双向应力加载条件下钢筋锈蚀致混凝土破坏应力分析 Analysis on failure stress in concrete due to corrosion of rebar under bidirectional loading.pdfVIP

水 利 学 报 SHUIU 2008年2月 XUEBAO 第39卷第2期 文章编号：0559—9350(2008)02．0224-06 双向应力加载条件下钢筋锈蚀致混凝土破坏应力分析 王明斌1’2，李术才1 (1．山东建筑大学理学院，山东济南250101；2．山东大学土建与水利学院，山东济南250061) 摘要：研究了双向应力加载条件下钢筋锈蚀膨胀致混凝土破坏机理。根据Muskhelishvili复势理论的级数展开技术， 构造了合适的各区复应力函数；然后，利用边界上位移、力的连续性条件和远场的性态，通过等式两边同次幂指数 的系数比较，将问题转化为线性方程组的求解；结合叠加原理，获得混凝土在此情况下环向应力的解析解答。进一 步的利用电化学中的法拉第定律，得到了双向加载条件下，钢筋锈蚀致混凝土起裂的时间的表达式。分析表明，远 场加载方式的不同，可以加速或减缓裂纹的萌生；铁锈的出现可改变裂纹发生的方位；钢筋和混凝土剪切模量之比 对于裂纹萌生的影响不大；钢筋相对锈蚀深度越大，越容易出现裂纹。 关键词：混凝土；钢筋锈蚀；复势理论；叠加原理；法拉第定律 中图分类号：TU375 文献标识码：A 1研究背景 在氯离子含量较高的环境中，氯离子通过扩散进入到混凝土内部，破坏钢筋表面的钝化膜，引发钢 筋生锈和膨胀，进一步发展导致表面混凝土剥落、结构使用功能和力学性能的不断退化，成为钢筋混凝 土结构耐久性的极限状态标志之一u’2o，因此，研究钢筋锈蚀致混凝土破坏的力学机理就显得十分必要。 国内外学者在这方面进行了大量的工作，其中，赵羽习和金伟良等¨“1采用弹性力学方法，结合已有成 果，提出钢筋锈蚀导致混凝土保护层胀裂时的力学模型，进而得到了计算锈胀力和锈蚀率的计算公式， 理论分析结果和试验结果符合较好；郑建军等【71通过引入合理假设，并考虑?昆凝土开裂后的软化特性， 获得了从钢筋锈蚀到混凝土保护层完全开裂全过程的解析解，而试验结果又进一步验证了所得解答的 有效性；易伟建和赵新¨1利用新设计的一套试验装置，对钢筋混凝土梁进行在钢笳加速锈蚀条件下的准 长期静力荷载试验，观测了试验梁的固有频率、挠度、混凝土应变随时间的变化，分析结果表明，梁的固 有频率对锈蚀的发展敏感，在实际工程中可以通过动测方法诊断钢筋锈蚀导致的结构损伤，试验值与实 测值吻合良好；吴谨和吴胜兴b1首先分析了大气环境下和氯离子环境下钢筋锈蚀的模型，然后考虑钢筋 面积和黏结强度的降低，建立锈蚀钢筋混凝土结构抗力的随机模型，最后采用一次二阶矩实用分析法计 合理的力学解析模型，将钢筋混凝土锈胀作用化归为弹性力学的边值问题，获得混凝土保护层起裂时间 和钢筋锈蚀的解答；Hany【121对玻璃钢增强混凝土在热环境下，由于热失配造成的混凝土胀裂破坏进行 了非线性研究；Piltner等n31则利用复变函数的方法进行了钢筋锈蚀和孔隙水冻胀致混凝土胀裂破坏的 应力分析。 纵观以上文献，分别从理论、数值和试验的角度分析了钢筋的锈蚀问题，然而，大多数文献并没有考 虑钢筋混凝土结构的受载情况，这与实际情况是不符的。本文考虑钢筋锈蚀膨胀和远场双向载荷共同 收穑日期：2006．09-19 基金项目：国家自然科学基金重点资助项目；国家自然科学基金面上资助项目 ‘——-224·-—- 万方数据 凝土起裂时间和最大环向拉应力的解析表达式，分析远场加载方式和钢筋与混凝土弹性模量之比，以及 钢筋锈蚀程度对于裂纹萌生的影响规律。 2模型建立 图1所示钢筋混凝土，r。、r：分别为钢筋锈蚀前后的半径，由于铁锈膨胀，使得铁锈外径产生的径 向位移为瓦舢，同时还受到远场的均布荷载盯f、盯f的作用。钢筋、铁锈和混凝土所占区域，分别用下标 l、2、3表示。 根据平面弹性理论，应力和位移可以用两个复应力函数9(z)、妒(彳)表示 口口+仃，=4Re[97(：)] (1) 口p一口，+2it毋=2e2坩[三矿(：)+妒’(=)]