力学的钢筋混凝土保护层锈胀开裂模型
基于断裂力学的钢筋混凝土保护层锈胀开裂模型
作者：王海龙， 金伟良， 孙晓燕
作者单位：浙江大学,土木工程学院,浙江,杭州,310027
刊名：
水利学报
英文刊名：JOURNAL OF HYDRAULIC ENGINEERING
年，卷(期)：2008,39(7)
被引用次数：6次
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钢筋混凝土构件的裂缝和变形课件
耐久性的检测和维护
定期检测
对重要或关键的钢筋混凝土构件，应定期进行检测，检查其是否 有裂缝、变形或其他损伤。
及时维护
一旦发现裂缝或损伤，应及时进行修复和维护，防止问题扩大。
预防性维护
在日常维护中，应采取预防性措施，如定期涂刷保护涂料、对钢筋 进行防锈处理等，以延长构件的使用寿命。
05
案例分析
案例分析 实际工程中的裂缝案例
03
钢筋混凝土构件的变形
变形的原因
材料特性
钢筋和混凝土的特性差异导致在 受力过程中产生变形。混凝土的 抗压强度高但抗拉强度低，而钢 筋的抗拉强度高，因此在受力时
容易产生变形。
施工工艺
施工过程中的模板安装、混凝土 浇注和养护等工艺不当，可能导
致构件在施工阶段产生变形。
外部荷载
长期承受外部荷载，如恒载、活 载、风载和地震作用等，会使钢 筋混凝土构件产生持续的变形。
骨料
填充在混凝土中的砂石， 增加混凝土的强度和耐久 性。
钢筋混凝土构件的特点
强度高
由于钢筋和混凝土的协同作用，钢筋混凝土 构件具有较高的抗压和抗拉强度。
耐久性好
混凝土对钢筋的保护作用使其具有良好的耐 久性，能够承受长期的自然和人为因素影响。
施工方便
钢筋混凝土构件易于制作和安装，适合大规 模生产和施工。
钢筋混凝土构件的应用
建筑结构
水利工程
广泛应用于桥梁、房屋、高层建筑等 建筑结构中。
用于大坝、水库、水闸等水利工程的 建设。
基础设施
用于道路、隧道、地铁等基础设施的 建设。
02
钢筋混凝土构件的裂 缝
钢筋混凝土构件的裂缝 裂缝的类型
• 干缩裂缝：由于混凝土失水而产生的裂缝，多出现在 构件表面，形状不规则。- 温度裂缝：由于温差引起 的裂缝，多出现在大体积混凝土结构中，呈现垂直状。 - 沉缩裂缝：由于混凝土沉降不均产生的裂缝，多出 现在混凝土浇筑后1小时内。- 塑性收缩裂缝：在混 凝土凝结前，由于表面失水过快产生的裂缝，多出现 在结构表面。
基于断裂力学的钢筋混凝土保护层锈胀开裂探讨
基于断裂力学的钢筋混凝土保护层锈胀开裂探讨摘要：本文基于钢筋均匀锈蚀时混凝土的开裂实验现象建立了混凝土保护层开裂的计算模型，考虑了混凝土和钢筋的实际变形情况以及混凝土界面中的原始裂纹与缺陷，裂纹在钢筋锈蚀膨胀作用下的起裂、扩展情况，利用断裂力学和弹性力学得到了混凝土保护层开裂时钢筋膨胀力和均匀锈蚀率的理论预测模型。
分析了影响钢筋锈胀开裂的诸多因素，认为混凝土保护层厚度的增加、混凝土材料界面相的加强、混凝土断裂韧度的提高和钢筋直径的变小都有利于钢筋混凝土耐久性的提升。
关键词：混凝土保护层；钢筋锈蚀率；断裂力学；弹性力学；锈胀开裂中图分类号：tu37文献标识码：a文章编号：1 研究背景钢筋混凝土结构的耐久性失效最主要的表现形式为钢筋锈蚀引起的结构破坏。
在美国，因各种锈蚀造成的损失为700多亿美元，其中混凝土中钢筋锈蚀造成的损失约占40%。
钢筋锈蚀后其锈蚀产物的体积是原有体积的2-4倍，对钢筋周围的混凝土产生挤压，随着钢筋锈蚀程度的加剧，混凝土保护层受拉开裂。
保护层一旦开裂将会加速钢筋的锈蚀，进一步加剧裂缝的扩展导致结构破坏，严重影响混凝土结构的耐久性，因此研究钢筋锈蚀引起的混凝土保护层开裂具有重要的工程实际意义。
现有的模型多以混凝土抗拉强度作为保护层开裂判断条件，很少考虑混凝土保护层中存在的初始裂纹和初始缺陷。
实际上，受干缩、温度等因素的影响，在承受荷载之前混凝土内部，特别是骨料和水泥砂浆界面上就存在着初始裂纹。
对于混凝土的开裂，断裂力学是一种有效工具。
国内曾尝试利用无限介质中的孔边双裂纹模型来预测钢筋锈蚀的膨胀力,但其裂纹构型和混凝土基体无限介质假设与实际保护层尺寸和锈胀开裂试验现象之间还存有差别。
本文以均匀锈胀开裂试验现象为依据根据保护层有限体中的应力分布和最终裂缝状态利用断裂力学和弹性理论建立混凝土保护层锈胀开裂时刻的锈胀力和临界锈蚀率预测模型。
2 模型的建立2.1 混凝土锈胀开裂的断裂模型研究海洋环境下混凝土中钢筋锈蚀的物理模型时指出:当钢筋间距较大时,混凝土保护层沿顺钢筋方向胀裂；当保护层厚度较大时，混凝土保护层沿着平行于钢筋层面方向开裂。
钢筋锈蚀下RC梁受荷裂缝宽度时变模型研究
钢筋锈蚀下RC梁受荷裂缝宽度时变模型研究摘要：针对氯盐环境下混凝土桥梁中钢筋锈蚀引起构件刚度退化问题，结合钢筋锈蚀的时变效应，基于Monte-Carlo数值模拟方法，建立了RC梁受力裂缝宽度时变模型，并进行了正常使用极限状态下的可靠度计算。
研究表明：该模型能较好地对钢筋锈蚀影响下受荷裂缝宽度进行预测；钢筋锈蚀对受荷裂缝宽度控制下的正常使用极限状态影响显著；受荷裂缝在钢筋锈蚀初期扩展迅速，后期相对缓慢。
关键字：桥梁工程受荷裂缝时变模型钢筋锈蚀可靠度计算引言混凝土的抗拉强度低，极限拉伸应变很小，在不大的拉应力作用下就会出现裂缝[1]。
一般情况下，钢筋混凝土结构的正常开裂对极限承载力影响不大，但对结构的耐久性及其安全性影响较大，必须严格控制[2]。
首先，裂缝的存在会加速钢筋锈蚀；其次，过宽的裂缝会影响结构的美观，会引起人们心理恐慌；再次，对于要求不发生渗漏的贮液、气罐或压力管道，裂缝出现会直接影响使用功能，故此类结构必须严格控制裂缝出现。
钢筋混凝土构件开裂的影响因素众多，开裂机理复杂[2, 3]。
产生裂缝的主要原因有：混凝土水化热、干缩及塑性塌落、碱-骨料反应、外界温度变化、结构基础不均匀沉陷、钢筋锈蚀等。
钢筋锈蚀产物的体积膨胀使钢筋与混凝土界面产生锈胀力，导致保护层表观裂缝的形成以及扩展；此外，钢筋锈蚀引起钢筋截面积减少，混凝土梁的整体刚度减低，荷载作用下产生裂缝。
目前，大量的研究主要集中在钢筋锈胀裂缝，而对钢筋锈蚀影响下的荷载裂缝研究较少。
由于受到时间和空间等客观条件的限制、施工质量变异及试验误差的影响，钢筋混凝土构件钢筋锈蚀情况下的受荷开裂具有很大的不确定性[4, 5]。
为此，本文考虑钢筋锈蚀效应的影响及荷载的不确定性，采用Monte-Carlo数值模拟技术，分析钢筋锈蚀影响下受荷裂缝宽度开展的概率特征，为钢筋混凝土结构耐久性设计及检测维修决策提供依据。
1钢筋锈蚀影响下受荷裂缝开展过程钢筋混凝土梁在设计荷载作用下允许开裂，但对最大裂缝宽度必须进行限制。
钢筋混凝土结构开裂时刻的钢筋锈胀力模型
416
浙 江 大 学 学 报 ( 工学版) 2000 年
件在该组试件中的序号Λ 试验试件的尺寸为 100 mm ×100 mm ×400 mm Λ 1. 2 试验材料及力学性能 ( 1) 水泥: 采用浙江之江水泥厂普通硅酸盐水泥 425 号与 525 号, 各项指标均达到国家标准Λ
抗压
27. 2 27. 8 28. 7 27. 9
抗拉
2. 50 2. 57 2. 39 2. 48
抗压
33. 1 31. 7 33. 2 32. 7
抗拉
3. 32 3. 55 3. 42 3. 43
1. 3 试验设备 ( 1) 晶体管直流稳压电源Λ 它的额定电压为 30 V , 额定电流为 10 A , 共有三组输入输出, 可同
第 34 卷第 4 期 2000 年 7 月
Jou rna l of Zhejiang U n iversity (Engineering Science)
浙 江 大 学 学 报 ( 工学版)
Vol . 34 № . 4 J u ly 2000
文章编号: 10082973X ( 2000) 0420415208
裂缝宽度 mm
0. 17 0. 21 0. 23 0. 22 0. 18 0. 15 0. 20 0. 19
锈蚀前质量 g
146. 2 145. 1 145. 7 584. 6 582. 1 579. 3 913. 9 913. 7
锈蚀后质量 g
129. 2 133. 7 134. 6 563. 2 565. 5 546. 2 886. 9 893. 8
表 1 混凝土的配合比
T ab. 1 M ix tu re ra tio of concrete kg C 35 ( 525# ) 405 554 1 292 200
混凝土中钢筋不均匀锈胀的模拟试验研究
第38卷第6期2012年12月四川建筑科学研究Sichuan Building Science收稿日期：2011-06-21作者简介：郑靖靖（1986－），女，山西太原人，硕士研究生，研究方向：混凝土耐久性。
基金项目：国家自然科学基金青年基金项目（50808173）E －mail ：ldyldg@163．com混凝土中钢筋不均匀锈胀的模拟试验研究郑靖靖，耿欧，高飞剑，李德宝（中国矿业大学力学与建筑工程学院，江苏徐州221008）摘要：通过钢筋开槽并施加油压的方式模拟混凝土中钢筋不均匀锈胀效应，得到了混凝土表面产生顺筋裂缝时所对应的油压值（近似锈胀力）及沿试件长度的裂缝宽度分布规律，为今后进一步研究和探寻混凝土中非均匀锈胀力分布及锈胀裂缝宽度发展规律提供了基础。
关键词：混凝土；钢筋锈蚀；不均匀锈胀力；顺筋裂缝中图分类号：TU375文献标识码：A文章编号：1008－1933（2012）06－093－03Simulation experiment of uneven expansion of corroded reinforcement in concreteZHENG Jingjing ，GENG Ou ，GAO Feijian ，LI Debao（School of Mechanics and Civil Engineering ，China University of Mining and Technology ，Xuzhou 221008，China ）Abstract ：This paper simulates the steel bar's uneven corroded expansive effect in concrete ，through the way of steel slotting and hydraulic fracturing ，obtaining the hydraulic value （similar as the corroded expansive force ）when steel cracks occurring on the concrete surface and distribution law of crack width along the length of the specimen．This may offers a foundation to further researching and exploring the uneven corroded expansive force's distribution and the corroded expansive crack width's development law on concrete．Key words ：concrete ；steel corrosion ；non-uniform expansion force ；longitudinal cracks0引言混凝土内钢筋锈胀引起的混凝土保护层开裂是造成钢筋混凝土结构耐久性失效的最主要原因之一［1-4］，使混凝土保护层出现顺筋裂缝的钢筋锈胀力大小的确定是钢筋混凝土结构耐久性研究中的重点问题之一［5］。
钢筋锈蚀引起混凝土结构锈裂综述
收稿日期： ２ ０ １ ３ ０ ５ １ ２ ． 作者简介：赵羽习（ １ ９ ７ ３ —） ， 女， 博士， 教授， 博士生导师， ｙ ｘ ｚ ｈ ａ ｏ ＠ｚ ｊ ｕ ． ｅ ｄ ｕ ． ｃ ｎ ． 基金项目：教育部新世纪优秀人才支持计划资助项目（ Ｎ Ｃ Ｅ Ｔ １ ２ ０ ４ ９ ３ ）、 国家自然科学基金资助项目（ ５ １ ２ ７ ８ ４ ６ ０ ） ． 引文格式：赵羽习． 钢筋锈蚀引起混凝土结构锈裂综述［ Ｊ ］ ． 东南大学学报： 自然科学版， ２ ０ １ ３ ， ４ ３ （ ５ ） ： １ １ ２ ２ １ １ ３ ４ ．［ ｄ ｏ ｉ ： １ ０ ． ３ ９ ６ ９ ／ ｊ ． ｉ ｓ ｓ ｎ ． １ ０ ０ １－ ０ ５ ０ ５ ． ２ ０ １ ３ ． ０ ５ ． ０ ３ ５ ］
ｄ ｏ ｉ ： １ ０ ． ３ ９ ６ ９ ／ ｊ ． ｉ ｓ ｓ ｎ ． １ ０ ０ １－ ０ ５ ０ ５ ． ２ ０ １ ３ ． ０ ５ ． ０ ３ ５
钢筋锈蚀引起程研究所， 杭州 ３ １ ０ ０ ０ ０ ）
摘要：对钢筋锈蚀引发混凝土锈胀开裂的研究进行了综述， 从试验分析、 理论模型和数值模拟 ３ 个方面总结了相关研究的成果． 采用试验观测混凝土锈裂过程是直观研究手段， 但是仅根据有限 试验数据拟合得到的经验公式的普遍适用性还存在问题． 混凝土锈胀开裂力学模型可以较好地 描述理想圆柱体钢筋混凝土试件在均匀钢筋锈胀力作用下的锈裂行为， 但对于钢筋非均匀锈蚀、 受荷载作用的情况， 还尚未建立完善的理论预测模型． 将获取的钢筋锈蚀非均匀分布的实际情 况， 作为有限元分析的位移荷载输入， 可对非均匀锈蚀混凝土构件锈裂过程进行模拟． 钢筋 ／ 混凝 土界面铁锈填充区的定量研究、 钢筋非均匀锈层分布模型、 荷载与钢筋锈蚀对锈裂的共同作用情 况以及箍筋对混凝土锈裂过程的影响等方面内容需要进一步研究． 关键词：钢筋锈蚀； 混凝土结构； 开裂 中图分类号：Ｔ Ｕ ３ ７ ５ 文献标志码：Ａ 文章编号： １ ０ ０ １－ ０ ５ ０ ５ （ ２ ０ １ ３ ） ０ ５ １ １ ２ ２ １ ３
混凝土保护层胀裂时刻钢筋锈蚀深度的理论模型_张英姿
因钢筋锈蚀引起的混凝土保护层开裂通常被 着钢筋混凝土结构的服役年限。研究表明，钢筋锈
认为是钢筋混凝土构件达到正常使用极限状态的 蚀以及钢筋与混凝土粘结强度的降低是钢筋混凝
标志之一。故在评估钢筋混凝土结构安全性时，钢 土结构提前破坏的主要原因。
筋锈蚀引起的钢筋和混凝土之间粘结性能降低甚
Rc2 r2
⎞ ⎟ ⎠
(9)
位移为：
ue
=
(1 +ν c )Ri2 pi Eef (Rc2 − Ri2 )
⎡ ⎢ ⎣
Rc2 r
+ (1−
⎤ 2ν c )r ⎥
⎦
(10)
式中：ν c 为混凝土的泊松比； Eef 为混凝土的有效
模量，Eef = Ec /(1 + φ) ，这里 Ec 为混凝土的弹性模
∗范颖芳(1972―)，女，河南开封人，教授，博士，博导，从事混凝土结构耐久性研究、安全性评价和维修加固工作 (E-mail: fanyf72@)； 赵颖华(1954―)，女，辽宁沈阳人，教授，博士，博导，主要从事材料宏、细观损伤力学、桥梁结构设计理论等研究
(E-mail: yhzhao@).
ux = R r −R d
(5)
将式(3)、式(4)代入式(5)，可得钢筋锈蚀产物引起
混凝土的径向位移：
ux
=
(n
−1)(2R 0 x − x2 ) − d (2R 0 +d ) Ri +R 0+d
(6)
124
工程力学
1.2 受锈胀力作用的混凝土变形模型 将含有锈蚀钢筋的混凝土假设为厚壁圆柱体，
当混凝土圆柱体无裂缝时，将混凝土视为各项同性 弹性材料，符合弹性力学理论；而当含有部分裂缝
混凝土中钢筋不均匀锈胀的数值模拟及锈蚀产物量的预测_夏宁
015 、017 时钢筋的锈蚀轮廓线 (图 2) 。图 2 清晰地展示了钢筋表面发生不
均匀锈蚀时 ,锈蚀范围逐步扩大到整个钢筋表面的过程 ,且 a 越大 ,钢筋 表面的锈层厚度越厚 。
图 1 钢筋不均匀锈蚀的 动态轮廓线模型
图 2 钢筋表面锈蚀轮廓线
2 混凝土中钢筋不均匀锈胀的数值模拟
锈蚀产物的体积膨胀使钢筋周围的混凝土产生相应的变形 。假设锈蚀产物仅沿钢筋断面的径向发
层厚度系数 ,得到了不同锈蚀程度的钢筋作用于孔洞周围混凝土的锈胀位移 ,用有限元软件 ANSYS810 模拟了锈胀
过程 ,得到了锈胀裂缝扩展到混凝土表面时的临界锈层厚度系数 , 在此基础上推导了胀裂时锈蚀产物量的预测公
式 。通过试验数据对本文提出的方法进行了验证 ,结果表明锈胀开裂的数值模拟和胀裂时锈蚀产物量的预测结果
的钢筋表面与周围混凝土的黏结良好 ,不发生相对位移 ,节点处作固支处理 ,由此来模拟钢筋表面的锈
蚀产物对周边混凝土的作用 。离散化的数值模型采用 ANSYS810 中具有开裂功能的 SOLID65 单元 。为
便于分析 ,不考虑钢筋变形 、锈蚀产物的体积压缩 、荷载作用及其它环境作用的影响 。
由小到大变化锈层厚度系数 a 的取值 ,得到若干组逐渐增大的锈胀位移 ,分别如上所述施加在数
由表 3 、图 3 的算例分析结果可以得出以下结论 : (1) 由
图 3 可见 ,当锈蚀产物量达到临界值时 ,钢筋顶部裂缝扩展 到其正上方的混凝土表面 ,形成了沿钢筋的通长裂缝 ,这与
图 3 试件 OA285916 混凝土保护层 胀裂时的裂纹扩展
文献 [ 4 ] 试验中观察到的现象相吻合 ,说明本文提出的基于
— 71 —
值模型上 ,观察在每组位移作用下混凝土保护层内裂缝的开展程度和规律 。当保护层内的裂缝由钢筋 周边扩展到混凝土表面 ,说明此时混凝土表面已出现了可见裂缝 ,此时的 a 值即为导致保护层胀裂的 临界锈层厚度系数 acrit 。
钢筋锈胀作用下混凝土的抗压强度退化模型
引言混凝土的抗压强度是混凝土的主要特性之一，除去原材料等因素，混凝土内钢筋锈蚀也会对抗压强度产生影响[1]。
目前国内地铁均采用直流牵引供电系统，会有部分以直流电为主的电流由走行轨处泄露，这类电流方向杂乱，被称为杂散电流[2]。
处于杂散电流环境下的钢筋会发生电化学腐蚀，在混凝土内产生钢筋-混凝土界面锈胀应力，随着锈胀应力的增长，混凝土保护层受拉开裂[3]。
当前对于杂散电流加速钢筋锈蚀的研究主要集中在混凝土开裂时的临界锈胀应力与开裂时间[4]，也有学者在混凝土内安置钢筋并外接直流电流，进行混凝土中钢筋受杂散电流腐蚀对其强度影响的试验研究[5-6]，但试验得到的抗压强度是钢筋与混凝土的整体强度，同时缺少相应的理论研究。
基于以上背景，本文从理论角度分析杂散电流腐蚀钢筋对混凝土抗压强度的影响，利用Faraday电解定律、弹性力学厚壁筒应力理论以及混凝土二轴强度破坏准则，建立了杂散电流加速钢筋锈蚀条件下的混凝土抗压强度预测公式。
1、混凝土内钢筋锈胀力的产生钢筋在杂散电流作用下的腐蚀本质上是电化学腐蚀，活性状态的铁转化为铁离子，继而形成腐蚀产物[7]。
锈蚀量与电流强度和通电时间的关系见式（1）。
表 1 不同锈蚀产物的μ取值2、混凝土内锈胀力的大小假定钢筋锈蚀为均匀锈蚀过程，利用损伤力学和弹性力学理论，将混凝土保护层简化为仅内部受压、外边界给定位移约束的厚壁圆筒，圆筒厚度等于混凝土保护层厚度，分析模型如图1所示[13]。
图1中，δc为混凝土与铁锈交界面处的径向位移，δr为铁锈在界面处的径向位移，钢筋锈蚀自由膨胀后原始直径为d1，dρ为钢筋未锈蚀直径。
图 1 钢筋锈蚀时钢筋与混凝土的协调变形计算图3、杂散电流环境下钢筋锈胀混凝土抗压强度退化模型3.1 钢筋锈胀混凝土应力分析将混凝土保护层简化为受到内压力作用的管壁[16]，如图2所示，在锈胀力的作用下，环形管壁截面上产生拉应力σφ，管壁径向产生压应力σρ，并且混凝土与铁锈交接面处σφ、σρ最大。
17-项贻强——钢筋混凝土梁开裂面的力学性能和数值模拟
水利学报年月SHUILI XUEBAO 第卷第期文章编号：钢筋混凝土梁开裂面的力学性能和数值模拟唐国斌1、2 项贻强1(1.浙江大学土木工程系，浙江杭州 310058； 2. 河南省交通科学技术研究院有限公司，河南郑州，450006）摘 要：基于混凝土材料细观层次的研究，对钢筋混凝土梁的开裂面的力学性能进行分析和数值模拟。
通过引入开裂面法向和切向的应力—应变关系假定，模拟裂缝出现后开裂面由于骨料咬合和微裂缝嵌入的互制作用；通过采用弹性地基梁理论，分析钢筋销栓作用对开裂面应力传递的影响；在此基础上，基于开裂区应变分解思想，采用等效连续模型将开裂面和裂缝间混凝土统一，将裂缝的影响隐含在等效的本构模型及相关参数中，并给出了开裂单元的屈服准则、加卸载准则及增量型有限元中本构矩阵的数值计算方法。
与典型结构的试验结果比较验证本文数值模型的合理性和有效性。
关键词：钢筋混凝土；开裂；非线性；骨料咬合；销栓作用中图分类号：U448.35文献标识码：A1 引言带裂缝工作是钢筋混凝土结构受力的一个重要特征，裂缝的出现是混凝土具有非均质性及各向异性的一个重要因素。
传统的混凝土有限元分析中，常用的裂缝模型包括分离裂缝模型或弥散裂缝模型。
分离裂缝模型将裂缝的两侧按分离的几何边界进行处理，裂缝的力学行为和状态由缝面边界条件表征。
Ngo和Scordelis最早将该模型用于混凝土开裂的非线性分析[1]。
弥散裂缝模型以分布的裂缝来替代单独的裂缝，认为裂缝是均匀分布于整个单元内部的，是微小的，彼此平行、连续的。
该模型保持了结构位移场连续的假定，使得有限元数值方法中只需引入材料开裂本构模型，即可模拟脆性材料的开裂过程。
混凝土裂缝的研究中，非线性断裂力学发挥了关键作用[2]，作为分离裂缝模型的发展，Hillerborg等提出了虚拟裂缝模型，通过引入断裂过程区裂缝扩展的缝面软化模型，模拟混凝土中开裂过程[3]。
Bažant和Oh提出的钝裂缝带模型则进一步发展了弥散裂缝模型，通过引入裂缝带的概念，将断裂能弥散于裂缝带宽度范围内，并将断裂能作为混凝土材料的一个基本力学参数，通过调整应力—应变软化曲线以适应不同的离散网格[4]。