河海大學:俞小彤博士與瑞典研究團隊合作提出自然腐蝕條件下混凝土梁內(nèi)鋼筋粘結(jié)-滑移關系的反演分析方法
鋼筋銹蝕是鋼筋混凝土(Reinforced Concrete, RC)結(jié)構(gòu)最主要的劣化因素,銹蝕不但減小鋼筋截面積,而且生成膨脹性銹蝕產(chǎn)物導致混凝土保護層脹裂,改變鋼筋混凝土粘結(jié)性能。良好的粘結(jié)是鋼筋混凝土協(xié)同工作的基礎,因此明晰銹蝕鋼筋混凝土的粘結(jié)-滑移關系對腐蝕RC構(gòu)件/結(jié)構(gòu)性能評估至關重要。近日,港航院俞小彤博士與瑞典查爾姆斯理工大學(Chalmers University of Technology)Karin Lundgren教授團隊共同開展自然腐蝕條件下RC梁內(nèi)鋼筋粘結(jié)-滑移關系的研究,并取得突破性進展。
以往,學者們大多對鋼筋進行加速銹蝕,隨后開展拉拔試驗,分析不同銹蝕程度的鋼筋與混凝土的粘結(jié)-滑移關系。然而實驗室加速銹蝕的研究結(jié)果能否預測自然腐蝕條件下鋼筋混凝土粘結(jié)特性尚存爭議。在RC構(gòu)件/結(jié)構(gòu)承載過程中,鋼筋屈服后由于泊松效應會發(fā)生環(huán)向頸縮,大大降低粘結(jié)力,該現(xiàn)象難以在常規(guī)的拉拔試驗中反映。盡管腐蝕RC梁、柱等構(gòu)件承載性能演化有大量研究,但由于缺乏精細的測量手段,未能深入認識構(gòu)件內(nèi)部鋼筋的行為發(fā)展,缺少鋼筋粘結(jié)-滑移關系的反演分析方法。
俞小彤博士與Karin Lundgren教授團隊依托瑞典一座服役80年的RC橋梁(Gullsp?ng Bridge),現(xiàn)場選取橋梁的邊梁進行三點彎曲等試驗,分析荷載-撓度曲線、鋼筋銹蝕與屈服形態(tài)。研究發(fā)現(xiàn)自然腐蝕RC梁極限撓度由端部粘結(jié)性能決定,鋼筋屈服具有不對稱性(圖1),并提出了不對稱因子(a=Δl/0.5l)量化不對稱程度。
圖1.不對稱的鋼筋屈服
采用DIANA有限元軟件對試驗梁的受彎過程進行非線性分析,為了反映屈服對粘結(jié)的影響,創(chuàng)新性地賦予鋼筋屈服段與未屈服段2類粘結(jié)-滑移本構(gòu)形式(圖2),準確地再現(xiàn)了試驗梁的抗彎承載特性,包括荷載-撓度曲線、開裂模式與寬度、鋼筋屈服位置與長度(圖3)。在此基礎上,作者對9個粘結(jié)-滑移參數(shù)的敏感性及在反演過程中的確定方法進行研究,提出了RC梁內(nèi)鋼筋粘結(jié)-滑移關系的反演方法。
圖2.RC梁內(nèi)鋼筋粘結(jié)—滑移本構(gòu)形式
(1)荷載—撓度曲線對比
(2)試驗梁與模擬梁開裂模式與寬度對比
圖3. 模擬梁準確再現(xiàn)試驗梁彎曲特性
為探明腐蝕梁表觀損傷程度,鋼筋銹蝕程度、澆筑位置對自然腐蝕鋼筋粘結(jié)性能的影響,根據(jù)提出的反演分析方法,確定9根試驗梁中共18根受拉鋼筋的粘結(jié)-滑移關系并分析(圖4)。對于鋼筋未屈服部位,粘結(jié)強度越高,相應的殘余粘結(jié)強度也越高,但滑移平臺長度減小。保護層混凝土剝落損傷會降低殘余粘結(jié)強度,而開裂損傷幾乎無影響。最有趣的發(fā)現(xiàn)是,不對稱的鋼筋屈服會導致一端的粘結(jié)長度顯著減小,決定了RC梁極限承載能力。為節(jié)約計算時間,許多研究基于對稱性假定僅模擬半梁,但這會高估粘結(jié)長度,導致粘結(jié)失效破壞提前發(fā)生,因此不對稱的鋼筋屈服在RC結(jié)構(gòu)承載分析中需要更多關注。
圖4. 混凝土梁內(nèi)鋼筋粘結(jié)-滑移關系
(虛線為試驗加載中鋼筋未屈服,數(shù)字為實測的鋼筋銹蝕率)
研究工作由中國中央高?;究蒲袠I(yè)務費項目、瑞典科學研究委員會、瑞典交通部等提供經(jīng)費支持。相關成果以“Numerical assessment of bond-slip relationships for naturally corroded plain reinforcement bars in concrete beams”為題于7月15日發(fā)表于《Engineering Structures》。論文第一單位是河海大學港口海岸與近海工程學院。第一作者是俞小彤博士,其所在的近海工程鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)腐蝕防護與修復技術(shù)團隊是江蘇省“六大人才高峰”創(chuàng)新人才團隊,長期致力于海洋環(huán)境腐蝕機制、鋼筋混凝土材料/構(gòu)件性能劣化、結(jié)構(gòu)高效修復技術(shù)等研究。
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