钢绞线锈蚀导致混凝土开裂及锈蚀产物分布研究

为研究钢绞线锈蚀导致的混凝土开裂问题,通过快速锈蚀试验,研究了锈胀裂缝在混凝土内部和表面的开展情况以及锈蚀产物在钢绞线-混凝土界面和开裂混凝土内的分布形态,并从细观层面分析了骨料对裂缝发展的影响。研究结果表明,锈胀裂缝在混凝土内的发展过程与骨料分布有关,混凝土表面裂缝大多由与骨料相接的内部裂缝发展而来,箍筋可以有效地限制裂缝的发展;钢绞线的捻制形状使其与锈蚀液的接触面增大而导致锈蚀加快;锈蚀产物在混凝土内部不同位置的组成成分和颜色也有所不同,钢绞线-混凝土界面处锈蚀产物的颜色比开裂混凝土区的颜色更深。     

钢筋混凝土保护层锈裂行为的细观有限元模拟

为了研究混凝土材料非均匀特性对保护层锈裂行为的影响,基于蒙特卡罗方法建立了随机骨料模型,采用Matlab软件编写了骨料生成和投放代码,并考虑了界面层的影响.通过改变锈蚀层厚度,对钢筋锈胀引发的混凝土保护层开裂行为进行了细观有限元模拟.结果表明,混凝土内钢筋锈蚀产物膨胀具有非均匀性,砂浆与骨料的界面是钢筋混凝土保护层锈胀过程中的最薄弱环节.当锈蚀层的最大厚度为1.24μm时,界面开始产生裂缝,随后钢筋周围砂浆产生裂缝;当锈蚀层的最大厚度为9.00μm时,混凝土保护层表面出现裂缝,此时钢筋的有效锈蚀率仅为0.186%;当锈蚀层的最大厚度达到18.00μm时,混凝土中钢筋之间裂缝贯通,此时裂缝分布图与实测锈胀开裂相似,表明细观模拟计算可靠.     

基于超单元形函数坐标变换的有限元网格剖分和冷却水管网格二次剖分方法

当用Ansys的前处理模块进行网格剖分建模时,映射网格剖分受到许多条件限制而自由网格剖分不容易控制,往往不能按照自己的意愿进行网格剖分,并且剖分出来的网格不规则.针对这一问题,采用超单元网格剖分的建模思想,通过基于形函数的坐标变换,用Fortran语言编程实现网格剖分.用该方法进行网格剖分,不但易于控制网格单元形状大小,而且便于修改网格.并且,用超单元的高次形函数进行坐标变换,可以很好地对曲边曲面形状的结构模型进行网格剖分.大体积混凝土的温控防裂一直是人们非常关注的问题,而冷却水管技术是一种有效可行的温控防裂技术.在超单元的基础上实现了添加冷却水管的网格二次剖分方法,使大体积混凝土的水管冷却仿真计算得以实现.     

混凝土锈胀开裂的断裂过程分析

应用线弹性断裂力学基础理论,结合弹性力学研究成果,得到了钢筋均匀锈蚀导致锈胀裂缝扩展至表面前的锈胀力与裂纹张开位移的关系.结合混凝土的双K断裂准则,分析了混凝土锈胀开裂过程的断裂韧度及其影响因素.研究结果表明:钢筋直径与保护层厚度及混凝土强度是影响混凝土锈胀开裂发展的主要因素;适当增加混凝土保护层厚度、选用小直径钢筋和选择高性能混凝土均有利于抵抗锈胀裂缝的扩展.     

钢筋混凝土梁加速锈蚀试验研究

以钢筋混凝土梁为研究对象,采用电化学加速锈蚀试验,研究分析钢筋加速锈蚀后的混凝土锈胀开裂特征、钢筋锈蚀特征和钢筋锈蚀率.研究表明,试验梁顶部锈胀裂缝较梁底多,梁两侧裂缝分布较为均匀,部分锈蚀率较大的试验梁出现箍筋锈蚀造成的垂直裂缝,锈蚀严重的试验梁局部还有混凝土脱落;纵筋和箍筋坑蚀严重,采用贴面外加直流电加速钢筋锈蚀的效果与自然环境下的锈蚀状态较为接近;随着钢筋锈蚀率的增加,钢筋锈蚀产物增多,导致混凝土保护层开裂以及钢筋肋锈损,使得钢筋与混凝土黏结力下降.钢筋理论计算锈蚀率基本大于纵筋锈蚀率的实测值,箍筋锈蚀率大于纵筋锈蚀率.箍筋上边锈蚀率较下边高,左右两边锈蚀率基本相同.     

再生混凝土结构钢筋临界锈蚀率的预测模型

为预测再生混凝土保护层锈胀开裂时刻的钢筋锈蚀率,根据目前再生混凝土钢筋锈蚀和锈裂行为的试验研究,借助一些合理的基本假定,采用弹性理论分析了钢筋锈蚀至保护层开裂的全过程,建立了再生混凝土结构钢筋临界锈蚀率的理论计算模型,模型中考虑了铁锈在锈胀裂缝中的填充行为和开裂混凝土的损伤。为验证模型的准确性,对15种不同配合比的再生混凝土试件进行了通电加速锈蚀试验。理论分析与试验结果对比表明,模型的预测结果是可靠的,满足工程计算精度,可用于再生混凝土结构钢筋均匀锈蚀条件下的临界锈蚀率计算和耐久性的影响因素分析。     

钢筋混凝土结构锈胀裂缝扩展分析

为了对钢筋混凝土结构的耐久性全寿命进行评估,研究了保护层混凝土锈胀裂缝的扩展及过程.基于保护层混凝土锈胀开裂前后的变形协调条件,并考虑箍筋对混凝土锈胀裂缝扩展的影响,建立了有箍筋和无箍筋条件下混凝土保护层锈胀裂缝宽度模型.试验结果表明,在锈蚀率介于0～10%条件下,所建模型可以很好地预测保护层混凝土锈胀裂缝的扩展.     

方钢管钢骨混凝土中钢骨锈蚀量计算

针对混凝土中的钢骨锈蚀后,钢骨的周围产生锈胀力,随着锈蚀程度的增加,钢骨锈胀力将导致混凝土保护层开裂,影响钢骨混凝土结构耐久性的问题,应用弹性力学的方法建立了混凝土锈胀开裂时方钢管锈蚀量的计算模型,得到了钢骨锈蚀量的计算公式,并对影响钢骨锈蚀量的因素进行了分析.分析结果表明,钢骨锈蚀量随着混凝土保护层厚度、钢管内径的增加和混凝土强度等级的提高而加大,随着钢管外径和铁锈膨胀率的增加而减小.     

基于半椭圆锈蚀模型的混凝土保护层锈胀开裂分析

钢筋锈蚀时锈蚀层的分布规律会因钢筋所处的位置不同具有差异性,为了分析非均匀锈蚀层分布的差异对混凝土保护层开裂的影响,基于钢筋锈蚀层半椭圆分布模型,对钢筋非均匀锈蚀情况下的混凝土保护层开裂过程进行了有限元分析,并与均匀锈蚀假定下的保护层开裂理论进行了对比.研究显示按照均匀锈蚀假定的计算结果与非均匀锈蚀假定具有较大误差,尤其是在边角区误差更为明显,考虑钢筋锈蚀的非均匀性更加符合实际.对影响保护层锈胀开裂的因素进行分析后发现,钢筋直径和保护层厚度对保护层锈胀开裂的影响较大,混凝土抗拉强度对保护层锈胀开裂的影响较小.     

基于渐变网格剖分方法的再生混凝土细观数值试验

细观上,把混凝土看成是由骨料、砂浆以及它们之间的界面等组成的多相复合材料,对于光滑的球形骨料,预先进行镶边处理,并在此基础上首先对封闭域形成表面单元,然后采用拓扑映射的渐变网格剖分方法往里拓扑成四面体单元网格,按同样方法依次生成界面单元网格和砂浆单元网格,删除表面单元和多余节点后形成混凝土试件的三维细观有限元网格模型。采用该细观有限元模型进行再生混凝土的单轴压缩数值破坏试验,结果表明,该网格模型在单机环境下很快的就能完成数值试验,与以往的自由网格剖分法和映射网格剖分法生成的细观有限元模型相比不仅在计算规模上大大缩小了,而且模拟的破坏形态与实际非常吻合,精度也很高。     

简化的二维混凝土骨料随机生成法

混凝土的细观力学分析中,将混凝土考虑为由粗骨料、水泥砂浆以及界面三相所组成的复合材料。细观分析时粗骨料模型的建立是一个主要而且关键的步骤。在二维分析中,圆形骨料是应用最为广泛的简化模拟方法;而椭圆形骨料以及多边形骨料也分别被用来模拟卵石骨料以及碎石骨料。针对圆形、椭圆形以及多边形这三种剖面形状的骨料,确定了简化的骨料随机生成方法,生成了相应的几何模型,并得出了数值模拟结果。     

随机骨料投放的分层摆放法及有限元坐标的生成

为了提高混凝土细观力学预处理过程中骨料投放效率,提出了一种随机骨料的投放方法。基于混凝土随机骨料生长方式,提出了骨料投放的分层摆放法。采用状态矩阵法的判别准则,判别空间中任意一点与骨料凸多边形/凸多面体的位置关系,实现了二维平面/三维空间有限元网格坐标的生成。结果表明,与现有方法相比,该方法可节省CPU时间,具有极高效率。这为实现大规模数值细观混凝土预处理,提供了有力的工具。     

基于XFEM的混凝土保护层锈胀裂纹分析

采用扩展有限元法(XFEM)和过盈装配的方式,建立了混凝土保护层非均匀锈胀开裂有限元模型。计算结果表明:首先在与钢筋接触的左右两侧10°~30°范围内形成包含数条微裂纹的裂纹带,对称于钢筋的中轴线背向发展,随着锈蚀程度的加深,在裂纹带形成一条斜向的主裂纹,从而导致保护层产生"楔形"破坏。通过对ABAQUS进行二次开发,提取了锈胀裂纹长度,发现裂纹长度与钢筋锈蚀率之间呈指数关系,指出裂纹发展可分为3个阶段(萌生区、扩展区和平缓区),应以裂纹进入平缓区的钢筋锈蚀率对结构进行评估,并给出了界限判据。与广惠高速公路沿线桥梁保护层剥落病害对比分析,验证了计算结果的精确性。     

坝下游面钢衬钢筋混凝土管非线性有限元分析

采用解析法对某水电站坝下游面钢衬钢筋混凝土压力管道进行初步设计，确定了钢衬厚度和钢筋配置，对其进行整体三维非线性有限元分析，着重研究了在设计荷载作用下，钢衬和钢筋的应力状态以及管周混凝土的开裂特征．采用将非线性有限元分析与规范解析法相结合的方法，先根据非线性有限元计算的结果，分析得到钢衬钢筋混凝土管的钢筋应力，再将其代入规范解析公式，计算出结构的裂缝宽度，并最终提出了满足结构限裂要求的配筋方案．     

混凝土单轴压缩破坏过程的三维细观数值模拟

从细观力学的角度出发,将混凝土视为由骨料、砂浆及二者之间的界面所组成的三相复合材料,利用蒙特卡罗方法,产生骨料在试件中的随机位置,建立了混凝土圆柱体试件三维数值模型。进行单元划分,对试件中骨料、砂浆和界面单元的材料号进行自动识别及赋值。通过三个计算方案研究了混凝土单轴压缩下的力学性能及破坏过程,模拟了混凝土材料从裂纹的萌生、扩展、贯通直到宏观裂纹产生导致破坏的过程。结果表明,该数值模型及计算方法能够较好地反映混凝土在单轴荷载作用下的力学特性。     

火灾后四边简支钢筋混凝土板刚度与挠度试验研究及分析

为研究钢筋混凝土双向板在遭受火灾作用后的承载能力及挠度发展规律,对配筋率及受火时间不同的火灾后钢筋混凝土双向板承载能力进行研究。研究结果表明：火灾作用后,双向板在荷载作用下无混凝土开裂前的弹性阶段,而是直接进入带裂缝工作阶段,且只存在钢筋屈服前的带裂缝工作阶段和钢筋屈服后的破坏阶段;配筋率高的双向板挠度发展较为缓慢,具有更好的抵抗变形的能力,提高配筋率可使得双向板的抗弯刚度增加;随着受火时间的延长,双向板挠度发展加快,挠度曲线更为饱满,表明火灾使得双向板的抗弯刚度削减,挠曲变形也随之增大;以已有的受弯构件刚度的计算方法为基础,结合材料的高温后性能与火灾对双向板承载性能的影响,采用分层划分的方法,推导给出了火灾后钢筋混凝土双向板刚度及挠度计算公式,并与试验对比进行验证。     

撒布式混杂钢纤维再生混凝土梁抗裂性能

为了降低工程造价与施工难度,改变整体式钢纤维再生混凝土中钢纤维的掺入方式,同时选用最优钢纤维混杂比例,采用撒布式混杂钢纤维结构形式,分析了钢纤维掺量和纵筋配筋率对再生混凝土梁抗裂性能的作用规律。结果表明：撒布式混杂钢纤维再生混凝土梁的加载经历与基准组再生混凝土梁基本类似,都出现了弹性、开裂、屈服、破坏4个特征。随着混杂钢纤维掺量的增加,开裂荷载提高了33.3%～66.7%,裂缝数量增加了2～3条,裂缝宽度、平均裂缝间距与纵筋应变均有不同程度的减小,梁的抗裂能力逐渐增强。随着配筋率的增长,开裂荷载略有增大,极限荷载提高显著,梁破坏时的裂缝逐渐变宽,裂缝数量与纵筋应变减少,平均裂缝间距先小幅减少后增加。     

纤维网格布表层强化混凝土早期开裂特性

为解决机场道面水泥混凝土在施工期易产生早期微裂缝,给使用期飞机运行带来安全隐患的问题,提出通过在混凝土表层砂浆层中布设纤维网格布的方式强化机场道面的表面性能。选择了碳纤维、芳纶纤维和玄武岩纤维3种纤维网格布作为强化材料,以水泥砂浆早期开裂性能表征混凝土早期抗开裂性能,探究了在高温多风模拟环境下水灰比、灰砂比、细度模数和纤维网格布对水泥砂浆早期抗开裂性能的影响。结果表明,当水灰比为0.43、灰砂比为0.47、细度模数为3.4时,水泥砂浆早期抗开裂性能最好;当纤维网格布为玄武岩纤维网格布,网格尺寸为3 mm×3 mm时水泥砂浆早期抗开裂性能强化效果最好。