高等混凝土结构理论外文读书笔记

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江苏科技大学土木工程与建筑学院

研 究 生 读 书 报 告

题 目： 非均匀锈蚀对钢筋混凝土结构开裂和使用寿命的影响 Effects of non-uniform corrosion on the cracking and service life of reinforced concrete structures 作 者： Bong Seok Jang , Byung Hwan Oh 期 刊： Cement and Concrete Research 40(2010)1441—1450 学 科： 高等混凝土结构理论

学生姓名： 陈小健 指导教师： 吴庆 报告日期： 2012.05.15 报告形式： 书面

二0一二年五月

在不同阶段的学习过程中，尤其是研究生阶段，阅读一定量的国外期刊文献，对于个人了解与本专业相关的国外热点问题和前沿信息是很有帮助的。结合《高等混凝土结构理论》课程的特点和本人的研究方向，有针对性地选取了《Cement and Concrete Research》杂志2010版上收录的一篇题为Effects of non-uniform corrosion on the cracking and service life of reinforced concrete structures的文章，并从以下几方面对这篇外文做简要的介绍。

一、作者简介

本文第一、第二作者分别为韩国水环境研究所和韩国国立首尔大学的研究人员。他们长期从事混凝土结构耐久性方面的研究，并取得了丰硕的成果。

二、写作目的

本文研究的目的在于探讨非均匀锈蚀对于混凝土保护层开裂的影响。研究非均匀锈蚀的分布（α）、保护层厚度与钢筋直径的比值（c/d）以及混凝土的抗压强度（fc）等因素对混凝土保护层开裂压力（Pcr）的影响。并探讨了非均匀锈蚀对于混凝土结构使用寿命的影响。

三、主要观点

1.在非均匀锈蚀情况下（α=4~8）引起混凝土保护层开裂的压力要比均匀锈蚀情况下小的多。也就是说，根据非均匀锈蚀分布情况，开裂压力减少到40%~60%。这就意味着钢筋外表面的局部锈蚀以相对较小的膨胀力就能造成混凝土保护层的失效。从González et al[1]的试验中可知，在自然情况下α（非均匀锈蚀程度）的值在4到8之间变化。

2.就α（非均匀锈蚀程度）的值而言，对于不同的保护层厚度与钢筋直径的比值c/d，得到由钢筋锈蚀引起的混凝土保护层开裂压力回归公式。

Pcr?1.585??0.50 Pcr?3.303??0.45?0.40? Pcr?6.703当c/d?0.5时当c/d?1.0时当c/d?2.0时 (3－1) (3－2) (3－3)

3.目前的研究表明，由于锈蚀膨胀引起混凝土保护层开裂的压力大小随着保护层厚度的增加而增加，几乎与保护层厚度和钢筋直径的比值c/d线性成比例。

Pcr?2.845(c/d)1.05当??1时当??4时 (3－4) (3－5)

Pcr?1.693(c/d)1.114.随着钢筋直径的增加，混凝土保护层开裂压力略有减小。然而，研究发现，钢筋直径对于由钢筋锈蚀引起的混凝土开裂压力的影响是非常小的。

5.随着混凝土强度的增加，混凝土保护层的开裂压力增大。对于不同α（非均匀锈蚀程度）值，开裂压力回归公式是根据混凝土抗压强度推导而来的。同时，这里的开裂

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压力与抗压强度之间存在着很好的相关性。

6.目前的分析结果与混凝土保护层开裂压力的测试数据比较。证实了目前的分析结果与测试数据相一致。

7.最后，讨论了非均匀锈蚀对于混凝土结构使用寿命的影响。指出了均匀锈蚀的简单假设可能会导致使用寿命的估计偏于不保守。

四、基本模型

4.1基于摩尔-库伦破坏准则和Hillerborg材料非线性模型

对于混凝土模型，使用了八节点的平面应变单元。对于混凝土抗压强度机理，利用莫尔-库伦失效模型中的粘聚力c表示，计算如下。 c?1?sin?2cos? (4－1)

这里的?为30℃时混凝土的内摩擦角。对于拉伸机理，弥散裂缝概念应用于混凝土

（1??侧/fc）中的最小值，裂缝将会构件开裂模型。如果主拉应力超过了抗拉强度ft与ft出现，这里的侧向主应力?侧考虑双轴应力的影响。混凝土的直接抗拉强度ft也能从等式（6）、（7）中的劈裂抗拉强度fsp和抗压强度fc得到。

fc?0.9fspMpa (4－3)

fsp?0.2fc0.7Mpa (4－2) 对于拉伸软化、双线性拉伸软化模型依照Hillerborg使用，如图1所示。断裂能的值可以合理地假定为100N/m，这在目前的混凝土分析中是一个典型值。

图1. 混凝土双线性拉伸软化曲线

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4.2基于牛顿-拉夫森迭代法和弧长法的非线性分析模型

为了分析荷载与位移之间的非线性关系，需要一个增量迭代求解过程。基于内能平衡是在每次增量过程中反复得到的。在这项研究中，收敛准则可以看作是两次连续负载级与偏差之间的内能之比，即收敛准则赋值为1×10-2。迭代计算会不断的重复直到内部平衡条件满足以及收敛性达到为止。常规的牛顿-拉夫森迭代法应用于每次刚度矩阵计算的迭代过程。图2（a）阐述了常规的牛顿-拉夫森迭代法的迭代过程。然而，对于施加最大载荷水平后的下降部分，牛顿-拉夫森迭代法无法找到下一个载荷水平。因此，在这些区域利用弧长法，如图2（b）所示。在每一步中使用预定的弧长，这种方法有可能找到下一个负载级。有了这种路径跟踪技术，可以合理地研究下降部分的峰值。

图2. 非线性分析的解决方法

五、评价

目前虽然有一些学者研究了钢筋锈胀现象，但大都不能揭示锈蚀物产生、发展的机理。在对锈蚀膨胀的力学研究过程中，他们通常将锈蚀层简化为规则的形状模型，且多假定为圆形，即假定钢筋为均匀锈蚀，认为锈胀力在同一截面是均匀的。

而本文作者打破了以往一些学者停留在均匀锈蚀层面上的研究，而是从非均匀锈蚀的角度出发，建立了非均匀锈蚀的力学模型，得出了混凝土保护层开裂压力的回归公式，并将分析结果与威廉姆森和克拉克[2]的试验数据进行了比较，验证了其分析结果的合理性。

目前，国内也有部分学者对基于钢筋非均匀锈蚀膨胀引起的混凝土保护层开裂问题进行了研究，研究方法主要集中在理论推导、数值分析、有限元模拟和试验研究这几个方面，并取得了一定的研究成果。

①理论推导

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