钢筋混凝土构件中氯离子扩散模拟与等效分析方法

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氯离子在钢筋混凝土构件中的扩散是影响氯盐侵蚀钢筋混凝土构件的主要原因之一,进而影响构件的耐久性和服役寿命,针对这一问题,本文首先展开了有关氯离子在钢筋混凝土构件中扩散的数值模拟研究,以ANSYS软件为工具,在软件中建立了一套针对氯离子在钢筋混凝土构件中扩散的数值模拟分析方法,并在此基础上深入挖掘了轴压荷载作用下对于混凝土中氯离子扩散过程的影响;通过虚加荷载的方法模拟氯盐侵蚀后钢筋混凝土构件的挠度级开裂情况建立等效关系,并依据等效应变假设建立了一种在荷载和氯盐侵蚀共同作用下混凝土损伤本构模型。本文主要进行了以下工作:(1)通过微分方程对热传导过程与氯离子扩散过程的相似性进行了对比分析,通过对其量纲的推导,得出了二者之间的相关性,以ANSYS为纽带,实现了二者之间相关参数的合理等效。以此为理论支撑并结合ANSYS有限元分析软件热分析模块模拟氯离子在钢筋混凝土构件内部的扩散过程,并实现了混凝土内部氯离子浓度分布的二维数值模拟;利用上述方法合理建模,可以实现任意截面形状的构件在考虑钢筋存在时单一边界或者正交双边界遭受氯离子渗透侵袭时的氯离子浓度分布预测,模拟结果通过与试验数据与解析解做比较,证明了本文所提出的模拟方法的正确性和有效性。(2)施加荷载会导致混凝土内部氯离子扩散系数发生变化,本文在上述数值方法的基础上,引入了氯离子扩散系数与荷载大小之间的函数关系模型,在ANSYS软件中通过APDL语言实现了混凝土模型不同单元体应变与氯离子扩散系数一一对应的映射转换。(3)利用ANSYS热分析模块得出氯离子浓度随时间的变化对钢筋混凝土构件的侵蚀情况,根据上述情况利用相应模型得到材料参数的变化和锈胀力,再对模型进行静力学分析然后模拟氯盐侵蚀后钢筋混凝土构件的开裂挠度情况,然后用在模型上直接施加荷载的方法来模拟相同的开裂挠度情况,模拟结果证明两种模型在产生相同挠度的时模型开裂状态也一致,即证明虚加荷载等效方法成立。(4)分析载荷和氯盐侵蚀作用下混凝土单轴受压试验数据,总结了氯盐侵蚀作用下对混凝土应力应变曲线及混凝土弹性模量的影响,并基于等效应变假设,构建了载荷和氯盐侵蚀作用下混凝土的单轴受压损伤本构方程,并利用上述数据进行验证,结果表明,本文所建立的损伤本构方程对载荷和氯盐侵蚀耦合作用后混凝土单轴受压的应力-应变曲线的拟合程度较好。
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