The Finite Element Analysis for Flexural Capacity of Corroded RC Concrete Beams Based on ANSYS Program
Wang Tong；Dou Lijun； Wei Jiaming
（①College of Construction Engineering，Jilin University，Changchun 130026，China；
②School of Civil Engineering，Changchun Institute of Technology，Changchun 130022，China）
摘要：文章通过运用有限元软件ANSYS对锈蚀钢筋混凝土梁进行非线性分析，详细探讨了锈蚀混凝土和钢筋的本构模型、单元特性，并基于锈蚀钢筋与混凝土特殊粘结滑移理论，考虑锈蚀钢筋与混凝土之间的粘结作用。运用ANSYS进行锈蚀钢筋混凝土梁建模，进行有限元非线性分析。
Abstract: Through the nonlinear finite element analysis software ANSYS, corroded reinforced concrete beams are analyzed. The constitutive model of concrete and reinforced, as well as the properties of their elements is discussed in detail. The model of bond stress-slip relationship between steel bar and concrete which based on special bond stress-slip relationship theory is established. Beams, which is analyzed through the nonlinear finite element modeled with corroded reinforced concrete by ANSYS.
关键词：钢筋混凝土梁 ANSYS 粘结滑移 Combin39 受弯承载力
Key words: RC beam；ANSYS；bond stress-slip relationship；Combin39；flexural capaci
中图分类号：TU37文献标识码：A文章编号：1006-4311（2011）２6-0075-02
0引言
钢筋混凝土结构是世界上应用最为普遍、范围最广的结构形式。而耐久性对钢筋混凝土结构影响甚大，然而，钢筋混凝土结构设计当中，对其考虑甚少，造成很多钢筋混凝土结构由于钢筋锈蚀而产生破坏。本文对三根不同锈蚀率的钢筋混凝土梁进行ANSYS有限元分析，得到的锈蚀钢筋混凝土梁的荷载-跨中挠度曲线，并对锈蚀钢筋混凝土简支梁的刚度变化规律、破坏特征、裂缝发展规律进行研究，并与锈蚀钢筋混凝土梁抗弯承载力计算值进行对比。
1材料的非线性本构关模型
1.1 混凝土本构模型钢筋混凝土结构的有限元分析的难点在于本构模型的建立。对于锈蚀的钢筋混凝土本构模型的描述也无定论。虽然，钢筋混凝土的锈蚀对混凝土本身的特性无特殊影响，可是其中部分锈蚀产物填充到混凝土内部孔隙里以及混凝土碳化、受酸盐腐蚀作用，在一定程度上影响了混凝土的力学性能。为使计算简化，多数学者在计算中假定混凝土各向同性近似认为腐蚀前后混凝土弹性模量基本保持不变。
1.2 锈蚀钢筋本构模型锈蚀钢筋名义应力-应变关系与钢筋锈蚀率有关，但不同试验所得有所不同。
当0
当?浊?叟5%时，f■=（0.962-0.848?浊）f■，?着■=（1.088-3.573?浊）?着■（2）
式中：?浊为钢筋平均截面锈蚀率；f■、?着■为锈蚀钢筋名义屈服强度和极限强度；f■、?着■为未锈蚀钢筋屈服强度和极限应变；dc为锈蚀钢筋的剩余直径mm；d为未锈蚀钢筋的直径，mm。
1.3 锈蚀钢筋与混凝土间粘结滑移本构模型锈蚀钢筋混凝土梁受力性能的有限元模拟，较为普遍的方法则是利用未锈蚀钢筋与混凝土的粘结滑移关系乘以粘结锈蚀退化系数，最后得到锈蚀后的粘结滑移关系。本文也采用此法。
典型的粘结滑移曲线包括五段，分别为：①微滑移段；②滑移段；③劈裂段；④下降段；⑤参与段。
锈蚀后钢筋与混凝土之间的粘结强度降低系数?茁[5]为：
当?浊?燮0.07时，?茁=1+56.28?浊-3375?浊2+55625?浊3-3×105?浊4（3）
当?浊>0.07时，?茁=0.017538?茁-1.0369（4）
锈后钢筋与混凝土之间的局部粘结强度?子为
?子=?茁·?子0（5）
式中：?子0为未锈钢筋与混凝土之间的粘结强度。
2锈蚀钢筋混凝土的破坏准则
混凝土的破坏准则采用Willan-Warnker的五参数模型，其表达式为：f/fc-S?叟0（6）
式中，f是主应力的函数，S表示失效面。
在ANSYS中 ，混凝土采用的是 Willam-Warnke 五参数破坏曲面，需要输入五个参数来确定混凝土的失效面，即：混凝土单轴抗拉强度ft，单轴、双轴抗压强度fc与fcb，围压压力?滓ah，在围压作用下的双轴、单轴抗压强度f1与f2，当围压较小时，失效面也可以仅仅通过两个参数ft和fc来确定，其他的三个参数采用Willam-Warnke强度模型默认值：fcb=1.2fc、f1=1.45fc、f2=1.725fc。本文中，裂缝张开剪应力传递系数与裂缝闭合剪应力传递系数分别取为0.6和1，抗拉强度为2.97，拉应力折减系数为-1。
3模型的选取、建立及求解
3.1 ANSYS中单元选择锈蚀混凝土梁采用Solid65单元来模拟。纵向受拉钢筋、箍筋及水平分布筋均采用LINK8单元模拟。为了模拟锈蚀钢筋与混凝土之间的粘结关系，采用了Combin39单元。Combin39单元是一个具有非线性功能的弹簧单元，可对此单元输入广义的力-变形曲线以定义它的非线性行为。钢筋和混凝土的接触面之间的相对移动有法向、纵向切向和横向切向三个方向，为全面考虑钢筋混凝土连接面上的相互作用，在钢筋和混凝土连接面上在每一对对应节点之间均分别建立三个非线性弹簧单元来模拟钢筋与混凝土之间三个方向的相互作用。
3.2 有限元模型建立ANSYS中，钢筋混凝土结构的有限元模型主要有分离式、组合式和整体式3种形式。考虑到锈蚀钢筋混凝土中，钢筋与混凝土中之间粘结滑移的粘结问题，本文中采用钢筋与混凝土分离式建模，在钢筋和混凝土之间插入界面单元，用来模拟钢筋与混凝土之间的粘结与滑移。用combin39单元时，每个纵筋节点处设置3个长度为零、具有不同刚度、互相垂直的非线性弹簧，垂直于钢筋的弹簧刚度取一个大数，即不考虑在垂直方向的滑移；平行于钢筋的弹簧刚度是根据锈蚀钢筋与混凝土的局部粘结滑移关系，再考虑钢筋单元的表面积来确定。网格密度、子步数、收敛准则、收敛精度等一些影响因素。本文分析类型为静定结构分析，采用Newton-Raphson方法，荷载子步为100步，并且为了加速求解速度及收敛速度，进行线性搜索和预测选项，收敛准则选用残余力的二范数来进行控制收敛，收敛容差值为0.05，进行计算，结果收敛。
4实验与分析
4.1 实验模型搜集文献[6]，得到3根不同锈蚀率的钢筋混凝土梁，编号分别为X20，X40，X60。试验采用三分点加载方式，分级加荷，直至梁破坏为止，主要测定开裂荷载、极限荷载、跨中挠度等。
4.2 结果分析
4.2.1 ANSYS模拟荷载-挠度关系曲线对比分析图2分别为X20、X40、X60试验与本文ANSYS有限元计算的荷载-挠度关系对照图。从图2中，可以发现在开裂荷载之前，亦即弹性范围阶段，试验与模拟很接近；开裂后，荷载增大X20的荷载-挠度曲线符合良好，而X40、X60的模拟级试验荷载-挠度曲线有差距。本文认为：开裂之前，锈蚀钢筋混凝土梁与普通混凝土梁相差不多，此时，钢筋与混凝土的之间的粘结力仍未达到极限值；开裂之后，X20荷载-挠度曲线符合良好，是因为其锈蚀程度较小，钢筋与混凝土的粘结强度仍然较高，随着荷载增大，与试验值比较接近。X40、X60两根梁由于锈蚀率不断增大，钢筋与混凝土之间的粘结强度在不断降低，导致开裂后，荷载-挠度曲线有明显的转折，试验的挠度增长增快。
图2中试验曲线比模拟曲线值变形能力大，其原因是受压混凝土在破坏后，仍继续承受荷载，是得其充分发展，导致试验梁的变形能力大。
4.2.2 ANSYS模拟裂缝开展形态对比分析X20梁当荷载加开裂荷载时，跨中底边出现第一条裂缝，当荷载加至16KN时，加载点和跨中出现许多微小裂缝，当荷载加至极限荷载时，由于钢筋屈服混凝土压碎而发生塑性破坏，破坏形态如图所示。X20梁当荷载加载至9KN时，跨中出现第一条微小裂缝，当荷载加载至15KN时加载点附近出现大量的斜裂缝，当荷载加载至24KN时，试件由于钢筋屈服发生脆性破坏，破坏形态如图所示。X60梁当荷载加载到6KN时，在跨中出现第一条裂缝，当荷载加至19KN时，试件由于钢筋屈服而发生脆性破坏，破坏形态如图。ANSYS有限元模拟，当达到开裂荷载后，在梁中底部出现微笑裂缝，随着荷载增大，出现大量斜裂缝，达到破坏荷载后，裂缝增大，混凝土压碎，钢筋屈服。
4.2.3 ANSYS计算结果与试验结果对比分析表1 为试验及ANSYS模拟梁开裂荷载级极限荷载的对比。从表1中，发现不同锈蚀钢筋混凝土梁的试验值与ANSYS计算的开裂荷载值极为相近，这也符合前面的描述；对于极限荷载，X20、X40、X60的ANSYS计算值比试验值分别大13%、23%、49%，可见，随着锈蚀率的增大，按对未锈蚀钢筋与混凝土的粘结滑移关系乘以粘结锈蚀退化系数，得到锈蚀后的粘结滑移关系，虽然在有限元计算与试验值在误差允许范围，但是随着锈蚀率的增大，计算值效果越来越差。
从表1中，发现随着锈蚀率的增大，极限荷载是不断再减小的，可见锈蚀率的不断增大对钢筋混凝土梁的破坏是有着很大的影响，试验值的极限荷载下降幅度比有限元计算值要大。
5结论
在锈蚀率较小的情况时，锈蚀钢筋混凝土与钢筋的粘结模拟按照以往对未锈蚀钢筋与混凝土的粘结滑移关系乘以粘结锈蚀退化系数，再得到锈蚀后的粘结滑移本构关系，并利用ANSYS有限元软件中的Combin39单元描述这种本构关系，最终进行的模拟结果较为理想。另外，本文发现随着锈蚀率增高，这种模拟方式出现模拟结果与试验结果不断增大，但由于试验数据较少，对此结论的证明不足，今后，将对此现象进行不断研究和完善。
参考文献：
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