力学的钢筋混凝土保护层锈胀开裂模型
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 。
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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
1.张伟平混凝土中钢筋锈胀过程的计算机仿真分析[期刊论文]-同济大学学报 2001(10)
2.罗福午建筑结构缺陷事故分析及防止 1994(02)
3.Dngher Finite element modeling of corrosion damage in concrete structure 1992
4.Bhargava K;Ghosh A K;Mori Y Modeling of dine to corrosion-indnced cover cracking in reinforced concrete structures 2004
5.吴相豪海洋环境中钢筋混凝土构件锈胀开裂时间的解析解[期刊论文]-上海海事大学学报 2006(03)
6.郑建军;周欣竹;LI Chun-qing钢筋混凝土结构锈蚀损伤的解析解[期刊论文]-水利学报 2004(12)
7.金伟良;赵羽习;鄢飞钢筋混凝土构件的均匀钢筋锈胀力的机理研究[期刊论文]-水利学报 2001(07)
8.Liu Y;Weyers R E Modeling the time-to-corrosion cracking in chloride contaminated reinforced cortcrete structures 1998(06)
9.Ba(z)ant Z P Physical model for steel corrosion in concrete sea structure-Theory 1979(06)
10.单国良;林宝玉;蔡跃波北仑港码头混凝土密实性对钢筋混凝土锈蚀破坏的影响 1996
11.王海龙;李庆斌饱和混凝土静动力抗压强度变化的细观力学机理[期刊论文]-水利学报 2006(08)
12.赵羽习;金伟良钢筋锈蚀导致混凝土构件保护层胀裂的全过程分析[期刊论文]-水利学报 2005(08)
13.Molina F J;Alomo C;Andrade C Cover cracking as afunction of bar corrosion:Part2-Numberical model 1993(163)
14.王海龙;李庆斌孔隙水对湿态混凝土抗压强度的影响[期刊论文]-工程力学 2006(10)
15.王显利;郑建军;吴智敏钢筋临界锈胀力预测的断裂模型[期刊论文]-水力发电 2007(02)
16.淡丹辉;王庆霖钢筋混凝土结构锈胀裂缝的计算机模拟[期刊论文]-西南交通大学学报 2000(05)
1.赵羽习.金伟良.ZHAO Yu-xi.JIN Wei-liang钢筋锈蚀导致混凝土构件保护层胀裂的全过程分析[期刊论文]-水利学报2005,36(8)
2.赵羽习.金伟良.ZHAO Yu-xi.JIN Wei-liang混凝土锈胀时刻钢筋锈蚀率的数值分析方法[期刊论文]-浙江大学学报（工学版）2008,42(6)
1.LU Chun-hua.JIN Wei-liang.LIU Rong-gui Probabilistic Lifetime Assessment of Marine Reinforced Concrete with Steel Corrosion and Cover Cracking[期刊论文]-中国海洋工程(英文版) 2011(2)
2.毕继红.张华.任洪鹏混凝土保护层锈胀裂缝扩展的仿真分析[期刊论文]-三峡大学学报（自然科学版） 2011(5)
3.郝海霞.张建仁.彭晖.张克波锈蚀变形钢筋混凝土受弯构件的受力性能试验研究[期刊论文]-公路交通科技2010(10)
4.陆春华.赵羽习.金伟良锈蚀钢筋混凝土保护层锈胀开裂时间的预测模型[期刊论文]-建筑结构学报 2010(2)
5.卢鹏程基于虚拟裂缝模型的钢筋混凝土最大锈胀力模型[期刊论文]-混凝土 2010(5)
6.施志业.郑建军.周欣竹混凝土保护层锈胀裂缝扩展规律试验研究[期刊论文]-甘肃水利水电技术 2010(3)本文链接：/Periodical_slxb200807015.aspx。