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FILENAME chinese_format.doc PAGE - 钢筋混凝土结构裂纹扩展数值模拟和临界锈胀力的研究 郑靖靖，陈耀，陈辞 中国矿业大学力学与建筑工程学院，江苏徐州 (221008) E-mail： ldyldg@163.com 摘 要：本文采用FRANC2D软件模拟裂纹扩展，由此得出了应力强度应子，从而推导出了临界锈胀力的计算公式，并对锈胀力的影响因素进行了分析，结果发现临界锈胀力随断裂韧度增大而增大；随着初始裂缝长度的增长而降低；增大保护层厚度能够提高抗锈胀能力；钢筋直径越小所需临界锈胀力越大。 关键词：裂纹扩展；应力；应力强度应子；临界锈胀力 中图分类号：TU375 0．引言 李永和、葛修润[1]通过取样检测，系统分析了钢筋锈蚀形状变化特征、混凝土表面裂纹宽度变化特征；在取样检测分析的基础上，给出了钢筋锈蚀层椭圆外轮廓线数学模型；然后依据三个基本假定，给出锈蚀层虚拟边界位移离散化力学模型；最后在虚拟边界位移条件下，用数值流形元法模拟了二类锈胀随服役时间变化引起裂纹扩展轨迹的问题。夏宁、任青文[2]基于实际工程中锈蚀钢筋的取样检测分析，提出了钢筋不均匀锈蚀的动态轮廓线模型，通过改变模型中的锈层厚度系数，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ANSYS8.0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。付磊等[3]介绍了FRANC2D /L软件在模拟裂纹扩展中的应用，以实例展示了FRANC2D/L在实际运用中计算结果的准确性，比较了FRANC2D/L的模拟结果和理论数值解结果，结果证明了用FRANC2D/L模拟的可行性和可靠性。 钢筋混凝土结构的锈蚀损伤过程可以描述为以下几个阶段：①自由膨胀阶段，钢筋锈蚀开始到锈胀力产生。由于混凝土中的孔隙及混凝土与钢筋之间存在间隙，使得钢筋锈蚀开始一段时间内产生的铁锈用以填充以上空隙，该阶段混凝土保护层不受力。②锈胀力产生至混凝土保护层开裂。随着锈蚀量的不断增加，孔隙被填满而产生因铁锈体积膨胀造成的对保护层的压力，当该压力达到某一值时，混凝土开裂。③混凝土保护层开裂至构件耐久性失效。混凝土裂缝扩展至构件表面后，钢筋锈蚀加剧，锈蚀产物的体积膨胀使裂缝宽度不断增长，当达到某一容许值时，即认为达到了正常使用极限状态，耐久寿命终结。因此有必要研究钢筋混凝土结构的裂纹开展和锈胀力。本文采用FRANC2D软件模拟裂纹扩展，由此得出了应力强度应子，从而推导出了临界锈胀力的计算公式并对锈胀力的影响因素进行了分析。 1．模型的建立 对于钢筋混凝土构件而言，钢筋可看作是圆孔，包裹钢筋的混凝土看作是平板，因此把钢筋混凝土结构看做是一个有圆孔的平板模型，在转换器Casca软件画的该模型如图1所示。已知钢筋直径为d，混凝土平面尺寸为a = b = 2d。 2．FRANC2D软件的应用 把Casca软件得到的模型在Franc2D软件中打开，设定材料的特性和边界条件，特性包括混凝土的弹性模量、泊松比，弹性模量与混凝土的等级有关，等级越高弹性模量值越大；泊松比为0.2。对于这样一个钢筋混凝土构件，可以固定其下边缘，从而可以得到其应力和应力强度应子。 图1 钢筋混凝土平板模型 图2 钢筋混凝土模型的应力场 Fig.1 Model of reinforced concrete slab Fig.2 The stress field of reinforced concrete model 2.1 应力 混凝土在没有干燥和其他外界影响下会发生化学减缩，这种体积收缩是由水泥的水化反应所产生的固有收缩，且该收缩是不能恢复的，其收缩量随混凝土的龄期延长而增加，但是观察到的收缩率很小。因此，在设计中考虑限制应力，防止混凝土内部产生微细裂缝。另外在荷载作用下混凝土也会发生变形，考虑应力也是必须的。将混凝土等级为C15、C20、C30，泊松比ν = 0.2，荷载P = 1kPa时的应力通过Franc2D软件计算出来。根据计算的结果发现，三种强度等级下的应力大小都是一样的，所以画出了如图2所示应力场。 从上图可以看出，混凝土等级对应力的大小没有影响，影响应力大小的因素主要是荷载P。上图是荷载P = 1kPa时得到的应力场，在实际工程中可定义结构所受实际荷载的大小从而得到结构实际承受的主拉应力，当材料的主拉应力达到混凝土的抗拉强度时，开始出现裂缝。 2.2 应力强度应子 应力强度应子是反映裂纹尖端附近区域应力场强度的物理量，它和裂纹大小、形状以及外应力有关，用应力强度应子作为裂纹体受力程度的力学参数，从强度和韧度两方面综合考虑问题，比用一点应力作力学