【摘要】：鋼筋銹蝕是影響混凝土結(jié)構(gòu)耐久性最主要的原因之一,銹蝕會(huì)導(dǎo)致鋼筋力學(xué)性能退化和混凝土保護(hù)層的剝落,從而減小構(gòu)件截面的有效承載面積,降低結(jié)構(gòu)的使用壽命。目前已有許多學(xué)者對(duì)鋼筋銹蝕機(jī)理、銹脹理論模型和銹蝕速率模型等方面進(jìn)行了研究。本文以混凝土保護(hù)層銹脹開(kāi)裂過(guò)程為研究主線(xiàn),以理論模型分析、數(shù)值模擬和現(xiàn)象調(diào)查相結(jié)合為研究手段,對(duì)銹脹裂紋在混凝土保護(hù)層中的形成以及擴(kuò)展過(guò)程進(jìn)行了理論推導(dǎo)和數(shù)值分析,并與試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比。本文的研究有助于完善混凝土結(jié)構(gòu)耐久性理論體系,對(duì)實(shí)際混凝土工程銹裂過(guò)程的預(yù)測(cè)也具有較高的應(yīng)用價(jià)值。本文的主要研究?jī)?nèi)容如下:考慮保護(hù)層的厚度、幾何邊界條件以及鋼筋之間的相對(duì)位置,將結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化為半無(wú)限體平面模型,通過(guò)理論分析,得到了保護(hù)層的銹脹應(yīng)力表達(dá)式。計(jì)算結(jié)果表明:銹脹裂紋首先產(chǎn)生于與銹蝕層接觸的位置;內(nèi)部裂紋若非順筋方向,由保護(hù)層表面的隆起引起的水平張拉應(yīng)力,會(huì)導(dǎo)致順筋裂紋由外向內(nèi)開(kāi)裂;增加保護(hù)層厚度和鋼筋直徑以及提高混凝土標(biāo)號(hào)均有助于增強(qiáng)混凝土結(jié)構(gòu)的抗銹裂能力。討論了并排鋼筋的間距對(duì)銹脹應(yīng)力的影響。根據(jù)自然環(huán)境下保護(hù)層銹脹開(kāi)裂前的鋼筋銹蝕形態(tài),將銹蝕層簡(jiǎn)化為半橢圓狀的非均勻分布,從而建立了鋼筋非均勻銹蝕力學(xué)模型,并經(jīng)過(guò)求解得到了混凝土中銹脹應(yīng)力理論解。根據(jù)理論解可知最大周向應(yīng)力在鋼筋水平軸上,因此銹蝕層的發(fā)展會(huì)首先引起保護(hù)層內(nèi)部水平裂紋的產(chǎn)生。增加鋼筋直徑可有效減低銹脹應(yīng)力,提高結(jié)構(gòu)抗銹裂的能力。與均勻銹蝕理論解對(duì)比,均勻銹蝕要遠(yuǎn)小于非均勻銹蝕條件下的臨界銹蝕層厚度。采用擴(kuò)展有限元法(XFEM)和過(guò)盈裝配的方式,建立了混凝土保護(hù)層非均勻銹脹開(kāi)裂有限元模型。計(jì)算結(jié)果表明:首先在與鋼筋接觸的左右兩側(cè)10°~30°范圍內(nèi)形成包含數(shù)條微裂紋的裂紋帶,對(duì)稱(chēng)于鋼筋的中軸線(xiàn)背向發(fā)展,隨著銹蝕程度的加深,在裂紋帶形成一條斜向的主裂紋,從而導(dǎo)致保護(hù)層產(chǎn)生“楔形”破壞。通過(guò)對(duì)ABAQUS進(jìn)行二次開(kāi)發(fā),提取了銹脹裂紋長(zhǎng)度,得到裂紋長(zhǎng)度與鋼筋銹蝕率之間呈指數(shù)關(guān)系,并指出裂紋發(fā)展可分為三階段:萌生區(qū)、擴(kuò)展區(qū)和平緩區(qū),應(yīng)以裂紋進(jìn)入平緩區(qū)的鋼筋銹蝕率對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行評(píng)估,并給出了界限判據(jù)。與高速公路橋梁保護(hù)層剝落病害對(duì)比分析,驗(yàn)證了計(jì)算結(jié)果的精確性。依據(jù)XFEM的計(jì)算結(jié)果,綜合考慮保護(hù)層厚度、鋼筋直徑和混凝土強(qiáng)度的影響進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析,得到了保護(hù)層銹脹開(kāi)裂時(shí)間預(yù)測(cè)模型,并驗(yàn)證了模型的可靠性。考慮到保護(hù)層開(kāi)裂分析屬細(xì)觀層次范疇(10~(-4)~10~(-1)m),因此模型中將混凝土視為骨料、砂漿以及界面層的三相復(fù)合材料較均質(zhì)材料更為合理。本文提出了一種基于網(wǎng)格預(yù)先生成的二維和三維隨機(jī)凹凸型骨料的混凝土細(xì)觀建模方法。該方法利用已生成的網(wǎng)格狀態(tài)進(jìn)行骨料投放,有效解決了在細(xì)觀三相介質(zhì)中網(wǎng)格質(zhì)量問(wèn)題。采用隨機(jī)凹凸型骨料使骨料模型更加接近真實(shí)形態(tài),避免了該方法對(duì)骨料形貌描述不準(zhǔn)確。針對(duì)二維隨機(jī)凹凸型骨料,本文提出的骨料投放方法,可使二維骨料投放含量達(dá)到75%;針對(duì)三維隨機(jī)凹凸型骨料,本文提出一種四面體分割法來(lái)判斷空間三維骨料與節(jié)點(diǎn)的位置關(guān)系,三維骨料投放含量可達(dá)65%,上述方法均保證了投放的隨機(jī)性以及級(jí)配分布的合理性。最后采用混凝土損傷塑性(CDP)模型分析了保護(hù)層非均勻銹脹開(kāi)裂的細(xì)觀斷裂破壞過(guò)程。得到了細(xì)觀尺度下的混凝土裂紋萌生、擴(kuò)展過(guò)程及破壞形態(tài),數(shù)值結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果吻合良好。
【學(xué)位授予單位】：西南交通大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類(lèi)號(hào)】：TU375
【圖文】：

西南交通大學(xué)博士研究生學(xué)位論文國(guó)民經(jīng)濟(jì)投入—產(chǎn)出表的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，我國(guó)每年腐蝕總損失可達(dá)，約占國(guó)民生產(chǎn)總值 5%的�！�2020 年中國(guó)土木工程科學(xué)和技術(shù)發(fā)展研究報(bào)告》中，專(zhuān)門(mén)討論了海工久性問(wèn)題及對(duì)策。國(guó)內(nèi)外大量調(diào)查結(jié)果表明，海工混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性。多數(shù)碼頭在其使用期的前 10~20 年，就會(huì)出現(xiàn)明顯的表面損傷特征，銹跡、銹斑，嚴(yán)重的會(huì)出現(xiàn)銹脹開(kāi)裂，特別嚴(yán)重的則有大面積剝落現(xiàn)象有些結(jié)構(gòu)只使用了 5~10 年就出現(xiàn)上述現(xiàn)象。圖 1-1 展示了鋼筋銹蝕所導(dǎo)房屋建筑結(jié)構(gòu)保護(hù)層剝落現(xiàn)象和結(jié)構(gòu)失效破壞。

第18頁(yè) 西南交通大學(xué)博型，圖中的鋼筋僅表示孔洞位置。在圖 2-2 所示模型中，若將混凝土視移軸對(duì)稱(chēng)的平面應(yīng)變問(wèn)題。在距鋼筋頂端兩個(gè)半無(wú)限大板即可得到圖 2-2 中的力學(xué)模疊加就可以消除面力 q 對(duì)保護(hù)層中銹脹應(yīng)力分布。該模型幾何形狀以及邊界條件與實(shí)

西南交通大學(xué)博士研究生學(xué)位論文 第2理論解與有限元對(duì)比分析驗(yàn)證理論解答，本文采用 ABAQUS 對(duì)模型中的銹蝕情形進(jìn)行了仿真分析采用 200mm×400mm 的混凝土試件，混凝土強(qiáng)度等級(jí)為 C25，彈性模松比為 0.2，抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值 ft=1.27MPa；鋼筋直徑為 16；保護(hù)層厚度 25度 Δ=0.001mm；采用平面應(yīng)變單元 CPE8，在與鋼筋接觸的混凝土表面徑向位移表示鋼筋均勻銹脹對(duì)周?chē)炷恋淖饔�；約束條件為試件底端端）固定約束，有限元模型及網(wǎng)格劃分如圖 2-4 所示，圖 2-5 為混凝土保分布云圖。

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本文編號(hào)：2773820