蚀坑位置对HRB400钢筋强度的影响分析

蚀坑位置对HRB400钢筋强度的影响分析

岳建军

中国南水北调集团水网水务投资有限公司

摘要：HRB400螺纹钢筋是水利工程混凝土结构中常用的钢筋，研究单个蚀坑位置对钢筋强度的影响，对进一步揭示锈蚀钢筋强度退化机理具有重要意义。本文采用ANSYS有限元软件分析了单蚀坑在HRB400螺纹钢筋的纵肋、横肋及基圆三种不同位置时，对其屈服强度和极限强度的影响。结果表明：较小的蚀坑发生在横肋时，对钢筋的屈服强度和极限强度几乎无影响，而整条横肋的退化虽然不影响钢筋的屈服强度，却会降低钢筋的极限强度；而蚀坑发生在钢筋基圆和纵肋时，会降低钢筋的屈服强度和极限强度，且蚀坑发生在钢筋基圆时，对两种强度影响更大。

关键字：螺纹钢筋；强度；蚀坑；纵肋；横肋；基圆

1引言

钢筋锈蚀不但会造成混凝土结构开裂，还会因锈蚀而造成自身强度的降低，进而影响结构的耐久性和承载力。锈蚀的普通钢筋会在其表面出现大量蚀坑，研究单个蚀坑位置对钢筋强度的影响，对进一步揭示锈蚀钢筋强度退化机理具有重要意义。

HRB400 螺纹钢筋是混凝土结构中常用的一种钢筋，由纵肋、横肋以及钢筋基圆三部分组成的，其锈蚀形态与光圆钢筋有一定的区别。文献[1]提到形态相似的蚀坑在钢筋的基圆、纵肋、横肋上对其力学性能的影响是不一样的，但就在各位置的影响程度并没有明确说明。有限元方法是分析钢筋蚀坑影响的重要方法。一些学者[2-4]对钢筋进行了有限元坑蚀模拟，然而在研究坑蚀对螺纹钢筋力学性能的影响时，都为了建模方便，将螺纹钢筋等效为圆柱体模型进行研究，没有考虑不同位置的蚀坑对钢筋力学性能的影响。为此，本文有必要采用有限元软件分析蚀坑在螺纹钢筋不同位置时，对其力学性能的影响。

2有限元模型介绍

本文采用ANSYS有限元软件进行分析，所选单元为SOLID95三维实体元。对于本构关系，已有文献[2-5]都采用三折线等向强化MISO的弹塑性本构关系，该模型采用等向强化的Mises屈服准则，可用于金属塑性的大变形情况，我国混凝土结构设计规范[6]对于有明显屈服点的钢筋也建议可采用三折线本构关系，因此本文对HRB400钢筋采用该模型，其中弹性模量为E=2.0×105MPa，弹性应变为εy=0.002，屈服应力σb=400MPa，屈服应变为εuy=0.029，极限应力为σs=540MPa，极限应变为εu=0.133。本次建模螺纹钢筋的公称直径为16mm，根据螺纹钢筋未锈蚀的形状，并结合规范[7]对带肋钢筋的尺寸规定进行模拟仿真，模型长度为90mm。

3蚀坑位置对钢筋强度的影响

3.1蚀坑位置对屈服强度的影响

由于钢筋在屈服前一直处于弹性阶段，研究蚀坑位置对屈服强度的影响，只需研究其在弹性阶段对钢筋整体效应的影响。对本模型划分网格后，一端固定，另一端施加0.01mm的位移，所得的VonMises应力云图如下图1所示。

图 1 施加0.01m位移时Von Mises应力分布（MPa)

从上图1可知，最大应力出现在约束位置处，这是由于局部应力集中造成的，模型整体上应力符合理论值22.2MPa。横肋上端钢筋的VonMises应力较小，可以推断如果蚀坑发生在该位置，则蚀坑对钢筋屈服强度的影响不大。然而横肋与钢筋基圆接触位置是截面突变位置，该位置处本身应力就较大，当蚀坑发生在该位置时，其对钢筋整体屈服强度的影响难以判断。纵肋的应力整体上与钢筋基圆应力相同，故可推测蚀坑发生在纵肋与发生在钢筋基圆上的力学影响相当。

为了验证上述猜想，采用ANSYS有限元中生死单位元命令，在横肋上端杀死一个单元，以模拟上端的小蚀坑，所得的VonMises应力如图2所示。从图2可知，蚀坑发生在横肋上端时，蚀坑附近并没有发生应力集中，其对钢筋的屈服强度的影响不大。

图2横肋上端出现蚀坑时的VonMises应力分布（MPa)

在横肋与钢筋基圆接触位置杀死一个单元后求解，所得的VonMises应力云图如图3所示。

图3 横肋根部出现蚀坑时的Von Mises应力分布（MPa)

从上图3可知，如果坑蚀发生在横肋下端与钢筋基圆接触位置，其对钢筋的屈服强度几乎无影响。

为了进一步探究横肋对钢筋整体力学性能的影响，将钢筋上的一条横肋删除后重新计算，所得结果如图4所示。

图4 钢筋一条横肋整体退化的Von Mises应力分布（MPa)

从图4可知，一条横肋退化后，钢筋基圆应力更加均匀，减小了截面突变带来的应力集中，有利于钢筋的受力。

在钢筋基圆上杀死一个单元后求解，所得的Von Mises应力云图如图5所示。

图5 蚀坑发生在钢筋基圆上的Von Mises应力分布（MPa)

从图5可知，当蚀坑发生在钢筋基圆上时，其对钢筋整体的力学性能有很大影响，出现了钢筋的最大应力。

在钢筋纵肋上杀死一个单元后求解，所得的Von Mises应力云图如下图6所示。从图6可知，当蚀坑发生在钢筋纵肋上时，其对钢筋整体的力学性能有一定影响，蚀坑附近的应力有一定的增大。

图6 蚀坑发生在钢筋纵肋上的Von Mises应力分布（MPa)

3.2蚀坑位置对极限强度的影响

为探究蚀坑位置对钢筋极限强度的影响，对模型一端固定，另一端施加420MPa（屈服强度400MPa）的拉应力，使钢筋进入强化阶段，分析该阶段不同损伤的应力分布，即可得出蚀坑位置对极限强度的影响。钢筋无损伤的Von Mises应力云图如下图7所示。

图7完好钢筋Von Mises应力云图（420MPa拉）

从图7可知，钢筋进入强化阶段后，横肋附近的应力相对变小，最大应力发生在横肋之间的钢筋基圆截面上，纵肋位置相对基圆截面的应力也较小。同上所述，采用生死单元法模拟坑蚀损伤，横肋上端及横肋底端的应力云图如下图8、图9所示。

图8 蚀坑在横肋上端时的Von Mises应力分布（MPa）

图9 蚀坑在横肋下端时的VonMises应力分布（MPa）

从图8及图9可知，蚀坑发生在横肋上时，蚀坑附近应力并没有增大，其对钢筋极限强度几乎无影响。为探究横肋完全退化后对钢筋应力的影响，将一条横肋单元删除后，重新计算，所·得的应力云图如图10所示。

图10 横肋退化后Von Mises 应力分布（MPa）

从图10可知，当一条横肋完全退化后，其附近的应力明显增大。这说明横肋虽然对钢筋屈服强度的贡献很小，但在强化阶段，其对极限强度的影响却很大。横肋的退化会降低钢筋的极限荷载，从而降低钢筋的极限强度。横肋的退化不影响屈服强度，但影响极限强度，这也说明了横肋的退化会降低强屈比，从而降低钢筋的延性。蚀坑相对横肋来说，其体积很小，因而其对钢筋整体的力学性能影响不大。

当蚀坑发生在纵肋位置时，其应力分布如图11所示。

图11 蚀坑在纵肋上Von Mises应力分布（MPa）

从图11可知，当蚀坑发生在纵肋时，附近会产生轻微的应力集中，为进一步探明纵肋锈蚀对钢筋力学性能的影响，以杀死几个相邻单元的方式，在纵肋上制造一个大的缺口，重新分析后，其应力分布如下图12所示。

图12 缺口在纵肋上 Von Mises应力分布（MPa）

从上图12可知，一旦纵肋上形成缺口，会使纵肋两侧最大应力位置相互贯通，缺口附近应力较大，从而会降低钢筋的极限强度。

当蚀坑发生在钢筋基圆上时，其应力分布如图13所示。

图13 蚀坑在钢筋基圆上 Von Mises 应力分布（MPa）

从上图13可知，当蚀坑发生在基圆上时，最大应力发生在蚀坑位置，其对钢筋的极限强度影响很大。

4结论

综上所述，蚀坑发生在横肋位置时，由于蚀坑相对整个横肋来说体积很小，因此其对钢筋屈服强度及极限强度的影响很小；当整个横肋退化后，在弹性阶段更有利于钢筋的应力分布，对屈服强度的影响甚微，但在强化阶段，横肋退化的钢筋基圆位置处应力较大，会降低钢筋的极限强度，即会降低钢筋的延性；蚀坑发生在纵肋以及钢筋基圆时，都会对钢筋的强度产生一定的影响，且蚀坑发生在钢筋基圆时对其本身的力学性能影响更大。通过这一分析不难理解文献[4]会得出钢筋锈蚀后其力学性能反而有轻微增加的结论，如果较小的蚀坑发生在横肋，导致这一结果是完全有可能的。通过观察锈蚀后钢筋的表观形态，可见蚀坑在钢筋横肋、纵肋以及基圆上都有分布，可以推测钢筋力学性能的降低主要是由于蚀坑在纵肋及基圆上的分布的影响，其影响规律需进一步探究。

参考文献

[1]徐港，张懂，梁桂林等．坑蚀钢筋力学性能退化的试验研究[J]．WaterResourcesandPower，2012， 30（1）：86-88

[2]王巧平，吴胜兴．锈蚀钢筋力学性能数字试验研究[J]．浙江大学学报：工学版，2007，41（1）:83-87

[3]陈瑞，杨明宇，彭涛等．钢筋蚀坑模型及其对应力分布的影响［J］．徐州建筑职业技术学院学报，2009，9（1））17-19

[4]宋嘉文，詹元，金慧珍等．锈蚀钢筋力学性能研 究[J].低温建筑技术，2011（6）：8-10

[5]范颖芳，周晶．考虑蚀坑影响的锈蚀钢筋力学性能研究[J]．建筑材料学报，2003，6（3）：248-252

[6]2010GB．混凝土结构设计规范[D]，2010

[7]2007GB．钢筋混凝土用钢第2部分：热轧带肋钢筋[S][D]，2007