腐蚀钢筋混凝土墩柱构件力学性能退化的计算和模拟分析

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滨海环境下钢筋混凝土(RC)结构极易遭受氯离子侵蚀,其耐久性问题备受关注。钢筋腐蚀是滨海环境下RC结构力学性能退化的主要原因,明显缩短了结构的使用寿命。严重腐蚀RC构件的力学性能退化尤为显著,一定程度上降低了结构的使用安全性。滨海环境下,氯离子被称为钢筋腐蚀杀手。大量氯离子透过混凝土侵入到钢筋表面,破坏钢筋钝化膜,从而加速钢筋腐蚀。钢筋腐蚀将会引起:钢筋截面面积减小以及力学性能退化、混凝土保护层开裂、箍筋约束混凝土力学性能退化、钢筋与混凝土之间的粘结性能退化等,进而降低了混凝土结构的承载性能,因此研究钢筋腐蚀对混凝土结构力学性能退化的危害很有必要。本文分别进行了腐蚀箍筋约束混凝土的力学性能退化理论研究以及局部腐蚀RC墩柱力学性能退化的有限元分析,并与已有的试验结果进行对比分析。约束混凝土的力学性能研究尤为重要,是RC结构理论分析研究的基础。对于滨海环境下的RC结构,钢筋通常会发生腐蚀,箍筋的腐蚀将导致约束混凝土力学性能的退化。尤其对于地震频发区域的腐蚀RC构件,约束混凝土力学性能的退化将会明显降低RC结构的抗震性能。本文首先进行了腐蚀箍筋约束混凝土应力-应变关系模型的研究,在Mander模型的基础上考虑了箍筋腐蚀的影响,分别给出了约束混凝土在不同箍筋腐蚀水平和混凝土强度耦合作用下的抗压强度以及最大应力对应应变等重要参数的理论计算公式,提出了腐蚀箍筋约束混凝土的应力-应变关系模型,为腐蚀RC结构的理论分析研究提供了基础,最终进一步给出了腐蚀箍筋约束混凝土短柱极限承载力的理论计算公式。计算结果与试验结果的对比分析表明本文提出的计算模型可以用来评估腐蚀箍筋约束混凝土的力学性能退化。随着计算机水平的提高以及RC结构研究的深入,ABAQUS有限元分析软件逐渐成为了研究RC结构性能的有效工具,并被多数学者广泛认同和运用。本文首先在试验的基础上运用ABAQUS软件对局部腐蚀RC墩柱构件进行了非线性有限元分析。在此模型中考虑了钢筋和保护层混凝土材料的腐蚀损伤以及粘结退化,通过引入四节点粘结滑移单元来模拟腐蚀钢筋与混凝土之间的粘结滑移。同时分别对局部腐蚀RC墩柱模型进行轴心受压加载以及低周往复循环加载两种工况下的模拟,并与试验结果进行对比分析,有限元分析结果与试验结果具有较好的一致性,表明使用ABAQUS有限元软件以及模型相关参数的设置、材料关系的选取、腐蚀损伤的考虑等可以很好的模拟局部腐蚀RC墩柱力学性能的退化。
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