PAGE0PAGE1博士博士□直博□碩士□江蘇科技大學(xué)土木工程與建筑學(xué)院研究生讀書報(bào)告題目：非均勻銹蝕對(duì)鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)開裂和使用壽命的影響Effectsofnon-uniformcorrosiononthecrackingandservicelifeofreinforcedconcretestructures作者：BongSeokJang,ByungHwanOh期刊：CementandConcreteResearch40(2010)1441—1450學(xué)科：高等混凝土結(jié)構(gòu)理論學(xué)生姓名：陳小健指導(dǎo)教師：吳慶報(bào)告日期：2012.05.15報(bào)告形式：書面二0一二年五月在不同階段的學(xué)習(xí)過(guò)程中，尤其是研究生階段，閱讀一定量的國(guó)外期刊文獻(xiàn)，對(duì)于個(gè)人了解與本專業(yè)相關(guān)的國(guó)外熱點(diǎn)問(wèn)題和前沿信息是很有幫助的。結(jié)合《高等混凝土結(jié)構(gòu)理論》課程的特點(diǎn)和本人的研究方向，有針對(duì)性地選取了《CementandConcreteResearch》雜志2010版上收錄的一篇題為Effectsofnon-uniformcorrosiononthecrackingandservicelifeofreinforcedconcretestructures的文章，并從以下幾方面對(duì)這篇外文做簡(jiǎn)要的介紹。一、作者簡(jiǎn)介本文第一、第二作者分別為韓國(guó)水環(huán)境研究所和韓國(guó)國(guó)立首爾大學(xué)的研究人員。他們長(zhǎng)期從事混凝土結(jié)構(gòu)耐久性方面的研究，并取得了豐碩的成果。寫作目的本文研究的目的在于探討非均勻銹蝕對(duì)于混凝土保護(hù)層開裂的影響。研究非均勻銹蝕的分布（α）、保護(hù)層厚度與鋼筋直徑的比值（c/d）以及混凝土的抗壓強(qiáng)度（fc）等因素對(duì)混凝土保護(hù)層開裂壓力（Pcr）的影響。并探討了非均勻銹蝕對(duì)于混凝土結(jié)構(gòu)使用壽命的影響。主要觀點(diǎn)1.在非均勻銹蝕情況下（α=4~8）引起混凝土保護(hù)層開裂的壓力要比均勻銹蝕情況下小的多。也就是說(shuō)，根據(jù)非均勻銹蝕分布情況，開裂壓力減少到40%~60%。這就意味著鋼筋外表面的局部銹蝕以相對(duì)較小的膨脹力就能造成混凝土保護(hù)層的失效。從Gonzálezetal[1]的試驗(yàn)中可知，在自然情況下α（非均勻銹蝕程度）的值在4到8之間變化。2.就α（非均勻銹蝕程度）的值而言，對(duì)于不同的保護(hù)層厚度與鋼筋直徑的比值c/d，得到由鋼筋銹蝕引起的混凝土保護(hù)層開裂壓力回歸公式。(3－1)(3－2)(3－3)目前的研究表明，由于銹蝕膨脹引起混凝土保護(hù)層開裂的壓力大小隨著保護(hù)層厚度的增加而增加，幾乎與保護(hù)層厚度和鋼筋直徑的比值c/d線性成比例。(3－4)(3－5)4.隨著鋼筋直徑的增加，混凝土保護(hù)層開裂壓力略有減小。然而，研究發(fā)現(xiàn)，鋼筋直徑對(duì)于由鋼筋銹蝕引起的混凝土開裂壓力的影響是非常小的。5.隨著混凝土強(qiáng)度的增加，混凝土保護(hù)層的開裂壓力增大。對(duì)于不同α（非均勻銹蝕程度）值，開裂壓力回歸公式是根據(jù)混凝土抗壓強(qiáng)度推導(dǎo)而來(lái)的。同時(shí)，這里的開裂壓力與抗壓強(qiáng)度之間存在著很好的相關(guān)性。6.目前的分析結(jié)果與混凝土保護(hù)層開裂壓力的測(cè)試數(shù)據(jù)比較。證實(shí)了目前的分析結(jié)果與測(cè)試數(shù)據(jù)相一致。7.最后，討論了非均勻銹蝕對(duì)于混凝土結(jié)構(gòu)使用壽命的影響。指出了均勻銹蝕的簡(jiǎn)單假設(shè)可能會(huì)導(dǎo)致使用壽命的估計(jì)偏于不保守。四、基本模型4.1基于摩爾-庫(kù)倫破壞準(zhǔn)則和Hillerborg材料非線性模型對(duì)于混凝土模型，使用了八節(jié)點(diǎn)的平面應(yīng)變單元。對(duì)于混凝土抗壓強(qiáng)度機(jī)理，利用莫爾-庫(kù)倫失效模型中的粘聚力c表示，計(jì)算如下。(4－1)這里的為30℃時(shí)混凝土的內(nèi)摩擦角。對(duì)于拉伸機(jī)理，彌散裂縫概念應(yīng)用于混凝土構(gòu)件開裂模型。如果主拉應(yīng)力超過(guò)了抗拉強(qiáng)度與中的最小值，裂縫將會(huì)出現(xiàn)，這里的側(cè)向主應(yīng)力考慮雙軸應(yīng)力的影響。混凝土的直接抗拉強(qiáng)度也能從等式（6）、（7）中的劈裂抗拉強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)度得到。(4－2)(4－3)對(duì)于拉伸軟化、雙線性拉伸軟化模型依照Hillerborg使用，如圖1所示。斷裂能的值可以合理地假定為100N/m，這在目前的混凝土分析中是一個(gè)典型值。圖圖1.混凝土雙線性拉伸軟化曲線4.2基于牛頓-拉夫森迭代法和弧長(zhǎng)法的非線性分析模型為了分析荷載與位移之間的非線性關(guān)系，需要一個(gè)增量迭代求解過(guò)程。基于內(nèi)能平衡是在每次增量過(guò)程中反復(fù)得到的。在這項(xiàng)研究中，收斂準(zhǔn)則可以看作是兩次連續(xù)負(fù)載級(jí)與偏差之間的內(nèi)能之比，即收斂準(zhǔn)則賦值為1×10-2。迭代計(jì)算會(huì)不斷的重復(fù)直到內(nèi)部平衡條件滿足以及收斂性達(dá)到為止。常規(guī)的牛頓-拉夫森迭代法應(yīng)用于每次剛度矩陣計(jì)算的迭代過(guò)程。圖2（a）闡述了常規(guī)的牛頓-拉夫森迭代法的迭代過(guò)程。然而，對(duì)于施加最大載荷水平后的下降部分，牛頓-拉夫森迭代法無(wú)法找到下一個(gè)載荷水平。因此，在這些區(qū)域利用弧長(zhǎng)法，如圖2（b）所示。在每一步中使用預(yù)定的弧長(zhǎng)，這種方法有可能找到下一個(gè)負(fù)載級(jí)。有了這種路徑跟蹤技術(shù)，可以合理地研究下降部分的峰值。圖圖2.非線性分析的解決方法評(píng)價(jià)目前雖然有一些學(xué)者研究了鋼筋銹脹現(xiàn)象，但大都不能揭示銹蝕物產(chǎn)生、發(fā)展的機(jī)理。在對(duì)銹蝕膨脹的力學(xué)研究過(guò)程中，他們通常將銹蝕層簡(jiǎn)化為規(guī)則的形狀模型，且多假定為圓形，即假定鋼筋為均勻銹蝕，認(rèn)為銹脹力在同一截面是均勻的。而本文作者打破了以往一些學(xué)者停留在均勻銹蝕層面上的研究，而是從非均勻銹蝕的角度出發(fā)，建立了非均勻銹蝕的力學(xué)模型，得出了混凝土保護(hù)層開裂壓力的回歸公式，并將分析結(jié)果與威廉姆森和克拉克[2]的試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行了比較，驗(yàn)證了其分析結(jié)果的合理性。目前，國(guó)內(nèi)也有部分學(xué)者對(duì)基于鋼筋非均勻銹蝕膨脹引起的混凝土保護(hù)層開裂問(wèn)題進(jìn)行了研究，研究方法主要集中在理論推導(dǎo)、數(shù)值分析、有限元模擬和試驗(yàn)研究這幾個(gè)方面，并取得了一定的研究成果。①理論推導(dǎo)中國(guó)礦業(yè)大學(xué)混凝土耐久性課題組前后對(duì)鋼筋銹脹力的研究已經(jīng)有過(guò)很多探討。馮瑞[3]等人從彈性力學(xué)的理論研究入手，根據(jù)已有的試驗(yàn)結(jié)果建立了鋼筋非均勻銹脹力的分布模型：(5－1)式中：—鋼筋半徑；—角處銹層自由膨脹名義半徑與實(shí)際銹層半徑的差值；—混凝土保護(hù)層厚度；—角處混凝土所受銹脹力；—銹蝕層泊松比；—混凝土泊松比；—銹蝕層彈性壓縮模量；—混凝土彈性模量。牟艷君[4]碩士獲得了用鋼筋截面最大半徑損失表示鋼筋銹蝕率，建立了基本的銹脹力理論計(jì)算單元。高妍[5]碩士在此基礎(chǔ)上，利用半橢圓作為鋼筋銹脹力分布的數(shù)學(xué)模型，并結(jié)合中國(guó)礦業(yè)大學(xué)課題組現(xiàn)有試驗(yàn)數(shù)據(jù)，推導(dǎo)了保護(hù)層開裂時(shí)銹脹力的計(jì)算公式：(5－2)(5－3)其中：—角處混凝土所受銹脹力；—處混凝土所受銹脹力；—鋼筋半徑；—混凝土保護(hù)層厚度；—銹蝕層泊松比；—銹蝕層彈性壓縮模量；—混凝土泊松比；—混凝土彈性模量；—最大鋼筋半徑損失，。②數(shù)值分析浙江大學(xué)的趙羽習(xí)[6]等人假定鋼筋為均勻銹蝕，考慮銹脹力作用下混凝土和鋼筋銹蝕產(chǎn)物的徑向變形，根據(jù)混凝土、銹蝕產(chǎn)物和未銹蝕鋼筋之間變形協(xié)調(diào)條件，采用彈性力學(xué)方法建立脹裂前銹脹力與鋼筋銹蝕率、保護(hù)層厚度、鋼筋直徑、混凝土材料特性、銹蝕產(chǎn)物特性之間的理論模型?？紤]到鋼筋通常發(fā)生不均勻銹蝕，作者對(duì)上述銹脹力模型進(jìn)行了修正，得出相應(yīng)位置的銹脹力計(jì)算公式：(5－4)式中：—鋼筋繡脹力；—鋼筋半徑；—混凝土保護(hù)層厚度；—銹蝕產(chǎn)物體積膨脹率，通常為2~4；—鋼筋的銹蝕率，單位長(zhǎng)度截面的重量損失率；—銹蝕層泊松比；—銹蝕層彈性壓縮模量；—混凝土泊松比；—混凝土彈性模量；有限元模擬同濟(jì)大學(xué)的張偉平[7]等人基于混凝土中的鋼筋銹蝕機(jī)理，提出了一種采用溫度膨脹環(huán)代替銹蝕產(chǎn)物的模擬方法，通過(guò)改變溫度膨脹環(huán)的形狀模擬混凝土中鋼筋的不均勻銹蝕。對(duì)保護(hù)層厚度、鋼筋半徑、鋼筋位置、不同間距相鄰鋼筋對(duì)鋼筋銹脹力的影響規(guī)律進(jìn)行了計(jì)算分析。認(rèn)為，保護(hù)層厚度與鋼筋半徑之比是影響混凝土中鋼筋銹脹力的重要因素。河海大學(xué)的夏寧[8]等人提出了鋼筋不均勻銹蝕的動(dòng)態(tài)輪廓線模型，通過(guò)變化模型中的銹層厚度系數(shù)α得到不同銹蝕程度的鋼筋作用于孔洞周圍混凝土的銹脹位移，采用有限元軟件ANSYS8.0進(jìn)行鋼筋不均勻銹脹的非線性分析，在此基礎(chǔ)上推導(dǎo)了保護(hù)層脹裂時(shí)銹蝕產(chǎn)物量的預(yù)測(cè)公式。蘇州科技學(xué)院的韋俊[9]等人利用ABAQUS有限元軟件，對(duì)鋼筋周圍混凝土施加不均勻銹脹位移的方法來(lái)模擬鋼筋非均勻銹蝕情況下保護(hù)層的開裂過(guò)程，根據(jù)分析結(jié)果，得到保護(hù)層脹裂破壞時(shí)臨界徑向位移計(jì)算公式，并推導(dǎo)了保護(hù)層開裂時(shí)鋼筋銹蝕率的計(jì)算公式。④試驗(yàn)研究華中科技大學(xué)的徐港[10]等人設(shè)計(jì)了一種新的鋼筋快速銹蝕試驗(yàn)方案，研究了鋼筋非均勻銹蝕引起的混凝土保護(hù)層脹裂問(wèn)題。根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)，利用統(tǒng)計(jì)回歸分析的方法，給出了混凝土保護(hù)層出現(xiàn)可見裂縫時(shí)的鋼筋銹蝕率與混凝土強(qiáng)度、鋼筋直徑及保護(hù)層厚度之間的經(jīng)驗(yàn)公式。分析認(rèn)為，相對(duì)保護(hù)層厚度是決定混凝土開裂時(shí)鋼筋銹蝕率的主要因素，而混凝土等級(jí)和鋼筋直徑對(duì)它的影響較小。針對(duì)鋼筋銹脹問(wèn)題的研究，國(guó)內(nèi)學(xué)者基本都是通過(guò)鋼筋銹蝕率來(lái)推導(dǎo)出保護(hù)層開裂時(shí)刻的銹脹力。因?yàn)樵趯?shí)際工程應(yīng)用中，銹蝕率對(duì)預(yù)測(cè)混凝土結(jié)構(gòu)使用壽命具有更重要的現(xiàn)實(shí)意義。展望混凝土結(jié)構(gòu)因碳化或氯離子的侵蝕，會(huì)使鋼筋發(fā)生銹蝕。由于所生成的銹蝕產(chǎn)物的體積約是相應(yīng)鋼筋體積的2—6倍，其體積膨脹會(huì)在鋼筋—混凝土交界面上產(chǎn)生壓力，這種力就是所謂的鋼筋銹脹力。當(dāng)銹脹力達(dá)到某一數(shù)值時(shí)，將導(dǎo)致混凝土保護(hù)層開裂，使混凝土構(gòu)件產(chǎn)生順筋裂縫?，F(xiàn)有理論認(rèn)為裂縫的出現(xiàn)會(huì)加速鋼筋的銹蝕，使結(jié)構(gòu)的耐久性降低，所以研究銹脹力對(duì)結(jié)構(gòu)耐久性分析具有重要意義。從目前國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀來(lái)看，大多數(shù)學(xué)者集中在對(duì)均勻銹蝕的研究，而對(duì)非均勻銹蝕的研究相對(duì)較少。而且對(duì)于非均勻銹蝕的研究主要以有限元模擬為主，在理論分析和試驗(yàn)研究方面還處于起步階段。這與實(shí)際情況下混凝土中鋼筋銹蝕機(jī)理有關(guān)，鋼筋銹蝕是一個(gè)非常復(fù)雜的過(guò)程，研究難度較大。通過(guò)對(duì)國(guó)內(nèi)外學(xué)者關(guān)于非均勻銹脹問(wèn)題研究成果的了解，并結(jié)合文章具體的研究?jī)?nèi)容，現(xiàn)針對(duì)非均勻銹脹問(wèn)題提出以下幾點(diǎn)展望：1.實(shí)際結(jié)構(gòu)中，混凝土構(gòu)件承受多種荷載，而目前研究均沒(méi)有考慮外界荷載對(duì)銹蝕開裂的影響，因此需要研究多種荷載耦合情況下，混凝土的開裂過(guò)程。2.有限元分析僅針對(duì)混凝土開裂之前，因而需要研究開裂后混凝土的裂縫擴(kuò)展過(guò)程，以及跟相關(guān)影響因素之間的關(guān)系。3.目前銹脹力分析與預(yù)測(cè)僅局限于理論模型，缺少試驗(yàn)數(shù)據(jù)的驗(yàn)證，因此需要進(jìn)一步研究如何設(shè)計(jì)試驗(yàn)，以便能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)銹脹力的預(yù)測(cè)。4.從現(xiàn)有的資料來(lái)看，大多只考慮單一氯離子侵蝕作用下鋼筋銹蝕對(duì)混凝土開裂壓力的影響，而實(shí)際情況卻是混凝土構(gòu)件受到氯鹽和硫酸鹽雙重腐蝕，因而可以通過(guò)試驗(yàn)的辦法來(lái)模擬海洋環(huán)境下鋼筋不均勻銹蝕對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)開裂和使用壽命的影響。參考文獻(xiàn)[1]J.A.González,C.Andrade,C.Alonso,S.Feliu.Comparisonofratesofgeneralcorrosionandmaximumpittingpenetrationonconcreteembeddedsteelreinforcement[J].CementandConcreteResearch,1995,25(2):257-264.[2]S.J.Williamson,L.A.Clark.Pressurerequiredtocausecovercrackingofconcreteduetoreinforcementcorrosion[J].MagazineofConcreteresearch,2000,52(6):455-467.[3]馮瑞,袁迎曙,朱輝,劉明,蔣連接.鋼筋非均勻銹脹力的理論分析[J].徐州工程學(xué)院學(xué)報(bào),2008,4.[4]牟艷君.混凝土內(nèi)鋼筋銹脹效應(yīng)和預(yù)測(cè)模型研究[D].中國(guó)礦業(yè)大學(xué),2006.[5]高妍.混凝土內(nèi)鋼筋銹蝕初期行為研究