1、中文 9500 字 出处： Magazine of Concrete Research, 2005, 57(7): 383-396. 带肋钢筋与混凝土之间的粘结第二部分：腐蚀的效应 K.伦德格伦 （瑞典 哥德堡 查尔摩斯工学院） 摘要 ： 混凝土中的钢筋受腐蚀后 钢筋 体积较原有 体积 有所增大，这使得混凝土受到了向外的劈裂压力。因此，钢筋和混凝土之间的粘结性能受到了一定的影响。在早期的文章中，笔者论述过一种混凝土腐蚀模型，在它的姊妹篇中也发表了一种修正后的粘结机理模型。本文所用的模型结合了这种修正后的粘结机理模型， 将钢筋和混凝土模拟成固体单元后运用三相有限元法进行分析。许多研究人员进行了腐
2、蚀裂纹测试、添加横向钢筋和不添加横向钢筋的梁测试以及相应的拉拔测试。将测试所得的结果与按照该模型分析所得的结果进行分析、比较，研究人员发现他们具有较好的一致性。此外，该模型还被用于研究均匀腐蚀和局部腐蚀效应。结果表明，在使构件表面开裂的同等情况下，局部腐蚀 平均腐蚀深度 比均匀腐蚀 的平均腐蚀深度 小 ，而且他们的腐蚀模式也不相同。通过这些分析，我们可以得出的结论是：在研究混凝土由均匀腐蚀导致的开裂时，轴对称性分析似乎足以成为一种模型标准。在 研究局部腐蚀时，需要应用三维立体模型。在研究未布置横向钢筋的混凝土构件中的受均匀腐蚀的钢筋锚固部分时，同样需要运用这种模型。在这些情况下，锚固钢筋在混凝
3、土表面开裂时起决定性作用这一标准可以被认定为安全可靠的。 关键字： 钢筋；混凝土；粘结；腐蚀；效应 1概述 钢筋的腐蚀一般制约着混凝土结构的使用寿命。在测定混凝土结构的使用寿命时，通常将其分为初始期以及传播期。初始期是指钢筋受腐蚀之前的时期，传播期是指初始期过后到允许最大腐蚀度之前的时期。钢筋腐蚀最普遍原因是混凝土构件的碳化以及氯离子的侵入。借助于二氧化碳 或氯化物入侵混凝土构件表面速率模型，初始期可以被确定。通过测定钢筋腐蚀速率以及允许最大腐蚀度，传播期可以被确定。本文将集中解决测定允许最大腐蚀度时所需用的模型。于是，钢筋腐蚀对结构承载性能的影响就可以被确定。 混凝土结构中的钢筋受腐蚀后会导
4、致两种效应：（ 1）钢筋横截面面积减少。它对混凝土构件承载力的影响很容易被 考虑 。原则上，可以运用与未受损的混凝土构件相同的模型来解决，只需要将钢筋的面积减少即可。（ 2）钢筋受腐蚀后体积比原有体积增大，这就导致混凝土受到了向外的劈裂压力。这种压力可能会导致混凝土表面开裂。后一 效应在许多方面影响着整个结构。对于结构的受压侧，混凝土表面的开裂会导致其受压内力臂的减少，进而影响结构的受弯承载力。此外，钢筋和混凝土之间的相互作用也受到了影响。这种相互作用通常被称作粘结机理。正是由于对粘结机理的影响，结构的变形增大了。如果这种腐蚀发生在结构的某些部位，例如支撑或链接处，那么结构的承载性能将会受到影
5、响。 在计算受腐蚀钢筋混凝土结构的承载性能时，钢筋体积增大这一效应不易被察觉 。笔者在早期的论述中提出过一种结合粘结机理模型的混凝土腐蚀模型但对于某些特殊的连续加载和卸载 ，这种粘结模型被证明会产生能量。（ 古斯塔夫松 .P. J., pers. Comm., 2002）为了避免这种不良影响，粘结机理模型公式已被修饰，可见于其姊妹篇论文中 在本文中，腐蚀模型的标准被进一步研究，其次，这种腐蚀模型在应用时与分析文献中记载的许多实验所用的粘结模型相结合。最后，这种模型可为设计参考提供背景知识。 2 腐蚀与粘结的模拟 本文所用的模拟方法特别适合细致的三 维 有限元分析，其中钢筋和混凝土都被模拟为固体
6、元素。钢筋与混凝土接触面之间运用了特殊的界面元素，以此来描述界面摩 擦力 t 与相对位移 u 之间的联系。这些变量的物理意义如下： t = = u = = 这种腐蚀模型和粘结模型可以被看作为钢筋周围两个独立的层。但是，为了减少模拟结构所需的节点数时，他们被集合成为一个界面元素。由于 两层之间的静力平衡，粘结层和腐蚀层所受的摩擦力相等。变形公式描述如下： = + (1) = , =0 (2) 其中，下标“ cor”指代腐蚀层，下标“ bond”指代粘结层。粘结模型在另一篇文章中已论述。 2.1 腐蚀模型 钢筋受腐蚀后增加的体积被模拟在腐蚀层中，如 Lundgren一文中所描述钢筋未腐蚀部分与腐蚀
7、部分之比以及以时间为变量的腐蚀深度函数都作为输入值。因而腐蚀可以被模拟为因时间而变的效应。 各变量的物理意义在图示 1 中已指出。自由增加的半径即当法向应力为零时钢筋增加的半径 可以通过下述公式计算，即： a=-r+ (3) 其中 指钢筋腐蚀部分与未腐蚀部分之比，估计值为 2.0。实际增加的半径为 ，相应的钢筋腐蚀应变为 = (4) 图示 1：腐蚀模型中各变量的物理意义 通过钢筋腐蚀应变，腐蚀层中的法向应力力可以确定。 为了研究腐蚀部分的力学性能，图示 2 中给出了结合有限元分析后的文献中记录的裂纹测试实验数据。许多研究人员就不同试件对致使混凝土保护层开 裂的腐蚀深度进行了测量，并对这些试件进行了有限元模拟以及混凝土非线性断裂力学分析。其中，试件的钢筋部分被抽空，仅对混凝土部分进行模拟测试。对这些中空部分，研究人员施加了一定的法向应变，进而形成了试件的应力 -应变曲线。对于中空部分，每一次的分析都运用了的所得的应力、应变。最后，结合实验测得的混凝土腐蚀深度，所得的结果 可见于 试件的应力 -应变图上 对应 的点。 为了评估所得的腐蚀应变，需要确定当混凝土保护层破裂时腐蚀层的位移。考虑到由法向压力导致的钢筋和混凝土的压缩，腐蚀层的位移需由导致混凝土保护层破坏的孔洞位移 确定。由作用钢筋上的法向应力 而导致的钢筋位移
