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往复荷载作用下锈蚀钢筋受力性能研究

发表时间：2020/11/30 来源：《基层建设》2020年第22期作者：杨琴郭丽娟

[导读] 摘要：为了研究锈坑对钢筋静载作用下的受力性能，利用ANSYS有限元软件建立带有不同深度和长度锈坑的钢筋模型，对建立的模型施加往复荷载，通过分析其滞回曲线发现，带有锈坑的钢筋塑性和延性随着锈坑深度呈现下降，但是随着锈坑尺寸下降趋势不如随锈坑深度变化明显；锈坑引起的钢筋最大截面损失率是影响钢筋力学性能下降的主要原因。

        遵义职业技术学院建筑与艺术设计系贵州遵义 563000
        摘要：为了研究锈坑对钢筋静载作用下的受力性能，利用ANSYS有限元软件建立带有不同深度和长度锈坑的钢筋模型，对建立的模型施加往复荷载，通过分析其滞回曲线发现，带有锈坑的钢筋塑性和延性随着锈坑深度呈现下降，但是随着锈坑尺寸下降趋势不如随锈坑深度变化明显；锈坑引起的钢筋最大截面损失率是影响钢筋力学性能下降的主要原因。
        关键词：锈坑；有限元；滞回曲线；塑性；延性
        0 引言
        在环境的作用下，混凝土和钢筋的材料的力学性能会发生退化，这是混凝土结构产生的耐久性病害的重要原因，随着结构的承载力减小，结构的安全性能大大降低；而钢筋的锈蚀是混凝土产生问题的主要的原因。
        近些年来，许多学者都对钢筋混凝土耐久性进行了研究，但是锈蚀钢筋受力非常复杂。笔者借助有限元软件ANSYS，用solid45实体单元建立锈蚀钢筋的精细化模型，对不同锈坑深度、不同锈坑长度的钢筋分级施加往复荷载，绘制钢筋的滞回曲线（恢复力曲线），比较研究锈坑深度及锈坑长度对钢筋塑性延性的影响。
        1 建模
        借助大型有限元软件ANSYS，用solid45实体单元建立锈蚀钢筋的精细化模型，取长度为300m，直径为20mm的圆柱体模拟钢筋，用圆台模拟锈坑，利用布尔运算模拟带有不同深度、长度的锈坑模型。
        为了简化，模型计算中采用的钢筋的应力—应变关系模型如图1。

        图1 有限元模型钢筋应力—应变关系
        为比较锈坑深度和长度对钢筋受力的影响，模拟表1所示七种情况。建立的锈蚀钢筋有限元模型如图2所示。（只列举一种状况，其他类似）

        图2 锈蚀钢筋有限元模型
                                表1 锈蚀参数表

        2 分析
        在循环往复荷载作用下，得到的结构的荷载-位移变形，即为滞回曲线，又称恢复力曲线。它主要反映结构在反复受力的过程中的变形特征、刚度退化以及能量消耗，是确定恢复力模型和进行非线性地震反应分析的依据。结构或者构件的滞回曲线一般有四种形状：梭形、弓形、反S形以及Z形。
        对建立的1-4号锈蚀钢筋模型施加往复荷载，可以得到不同锈坑深度滞回曲线，如图3、4所示。

        图3 无锈蚀钢筋滞回曲线（编号1）

        图4 锈蚀钢筋滞回曲线（编号2-4）
        从图3可以看出，无锈坑钢筋的滞回曲线光滑饱满，滞回环接近梭形，塑性变形能力很强；循环一定次数后，承载力和刚度并无明显退化，性能稳定，抗疲劳性能很好。
        从图3、4看出，加载初期，钢筋处于弹性阶段，荷载—位移曲线斜率变化不大，加载与卸载基本沿直线变化，每一级加载形成的滞回环面积小；当加载位移较大时，滞回环包含的面积明显增加。
        比较图3、4发现，随着锈坑深度增加，钢筋加载所得滞回曲线从光滑饱满，滞回环接近梭形，逐渐变得不饱满，从梭形变化成反S形，说明随着锈坑深度的增加，钢筋的塑性变形能力逐渐下降，抵抗变形的能力逐渐降低。
        对建立的5-7号锈蚀钢筋模型施加往复荷载，可以得到不同锈坑长度钢筋的滞回曲线，如图5所示。

        图5 锈蚀钢筋滞回曲线（编号5-7）
        通过与图3对比，发现锈蚀钢筋的滞回曲线不如无锈坑钢筋的曲线光滑饱满；说明钢筋锈坑的产生会降低钢筋的塑形。但是比较图5的滞回曲线发现，在锈坑深度一定的情况下，随着锈坑长度的增加，钢筋的滞回曲线形状变化趋于反S形，说明其塑形降低。但是其变化趋势不如随锈坑深度变化明显。
        综合分析可以得出，锈坑会引起钢筋塑形降低，影响其力学性能的最主要原因可能是锈坑引起的钢筋最大截面损失率，当锈坑深度不变化，锈坑长度增加时，钢筋的最大截面损失率比较小，其塑形和延性降低的不如随锈坑深度变化明显。
        3结语
        利用ANSYS有限元软件建立带有不同深度和长度的钢筋模型，对模型施加往复荷载，通过分析其滞回曲线发现，带有锈坑的钢筋塑性和延性随着锈坑深度呈现下降，但是随着锈坑尺寸下降趋势不如随锈坑深度变化明显；锈坑引起的钢筋最大截面损失率是影响钢筋力学性能下降的主要原因。
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        作者简介：
        杨琴（1987—），男，讲师，湖南道县人，工学硕士，主要从事建筑工程技术方面的教学和大跨度桥梁可靠度方面的研究.