钢筋混凝土界面损伤研究

基于断裂力学的钢筋混凝土保护层锈胀开裂探讨摘要：本文基于钢筋均匀锈蚀时混凝土的开裂实验现象建立了混凝土保护层开裂的计算模型，考虑了混凝土和钢筋的实际变形情况以及混凝土界面中的原始裂纹与缺陷，裂纹在钢筋锈蚀膨胀作用下的起裂、扩展情况，利用断裂力学和弹性力学得到了混凝土保护层开裂时钢筋膨胀力和均匀锈蚀率的理论预测模型。

分析了影响钢筋锈胀开裂的诸多因素，认为混凝土保护层厚度的增加、混凝土材料界面相的加强、混凝土断裂韧度的提高和钢筋直径的变小都有利于钢筋混凝土耐久性的提升。

关键词：混凝土保护层；钢筋锈蚀率；断裂力学；弹性力学；锈胀开裂中图分类号：tu37文献标识码：a文章编号：1 研究背景钢筋混凝土结构的耐久性失效最主要的表现形式为钢筋锈蚀引起的结构破坏。

在美国，因各种锈蚀造成的损失为700多亿美元，其中混凝土中钢筋锈蚀造成的损失约占40%。

钢筋锈蚀后其锈蚀产物的体积是原有体积的2-4倍，对钢筋周围的混凝土产生挤压，随着钢筋锈蚀程度的加剧，混凝土保护层受拉开裂。

保护层一旦开裂将会加速钢筋的锈蚀，进一步加剧裂缝的扩展导致结构破坏，严重影响混凝土结构的耐久性，因此研究钢筋锈蚀引起的混凝土保护层开裂具有重要的工程实际意义。

现有的模型多以混凝土抗拉强度作为保护层开裂判断条件，很少考虑混凝土保护层中存在的初始裂纹和初始缺陷。

实际上，受干缩、温度等因素的影响，在承受荷载之前混凝土内部，特别是骨料和水泥砂浆界面上就存在着初始裂纹。

对于混凝土的开裂，断裂力学是一种有效工具。

国内曾尝试利用无限介质中的孔边双裂纹模型来预测钢筋锈蚀的膨胀力,但其裂纹构型和混凝土基体无限介质假设与实际保护层尺寸和锈胀开裂试验现象之间还存有差别。

本文以均匀锈胀开裂试验现象为依据根据保护层有限体中的应力分布和最终裂缝状态利用断裂力学和弹性理论建立混凝土保护层锈胀开裂时刻的锈胀力和临界锈蚀率预测模型。

2 模型的建立2.1 混凝土锈胀开裂的断裂模型研究海洋环境下混凝土中钢筋锈蚀的物理模型时指出:当钢筋间距较大时,混凝土保护层沿顺钢筋方向胀裂；当保护层厚度较大时，混凝土保护层沿着平行于钢筋层面方向开裂。

钢筋混凝土粘结滑移研究综述钢筋混凝土粘结滑移是混凝土结构设计中的重要问题之一，它直接影响到结构的承载力、耐久性和安全性。

本文总结了近年来相关学者针对钢筋混凝土粘结滑移开展的研究成果，介绍了钢筋混凝土粘结滑移的定义、影响因素、测量方法和应用前景等。

钢筋混凝土是一种由钢筋和混凝土两种材料组成的复合材料。

由于钢筋和混凝土之间存在的物理和化学差异，使得它们在受力过程中容易产生粘结滑移现象。

粘结滑移不仅会降低结构的承载能力，还会导致结构的安全性下降。

因此，对钢筋混凝土粘结滑移进行深入研究具有重要的理论和实践意义。

钢筋混凝土粘结滑移是指钢筋与混凝土之间的界面发生相对滑动，导致钢筋无法充分发挥其强度，从而影响到结构的承载能力和安全性。

粘结滑移的影响因素主要包括：材料的物理和化学性质。

如钢筋的直径、表面状态、碳化程度，混凝土的强度、致密性、含水量等。

结构设计及施工因素。

如钢筋的布置、锚固长度、混凝土的养护等。

国内外相关学者提出了多种概念和假说，如化学吸附理论、机械锚固理论、界面滑动理论等，这些理论在一定程度上解释了粘结滑移的产生和发展过程。

钢筋混凝土粘结滑移的测量方法包括传统测量方法和数字测量方法。

传统测量方法主要有拔出试验、贯入试验和剪切试验等，数字测量方法主要有光纤Bragg光栅传感器、电阻应变片传感器和激光多普勒测速仪等。

各种方法的优缺点比较如下：传统测量方法操作简单，但精度较低，且无法进行实时监测。

数字测量方法精度较高，可进行实时监测，但操作复杂，成本较高。

钢筋混凝土粘结滑移在工程实践中有广泛的应用前景。

在现有结构加固和维护中，粘结滑移的研究可以为加固方案的选择和优化提供理论支持。

在新型材料和结构设计中，通过对粘结滑移的深入了解，可以更好地指导材料和结构设计，提高结构的安全性和耐久性。

未来，钢筋混凝土粘结滑移的研究将更加注重实时监测、预测和控制的方面，实现结构的安全性和耐久性的有效保障。

本文对钢筋混凝土粘结滑移的研究进行了综述，总结了近年来相关学者在此问题上的研究成果。

ABAQUS混凝土损伤塑性模型的静力性能分析一、本文概述混凝土作为一种广泛使用的建筑材料，在土木工程中占据了重要地位。

然而，混凝土在受力过程中会出现损伤和塑性变形，这对其静力性能产生显著影响。

为了更深入地理解混凝土的力学行为，并对工程实践提供指导，本文将对ABAQUS中的混凝土损伤塑性模型进行详细分析。

本文首先简要介绍了混凝土材料的特性以及其在工程中应用的重要性。

接着，阐述了混凝土在受力过程中的损伤和塑性变形的机制，为后续分析提供理论基础。

随后，重点介绍了ABAQUS中的混凝土损伤塑性模型，包括模型的基本假设、控制方程以及参数的选取。

在此基础上，本文通过实例分析了该模型在静力性能分析中的应用，包括模型的建立、加载过程以及结果的后处理。

本文旨在通过理论分析和实例验证，展示ABAQUS混凝土损伤塑性模型在静力性能分析中的有效性和实用性。

通过本文的研究，读者可以对混凝土的力学行为有更深入的理解，并掌握使用ABAQUS进行混凝土静力性能分析的方法。

这对于提高混凝土结构设计的准确性、优化施工方案以及保证工程安全具有重要意义。

二、混凝土损伤塑性模型理论混凝土作为一种复杂的多相复合材料，其力学行为受到内部微观结构、加载条件以及环境因素等多重影响。

在静力性能分析中，混凝土表现出的非线性、弹塑性以及损伤特性使得对其行为进行准确模拟成为一项挑战。

ABAQUS软件中的混凝土损伤塑性模型（Concrete Damaged Plasticity Model）旨在提供一种有效的工具，用以描述混凝土在静载作用下的力学响应。

混凝土损伤塑性模型是一种基于塑性理论和损伤力学的本构模型，它结合了塑性应变和损伤因子来描述混凝土的力学行为。

在模型中，损伤被视为一种不可逆的退化过程，通过引入损伤变量来反映材料内部微裂缝的扩展和累积。

这些损伤变量在加载过程中逐渐增大，导致材料的刚度降低和承载能力下降。

该模型通过引入两个独立的损伤变量，分别模拟混凝土在拉伸和压缩状态下的损伤演化。

基于 NDTs的 FRP混凝土复合结构损伤检测综述摘要：FRP复合材料与混凝土之间的脱粘会造成应力传递的损失，从而降低钢筋结构的承载能力。

为了保证FRP混凝土复合结构的可靠性，不仅要改善复合结构的粘结性能，还需要对粘结条件进行提前检测。

NDTs（无损检测技术）具有无损、全面、兼容、实时等特点，可以对这些连接条件进行检测和评价。

目前，用于检测FRP混凝土复合结构损伤的无损检测方法主要为声发射（AE）监测方法、超声波检测方法、光纤传感方法、微波检测方法、红外热像技术和数字图像相关技术（DIC）。

本文将综述NDTs的方法、现有工作和功能。

检测能力包括FRP混凝土复合结构损伤的类型、位置、尺寸和深度或程度。

关键词：FRP；钢筋混凝土结构；NDTs（无损检测技术）1无损检测技术的应用1.1声发射检测技术声发射（AE）监测作为一种接触检测技术，其原理是:FRP混凝土复合结构在受力状态下，一旦发生新的断裂、裂纹、脱粘等破坏，结构将处于另一种应力平衡状态。

在此过程中，结构将通过变形的全部或部分恢复来释放应变能。

这种应变能将以瞬态弹性波的形式从损伤部位传播到结构内部的周围环境。

压电换能器等传感器可以接收弱弹性波，并将其转换为声发射信号。

最后，根据波动理论对损伤部位和损伤程度进行评估。

通常，声发射监测使用直接分析损伤信号，如振幅、声发射信号、声发射信号密度和累积能量，以确定结构的损伤。

这种方法适用于损伤较小的结构。

Ghiassi等人[1]在单搭接剪切粘结试验中研究了含GFRP条砌体的累积声发射能和累积声发射能与命中比。

结合试件最终的破坏模式，他们确定了潜在的脱粘破坏模式，包括内聚脱粘、纯粘接脱粘和内聚/粘接脱粘。

Dietal[2]对B/GFRP筋自密实混凝土进行了直接拉拔试验，他们发现声发射信号强度与粘结应力高度一致。

信号的波动代表了低能量释放的损伤。

此外，研究发现根据接收到的声发射信号的时间和传播速度以及基于声波轨迹数学分析的各种三角测量技术，实现了电子束发射技术中声发射命中的定位，并指出声发射监测定位的损伤取决于结构形式的复杂性和材料的非均匀性引起的信号衰减。

损伤力学从70年代逐渐发展起来,是固体力学中一个新的分支。

根据损伤理论,结构在加工成型的过程中,必然会在结构内部或表面产生微小的缺陷,即初始损伤。

这些初始损伤在外部因素的作用下会不断积累合并,材料性能不断劣化,结构出现宏观裂缝,最终导致结构断裂破坏。

钢筋混凝土材料是混凝土和钢筋的复合材料,由于前面原因,在混凝土内部及钢筋和混凝土的粘结面上必然存在微小的缺陷,也即在混凝土和钢筋的胶结面上存在损伤。

当其承受荷载时,这些微缺陷即界面粘结损伤继续积累发展,使得界面粘结性能劣化,粘结应力减小,导致结构承载力下降。

目前,研究人员己经建立多种混凝土损伤模型。

有关混凝土断裂的研究分为两类，一类是用断裂力学中的参量表示混凝土的断裂韧度特性，另一类则着重研究裂纹形态和断裂表面，以了解材料不均匀性对裂纹的影响。

混凝土裂纹几何形态远远不同于金属材料，其特点是：(1)有效裂纹的几何尺寸无法准确度量，因为混凝土断裂不再是单一裂纹的增长，而是众多裂纹的形成过程。

其有效裂纹面积大大高于单一裂纹面积。

（2）裂纹顶端的位置无法准确确定。

因为混凝土从微裂纹过渡到宏观裂纹，其间没有明显的区分点。

另外在断裂力学理论中，裂纹被理想化为具有光滑表面的几何断面，因而裂纹前沿的应力场具有奇异性，其奇异的阶数与材料的损伤理论有关。

由此可见，断裂力在工程应用中存在一定的局限性。

钢筋混凝土梁剪切破坏机理及影响因素研究摘要：钢筋混凝土构件在承受荷载时可能会发生剪切破坏，构件剪切破坏时较突然且危害巨大。

为避免发生剪切破坏而造成的灾难性后果，研究钢筋混凝土构件的剪切破坏机理就变得十分重要。

所以本文主要探讨钢筋混凝土梁剪切破坏机理以及影响因素。

关键词：钢筋混凝土构件；剪切破坏；抗剪承载力；引言：由于受到弯矩和剪力的共同作用，钢筋混凝土构件可能会在弯剪段发生沿斜截面的剪切破坏。

剪切破坏是一种脆性破坏，往往在破坏前没有明显的变形或其他预兆，具有较大的危险性。

在设计钢筋混凝土受弯构件的过程中，为了使构件在发生弯曲破坏之前不先发生剪切破坏，对构件的性能的研究就具有十分重要的意义。

而其中，受弯构件的斜截面抗剪承载力对于整个构件的抗震安全性能会产生显著影响。

1.剪切破坏机理钢筋混凝土梁开裂后至发生剪切破坏前，应力重分布随着荷载的增大而不断发展，其剪力传递机理也变得更加复杂，很难清晰地划分各影响因素所做贡献的比例。

ASCE-ACI 426 委员会提出的六种剪力传递机理为：①受压区未开裂混凝土传递的剪力；②界面传递的剪力，即骨料咬合或剪切摩擦作用；③纵向钢筋的销栓作用；④拱作用；⑤箍筋作用（仅为有腹筋梁）；⑥斜裂缝间混凝土的拉应力。

上述的几种作用机理中，除拱作用（arch action）外，其余均可统称为梁作用（beam action）。

1.影响抗剪强度因素混凝土受弯构件剪切破坏的影响因素众多，破坏形态复杂，主要影响因素有:剪跨比、混凝土强度、箍筋配筋率、纵筋配筋率、斜截面上的骨料咬合力、截面尺寸和形状，以及纵筋的销栓作用、纵筋的切断与弯起的影响、加载方式、荷载种类、轴向压力(拉力)、预应力的影响及支座的约束条件等。

2.1剪跨比在构件的任一截面上，弯曲裂缝的高度随弯矩的增大而增大。

因此，初裂抗剪强度Vcr随弯矩的增大而减小。

构件剪跨比越小，破坏时的平均剪应力越大。

这是因为构件越高，剪力就越容易通过压杆直接传递到支座。

混凝土受损的原因分析一、化学性因素1. 碳化：混凝土中的碳酸盐会与大气中的二氧化碳发生反应，形成碳酸盐，导致混凝土中钢筋锈蚀，从而引起混凝土开裂、脱落等问题。

2. 氯离子侵蚀：混凝土中的氯离子会侵蚀混凝土中的钢筋，使得钢筋生锈，进而导致混凝土开裂、强度下降。

3. 硫酸盐侵蚀：在含硫的环境中，硫酸盐会与混凝土中的水泥石发生化学反应，导致水泥石溶解，从而引起混凝土的破坏。

4. 酸雨侵蚀：由于工业排放和交通尾气等，大气中的酸性物质增多，与混凝土发生反应，导致混凝土表面产生腐蚀和侵蚀。

二、物理性因素1. 冻融循环：在寒冷气候中，混凝土受到冰冻和融化的交替影响，会导致混凝土中的水分结冰膨胀，从而引起混凝土的开裂、疏松等问题。

2. 热胀冷缩：混凝土在温度变化大的环境中，会因受热胀冷缩作用而发生裂缝、变形等问题。

3. 风沙侵蚀：在风沙环境中，风力和颗粒物会对混凝土表面进行侵蚀，导致混凝土表面磨损和剥落。

4. 振动影响：在交通等振动环境中，混凝土会因振动影响而发生裂缝、疲劳等问题。

1. 微生物侵蚀：在潮湿的环境中，混凝土会受到微生物的侵蚀，导致混凝土表面和内部产生腐蚀和破坏。

2. 植物生长：在混凝土缝隙中，植物的根系会生长，导致混凝土开裂和疏松。

四、施工质量及设计问题1. 配合比不合理：混凝土搅拌中水灰比、骨料比例等配合比不合理，造成混凝土强度不足、易裂、易开裂等问题。

2. 浇筑养护不当：混凝土浇筑和养护过程中，如未及时养护、养护环境不合理等问题，会导致混凝土强度下降和表面破损。

3. 钢筋保护不当：混凝土中的钢筋未得到有效的保护，会导致钢筋锈蚀，从而引起混凝土受损。

4. 设计问题：在混凝土结构设计中，如存在偏差、计算错误等问题，会导致混凝土受力不均匀、不合理等，进而引起混凝土受损问题。

基于abaqus中cohesive element 对钢筋混凝土粘结性能的研究摘要：考虑到钢筋与混凝土界面受力的复杂性，基于用来模拟三种裂缝和失效的零厚度界面单元，采用分离式模型，引入内聚力黏结模型，并以文献中的拉拔试验结果为参照，利用abaqus中cohesive element单元建立起钢筋拉拔试验的计算模型。

通过与文献中试验结果的比较，结果符合较好，验证了该计算模型的合理性。

关键词：钢筋混凝土粘结；拉拔试验；黏结单元；数值模拟0.引言混凝土结构中，钢筋与混凝土这两种材料之所以能够共同作用、承担外荷载，其中一个很重要的原因是混凝土硬化后与钢筋之间形成了良好的粘结。

尽管对粘结试验的研究已有一百多年的历史，国内外的学者发表了为数众多的试验和理论资料，但是由于影响粘结的因素很多破坏的机理复杂，以及试验技术方面的原因等，目前粘结问题还没有得到很好的解决。

关于粘结的机理还不能提出一套比较完整的、有充分论据的粘结滑移理论。

由于试验中存在诸多不确定性，数值模拟在钢筋混凝土粘结性能分析中也逐渐重视起来，自上世纪六十年代美国学者把有限元引入钢筋混凝土结构的分析以来，有限元已经成为对混凝土问题进行研究的一种典型的数值模拟方法，目前有限元模拟主要有以下三种分析模型：l)分离式模型；2)组合式模型；3)整体式模型。

由于整体式模型不能反映钢筋混凝土这种非均质材料的微观受力机理，而组合式模型假定钢筋与混凝土粘结可靠而不产生相对位移，这又与实际的微观机理不符，因此对粘结性能的研究只能采用分离式模型。

本文通过引入描述裂缝和断裂失效的界面单元，采用分离式模型，按空间轴对称的方法，引入cohesive element模型，利用通用有限元abaqus对文献中试验得到的荷载一位移曲线进行数值模拟。

1．界面单元1.1界面单元介绍基于界面相对位移和应力之间关系建立的的界面单元能够有效地模拟钢筋和混凝土界面的力学行为，对于钢筋和混凝土之间的界面，更为实用的操作是将界面单元视为零厚度界面单元，相应地，界面单元的本构关系用界面力一相对位移进行描述。

第24卷第9期 V ol.24 No.9 工 程 力 学 2007年 9 月 Sep. 2007 ENGINEERING MECHANICS122———————————————收稿日期：2006-02-01；修改日期：2006-05-06基金项目：国家自然科学基金项目(10472072)；辽宁省教育厅重大基础攻关计划基金项目(2005C035)作者简介：*沈新普(1963)，男，河北人，教授，博士，博导，从事岩石混凝土的损伤塑性理论与数值计算(E-mail: xinpushen@)； 王琛元(1983)，男，山东人，硕士生，从事材料与结构的ABAQUS 有限元计算(E-mail: ben_wangchy@)； 周 琳(1966)，女，江苏人，工程师，本科，从事计算固体力学(E-mail: linzhou@).文章编号：1000-4750(2007)09-0122-07一个钢筋混凝土损伤塑性本构模型及工程应用*沈新普1，王琛元2，周 琳1(1. 沈阳工业大学建筑工程学院，辽宁 沈阳 110023；2. 沈阳理工大学材料科学系，辽宁 沈阳 110168)摘 要：以ABAQUS 大型程序为平台，采用应变协调假设和强度等效假设，给出了一个描述钢筋混凝土材料与结构损伤塑性分析的本构模型。

这里的钢筋强化特性是通过定义强化了的拉伸塑性应力-应变曲线来实现的。

模型中的钢筋不再以独立的金属材料形式出现，而是被等效钢筋混凝土代表体元模型包含进去了，用拉伸应力-应变曲线峰值后区的硬化-软化强度曲线直接定义强化功能。

这个模型着重对ABAQUS 软件中给出的损伤塑性模型的拉伸强化-软化阶段的特性进行了完善。

采用试件受单向拉伸和简支梁受集中力载荷两个简单算例说明了模型的有效性。

最后该研究将这个模型用于一个受地表堆积载荷、土压力和地下水压力联合作用下的钢筋混凝土墙体结构的ABAQUS 有限元损伤塑性数值分析中。

关键词：塑性；钢筋混凝土；损伤；本构模型；ABAQUS ；代表体元 中图分类号：O342 文献标识码：AA DAMAGE PLASTIC CONSTITUTIVE MODEL FOR REINFORCEDCONCRETE AND ITS ENGINEERING APPLICATION*SHEN Xin-pu 1 , WANG Chen-yuan 2 , ZHOU Lin 1(1. College of Architectural Engineering, Shenyang University of Technology, Shenyang, Liaoning 110023, China;2. College of Material Engineering, Shenyang Polytechnic University, Shenyang, Liaoning 110026, China)Abstract: A damage-plastic constitutive model for reinforced concrete is proposed by applying a Representative Volume Element (RVE). Assumptions of strain harmony and equivalent strength are adopted. The property of reinforcement within the RVE is modeled by defining hardening-softening law of the stress-strain curve of the Representative Volume Element. And the Representative Volume Element is taken as a uniform continuum. The model proposed here has enriched the library of models for concrete under tension in ABAQUS software. For the purpose of validation, numerical examples of uniaxial tension and simple-supported beam under bending were presented. Application of the model to the elastoplastic damage analysis of an engineering structure of reinforced concrete under soil pressure and underground water pressure was carried out.Key words: plasticity; steel-bar-reinforced concrete; damage; constitutive model; ABAQUS; representativevolume element钢筋混凝土结构是目前土木工程中应用最普及的结构形式之一。