本發(fā)明涉及橋梁劣化分析領(lǐng)域，特別是涉及一種碳化環(huán)境下開(kāi)裂鋼筋混凝土梁銹蝕劣化分析方法。

背景技術(shù)：

1、鋼筋混凝土梁在鐵路、公路及民用建筑中應(yīng)用廣泛，碳化環(huán)境下鋼筋混凝土梁的銹蝕劣化是一類(lèi)最為普遍的耐久性病害，對(duì)結(jié)構(gòu)服役性能及使用壽命具有重要影響。

2、在碳化環(huán)境下，大氣中的酸性氣體二氧化碳會(huì)通過(guò)混凝土的孔隙不斷侵入梁體內(nèi)部，與內(nèi)部堿性物質(zhì)發(fā)生碳化反應(yīng)使得梁體內(nèi)的堿性降低，造成鋼筋表面的鈍化膜被破壞，繼而發(fā)生電化學(xué)銹蝕。鋼筋混凝土梁設(shè)計(jì)中，一般在鋼筋外圍設(shè)置一定厚度的混凝土保護(hù)層，確保壽命期內(nèi)的碳化深度不超過(guò)混凝土保護(hù)層厚度，以保護(hù)鋼筋不發(fā)生銹蝕。然而，由于鋼筋混凝土梁正常使用階段通常處于帶裂縫工作狀態(tài)，裂縫為二氧化碳、氧氣及水分等物質(zhì)提供了加速侵蝕通路，造成裂縫處混凝土碳化及鋼筋銹蝕進(jìn)程提前。鋼筋銹蝕引起的有效面積降低、粘結(jié)退化以及銹脹作用會(huì)引起梁體裂縫的進(jìn)一步發(fā)展，裂縫發(fā)展又將加速環(huán)境侵蝕及鋼筋銹蝕進(jìn)程，碳化環(huán)境侵蝕與裂縫發(fā)展之間存在顯著的耦合作用特征。

3、目前，一般采用經(jīng)驗(yàn)公式方法對(duì)鋼筋混凝土梁的碳化深度及鋼筋銹蝕率直接評(píng)估，沒(méi)有考慮裂縫狀態(tài)對(duì)混凝土碳化和鋼筋銹蝕的影響，對(duì)于開(kāi)裂混凝土梁的銹蝕劣化評(píng)估不準(zhǔn)確。在仿真分析模型方面，當(dāng)前一般采用帶有“預(yù)設(shè)裂縫”的二維局部模型來(lái)分析開(kāi)裂對(duì)混凝土碳化深度的影響，主要有兩方面不足：1)僅考慮了裂縫對(duì)環(huán)境侵蝕的單向影響，未能考慮環(huán)境侵蝕與裂縫發(fā)展之間的耦合作用；2)僅可用于混凝土梁截面的局部分析，無(wú)法對(duì)整體梁結(jié)構(gòu)的銹蝕劣化進(jìn)行分析。現(xiàn)有仿真分析方法難以反應(yīng)碳化環(huán)境下鋼筋混凝土梁裂縫發(fā)展與環(huán)境侵蝕之間的耦合作用關(guān)系，評(píng)估結(jié)果與實(shí)際情況存在差別。

4、現(xiàn)需一種碳化環(huán)境下開(kāi)裂鋼筋混凝土梁銹蝕劣化分析方法解決上述問(wèn)題。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本發(fā)明是為了解決現(xiàn)有技術(shù)中一般采用經(jīng)驗(yàn)公式方法對(duì)鋼筋混凝土梁的碳化深度及鋼筋銹蝕率直接評(píng)估，沒(méi)有考慮裂縫狀態(tài)對(duì)混凝土碳化和鋼筋銹蝕的影響，對(duì)于開(kāi)裂混凝土梁的銹蝕劣化評(píng)估不準(zhǔn)確；在仿真分析模型方面，當(dāng)前一般采用帶有“預(yù)設(shè)裂縫”的二維局部模型來(lái)分析開(kāi)裂對(duì)混凝土碳化深度的影響，主要有兩方面不足：僅考慮了裂縫對(duì)環(huán)境侵蝕的單向影響，未能考慮環(huán)境侵蝕與裂縫發(fā)展之間的耦合作用；僅可用于混凝土梁截面的局部分析，無(wú)法對(duì)整體梁結(jié)構(gòu)的銹蝕劣化進(jìn)行分析?，F(xiàn)有仿真分析方法難以反應(yīng)碳化環(huán)境下鋼筋混凝土梁裂縫發(fā)展與環(huán)境侵蝕之間的耦合作用關(guān)系，評(píng)估結(jié)果與實(shí)際情況存在差別的問(wèn)題，提供了一種碳化環(huán)境下開(kāi)裂鋼筋混凝土梁銹蝕劣化分析方法，解決了上述問(wèn)題。

2、本發(fā)明提供了一種碳化環(huán)境下開(kāi)裂鋼筋混凝土梁銹蝕劣化分析方法，包括以下步驟：

3、s1、設(shè)鋼筋混凝土梁總服役時(shí)間為t年，以dt年為時(shí)間間隔將總服役時(shí)間t劃分為n段，得到計(jì)算時(shí)間點(diǎn)序列ti(i＝0～n)，滿(mǎn)足ti+1＝ti+dt；

4、s2、建立鋼筋混凝土梁荷載場(chǎng)實(shí)體有限元模型，計(jì)算ti時(shí)間點(diǎn)梁體在荷載作用下的裂縫分布及寬度，計(jì)算裂縫寬度場(chǎng)變量field_crack；

5、s3、建立混凝土梁二氧化碳擴(kuò)散場(chǎng)分析模型，導(dǎo)入ti時(shí)間點(diǎn)的裂縫寬度場(chǎng)變量field_crack，計(jì)算輸出ti+dt時(shí)間末混凝土梁的碳化場(chǎng)變量field_carbon；

6、s4、建立鋼筋混凝土梁氧氣擴(kuò)散場(chǎng)分析模型，導(dǎo)入裂縫寬度場(chǎng)變量field_crack和碳化場(chǎng)變量field_carbon，計(jì)算輸出ti+dt時(shí)間末的鋼筋銹蝕場(chǎng)變量field_corr；

7、s5、判斷計(jì)算時(shí)間點(diǎn)是否達(dá)到總服役時(shí)間為t，若是則進(jìn)行步驟s7，否則進(jìn)行步驟s6；

8、s6、更新計(jì)算時(shí)間點(diǎn)ti+1＝ti+dt，以前一時(shí)間點(diǎn)的模型計(jì)算結(jié)果為初始狀態(tài)，進(jìn)行步驟s2；

9、s7、提取鋼筋混凝土梁服役時(shí)間0～t內(nèi)各計(jì)算時(shí)間點(diǎn)的變形及裂縫結(jié)果，得到梁體變形及裂縫劣化規(guī)律。

10、本發(fā)明所述的一種碳化環(huán)境下開(kāi)裂鋼筋混凝土梁銹蝕劣化分析方法，作為優(yōu)選方式，步驟s2具體包括：

11、構(gòu)建裂縫分析模型，裂縫分析模型包括混凝土實(shí)體單元、鋼筋桿單元和鋼筋銹脹層單元；

12、混凝土實(shí)體單元采用三維八節(jié)點(diǎn)實(shí)體單元模擬，計(jì)算混凝土受拉本構(gòu)關(guān)系方程，公式如下：

13、

14、計(jì)算裂縫寬度，公式如下：

15、wcr＝(εc-εe)·le；

16、其中，ec為混凝土彈性模量，εc為混凝土拉應(yīng)變，εcr為混凝土峰值拉應(yīng)變，εe為混凝土彈性拉應(yīng)變，σc為混凝土拉應(yīng)力，ft為混凝土抗拉強(qiáng)度，wcr為混凝土裂縫寬度，le為開(kāi)裂方向混凝土單元特征長(zhǎng)度；

17、鋼筋桿單元采用兩節(jié)點(diǎn)桿單元模擬，單元截面屬性根據(jù)實(shí)際鋼筋橫截面面積賦值；

18、在單元積分點(diǎn)處定義場(chǎng)變量子程序，根據(jù)鋼筋銹蝕率計(jì)算并施加有效面積折減系數(shù)；

19、鋼筋銹脹層單元根據(jù)實(shí)際鋼筋的位置和尺寸，采用cohesive單元建模；

20、鋼筋截面劃分為4個(gè)單元，在截面圓心處共節(jié)點(diǎn)；以鋼筋長(zhǎng)度方向?yàn)檩S向、鋼筋外表面法線(xiàn)方向?yàn)榉ㄏ?，單元軸向剛度取為0，法向及切向剛度按照鋼筋彈模取值；

21、在單元法向定義膨脹子程序，根據(jù)鋼筋銹蝕率計(jì)算并施加膨脹應(yīng)變；在單元切向定義場(chǎng)變量子程序，根據(jù)鋼筋銹蝕率計(jì)算并施加剪切模量折減系數(shù)；

22、將鋼筋桿單元與鋼筋銹脹層單元的內(nèi)部節(jié)點(diǎn)設(shè)置嵌入式連接，鋼筋銹脹層單元的外部節(jié)點(diǎn)與混凝土實(shí)體單元設(shè)置嵌入式連接；

23、設(shè)置靜力分析步，在鋼筋混凝土梁實(shí)體單元模型上施加荷載，求解得到單元拉應(yīng)變，通過(guò)混凝土實(shí)體單元計(jì)算混凝土梁實(shí)體單元的裂縫寬度，輸出混凝土梁實(shí)體單元的裂縫寬度結(jié)果wcr到裂縫寬度場(chǎng)變量，記為field_crack；

24、裂縫寬度場(chǎng)變量數(shù)據(jù)包括：?jiǎn)卧幪?hào)、積分點(diǎn)編號(hào)、積分點(diǎn)坐標(biāo)、裂縫寬度。

25、本發(fā)明所述的一種碳化環(huán)境下開(kāi)裂鋼筋混凝土梁銹蝕劣化分析方法，作為優(yōu)選方式，步驟s3具體包括以下步驟：

26、根據(jù)實(shí)際混凝土梁的幾何尺寸采用實(shí)體單元進(jìn)行二氧化碳擴(kuò)散場(chǎng)分析模型建模，單元類(lèi)型為三維8節(jié)點(diǎn)傳遞單元；

27、在單元積分點(diǎn)處usdfld場(chǎng)變量子程序，讀取裂縫寬度場(chǎng)變量field_crack計(jì)算單元各積分點(diǎn)處擴(kuò)散效應(yīng)的放大倍數(shù)f(wcr)，公式如下：

28、

29、其中，le為單元特征長(zhǎng)度，κ為裂隙擴(kuò)散系數(shù)與混凝土內(nèi)擴(kuò)散系數(shù)的比值，取κ＝1000；

30、根據(jù)混凝土材料配合比參數(shù)，對(duì)單元賦予擴(kuò)散系數(shù)材料屬性，計(jì)算混凝土孔隙率εp，公式如下：

31、

32、其中，w單位體積混凝土水含量(kg/m3)、ρw為水密度(kg/m3)、c為單位體積混凝土水泥含量(kg/m3)、ρc為水泥密度(kg/m3)；

33、根據(jù)混凝土孔隙率εp計(jì)算單元積分點(diǎn)處二氧化碳的擴(kuò)散系數(shù)dco2，公式如下：

34、

35、其中，rh為環(huán)境相對(duì)濕度(％)；

36、在混凝土梁與大氣的接觸面上施加二氧化碳濃度邊界cco2，采用質(zhì)量擴(kuò)散模塊進(jìn)行分析，設(shè)定擴(kuò)散總時(shí)長(zhǎng)為dt，計(jì)算dt擴(kuò)散時(shí)間內(nèi)混凝土梁體內(nèi)的二氧化碳擴(kuò)散通量與濃度分布；

37、提取dt時(shí)間內(nèi)各單元積分點(diǎn)處的累積擴(kuò)散通量jco2(tc)，計(jì)算碳化程度指標(biāo)ic，公式如下：

38、

39、若ic>1時(shí)，則將完全碳化時(shí)間tc存儲(chǔ)為碳化場(chǎng)變量field_carbon；否則，不將完全碳化時(shí)間tc存儲(chǔ)為碳化場(chǎng)變量field_carbon；

40、碳化場(chǎng)變量field_carbon的數(shù)據(jù)包括：?jiǎn)卧幪?hào)、積分點(diǎn)編號(hào)、積分點(diǎn)坐標(biāo)、完全碳化時(shí)間tc。

41、本發(fā)明所述的一種碳化環(huán)境下開(kāi)裂鋼筋混凝土梁銹蝕劣化分析方法，作為優(yōu)選方式，步驟s4具體包括：

42、建立氧氣擴(kuò)散場(chǎng)分析模型，氧氣擴(kuò)散場(chǎng)分析模型包括混凝土單元和鋼筋單元，混凝土梁和鋼筋均根據(jù)實(shí)際幾何尺寸采用實(shí)體單元建模，鋼筋單元內(nèi)置于混凝土單元內(nèi)；

43、在單元積分點(diǎn)處usdfld場(chǎng)變量子程序，讀取裂縫寬度場(chǎng)變量field_crack賦予混凝土單元，計(jì)算單元各積分點(diǎn)處擴(kuò)散效應(yīng)的放大倍數(shù)f(wcr)；讀取碳化場(chǎng)變量field_carbon，采用近鄰坐標(biāo)映射方法賦予鋼筋單元；

44、根據(jù)混凝土材料配合比參數(shù)，對(duì)混凝土單元賦予擴(kuò)散系數(shù)材料屬性，計(jì)算單元積分點(diǎn)處氧氣的擴(kuò)散系數(shù)do2，公式如下：

45、

46、在混凝土梁體與大氣的接觸面上施加氧氣濃度邊界co2,s，采用質(zhì)量擴(kuò)散模塊進(jìn)行分析，設(shè)定擴(kuò)散總時(shí)長(zhǎng)為dt，計(jì)算ti～ti+dt時(shí)間內(nèi)鋼筋單元內(nèi)積分點(diǎn)處的氧氣濃度co2(t)；

47、在鋼筋單元積分點(diǎn)處，計(jì)算混凝土電阻率r，公式如下：

48、r＝100(1-rh)2+40；

49、根據(jù)混凝土電阻率r計(jì)算銹蝕電流強(qiáng)度i(t)，公式如下：

50、

51、在鋼筋單元積分點(diǎn)處，計(jì)算鋼筋體積銹蝕率γ，公式如下：

52、

53、其中，a為fe元素的原子量取a＝56g/mol，z為腐蝕電極鐵的價(jià)階(z＝2)，f為faraday常數(shù)取f＝96500c/mol，ρ為鋼筋密度取ρ＝7.86×10-3g/mm3，r為鋼筋截面半徑(mm)；

54、在鋼筋單元積分點(diǎn)處，計(jì)算鋼筋有效面積折減系數(shù)κr，公式如下：

55、κr＝1-αγ；

56、計(jì)算鋼筋與混凝土間粘結(jié)劣化系數(shù)κp，公式如下：

57、

58、計(jì)算鋼筋銹脹應(yīng)變?chǔ)舊，公式如下：

59、

60、其中，α為銹蝕產(chǎn)物的體積膨脹系數(shù)，取值范圍為α＝2～4；

61、存儲(chǔ)鋼筋銹蝕場(chǎng)變量，記為field_corr，鋼筋銹蝕場(chǎng)變量數(shù)據(jù)包括：?jiǎn)卧幪?hào)、積分點(diǎn)編號(hào)、積分點(diǎn)坐標(biāo)、有效面積折減系數(shù)κr、粘結(jié)劣化系數(shù)κp、鋼筋銹脹應(yīng)變?chǔ)舊。

62、本發(fā)明所述的一種碳化環(huán)境下開(kāi)裂鋼筋混凝土梁銹蝕劣化分析方法，作為優(yōu)選方式，步驟s6具體包括：

63、對(duì)荷載場(chǎng)裂縫分析模型，以ti時(shí)間點(diǎn)荷載場(chǎng)裂縫分析模型的結(jié)果為初始狀態(tài)，設(shè)置重啟動(dòng)分析；讀取鋼筋銹蝕場(chǎng)變量field_corr，將κr賦予鋼筋桿單元考慮銹蝕引起的有效面積折減，將κp賦予銹脹層單元考慮銹蝕引起的界面粘結(jié)退化，將εf賦予銹脹層單元考慮銹蝕引起膨脹變形；更新輸出考慮鋼筋銹蝕效應(yīng)后的裂縫寬度場(chǎng)變量field_crack；

64、對(duì)二氧化碳擴(kuò)散場(chǎng)分析模型，以ti+dt時(shí)間末二氧化碳濃度分布結(jié)果為初始狀態(tài)，設(shè)置重啟動(dòng)分析；讀取更新后的裂縫寬度場(chǎng)變量field_crack，更新輸出dt時(shí)間增量后的混凝土碳化場(chǎng)變量field_carbon；

65、對(duì)氧氣擴(kuò)散場(chǎng)分析模型，以ti+dt時(shí)間末氧氣濃度及鋼筋銹蝕率結(jié)果為初始狀態(tài)，設(shè)置重啟動(dòng)分析；讀取更新后的裂縫寬度場(chǎng)變量field_crack和混凝土碳化場(chǎng)變量field_carbon，更新輸出dt時(shí)間增量后的鋼筋銹蝕場(chǎng)變量field_corr。

66、本發(fā)明有益效果如下：

67、1)本發(fā)明分析方法可實(shí)現(xiàn)對(duì)碳化環(huán)境與梁體張開(kāi)裂縫之間的強(qiáng)耦合作用及依時(shí)動(dòng)態(tài)變化的綜合考慮，梁體張開(kāi)裂縫對(duì)二氧化碳及氧氣的加速擴(kuò)散效應(yīng)、鋼筋銹蝕帶來(lái)的梁體裂縫發(fā)展，與鋼筋混凝土梁的實(shí)際劣化情況更相符；

68、2)本發(fā)明相較于現(xiàn)有截面局部分析方法，能夠更好地考慮梁結(jié)構(gòu)整體受力特征，可直接得到結(jié)構(gòu)整體變形、裂縫等宏觀性能指標(biāo)，對(duì)于結(jié)構(gòu)整體性能劣化評(píng)估更準(zhǔn)確、方便。