基于ABAQUS的硫酸盐侵蚀条件下钢筋混凝土结构的数值模拟与分析

作     者：陈小龙 

作者单位：宁夏大学 

学位级别：硕士

导师姓名：杨淑雁

授予年度：2023年

学科分类：08[工学] 081402[工学-结构工程] 081304[工学-建筑技术科学] 0813[工学-建筑学] 0814[工学-土木工程] 

主      题：有限元模拟 硫酸盐干湿循环 冻融循环 粘接滑移 钢筋混凝土偏压柱 

摘      要：钢筋混凝土结构是重要的一种结构形式,广泛应用于工民建筑、公路、桥梁、隧道等领域中。然而,由于使用环境的复杂,一些钢筋混凝土结构在一段时间的使用后出现了各种病害,导致结构的耐久性和可靠性已经大大降低。作为数值分析重要方法之一的有限元法,通过建立合适的模型对试验结果进行模拟,当试验结果和模拟结果一致的时候,即可以采用有限元模拟的方法代替试验,通过对有限元模型提取模拟过程中材料及结构的相关信息可对试验结果进行预测。同时,采用有限元分析的方法,能够大幅度降低试验成本、提高研究的工作效率。本文在试验结果的基础上,分别模拟了硫酸盐、干湿循环和冻融循环作用下混凝土单轴受压本构关系、钢筋与混凝土粘结滑移本构关系以及钢筋混凝土大偏心受压柱力学性能。通过ABAQUS建立有限元三维模型并与试验结果进行对比,验证了模拟的有效性。基于有限元模拟的有效性,针对三种情况,改变各自不同工况后进行进一步的有限元模拟,得到三种情况下各影响因素的影响结果。本文的主要研究内容如下:(1)基于试验结果,建立不同硫酸盐腐蚀程度下混凝土应力-应变本构关系;采用ABAQUS软件建立混凝土棱柱体模型,基于混凝土塑性损伤模型对硫酸盐、干湿循环和冻融循环作用下混凝土棱柱体单轴受压进行有限元模拟,将模拟结果与试验结果进行对比,验证了所建立腐蚀后混凝土应力-应变本构关系模拟的有效性。(2)通过划分不同大小的网格,探究网格尺寸的大小对混凝土单轴受压模拟结果的影响,结果表明:有限元模型网格尺寸对模拟结果的精度具有一定的影响,网格尺寸越小,有限元分析结果精细度越高,但同时计算时间也迅速增长;因此,选用10mm网格更符合本文需求。(3)基于CEB-FIP建议的粘结滑移本构模型,通过对试验数据进行分析,建立硫酸盐腐蚀后钢筋-混凝土粘结滑移本构关系;采用ABAQUS软件建立三维模型,进行钢筋-混凝土中心拉拔试件的有限元模拟;通过对有限元模拟结果与试验结果的对比分析,验证了硫酸盐侵蚀条件下钢筋-混凝土中心拉拔有限元模拟的可行性。通过对不同腐蚀程度下钢筋-混凝土拉拔数据的分析,进一步发现了不同荷载作用下,不同锚固深度位置钢筋与混凝土的相对滑移量、钢筋应变以及钢筋与混凝土粘结强度的变化规律,并通过拟合得到混凝土破坏时钢筋与混凝土粘结强度位置函数。(4)基于试验结果,采用ABAQUS软件的不同建模方式,建立钢筋混凝土偏压柱三维模型,用模拟结果和试验结果进行对比,验证模型的有效性。结果表明:考虑钢筋与混凝土粘结滑移的影响,即采用非线性弹簧单元将纵筋与混凝土进行连接,能够更加准确地对钢筋混凝土结构进行有限元模拟。(5)建立不同尺寸、不同配箍率的钢筋混凝土偏压柱有限元模型,研究偏压柱极限承载力的变化。结果表明:牛腿处与混凝土柱处均进行箍筋加密对钢筋混凝土偏压柱轴向极限承载力的提升最大。当钢筋混凝土偏压柱剪跨比较小时,随着剪跨比的增大,柱轴向极限承载力较大、柱跨中最大挠度较小、延性系数以及能量均较大;当剪跨比较大时,偏压柱受二阶效应的影响,柱轴向峰值荷载、跨中挠度、延性系数及能量均较小。