,不设置非线性弹簧单元,即认为纵向钢筋端部锚固良好,不考虑锚固失效问题.
为了验证该文所提出的建模方法的合理性,该文模拟了文献\[5\]中的大偏心受压短柱,并进行了不考虑粘结滑移效应的有限元计算,并将结果与考虑粘结滑移的计算结果以及该文献的试验结果相比较,如图2~图5所示.
3结语
模型计算值与试验结果相比偏小,这可能与试验中所用材料参数离散性较大以及该文模型考虑的影响因素较少有关.经过对比验证,该文模型与试验值对应较好,能较好地描述构件抗弯刚度的退化过程,可以用有限元方法来对锈蚀钢筋混凝土偏压构件抗弯刚度进行进一步的计算分析.
参考文献
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王雪彗,钟铁毅. 混凝土中锈蚀钢筋截面损失率与重量损失率的关系\[J\]. 建筑技术与应用,2005(1): 46.
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\[4\]吴庆. 基于钢筋锈蚀的混凝土构件性能退化预计模型\[D\]. 徐州: 中国矿业大学,2007.
\[5\]李论文范文.锈蚀钢筋混凝土偏压构件抗弯刚度退化\[D\]. 武汉: 华中科技大学,2008.
总结：为您写钢筋锈蚀毕业论文范文和职称论文提供相关参考文献。
钢筋锈蚀检测引用文献:
[1] 钢筋原材检测论文
[2] 建筑质量钢筋检测论文
[3] 钢筋混凝土结构检测与加固方法论文
