一种锈蚀钢筋混凝土梁高温后受弯全过程分析方法，涉及火灾后混凝土梁承载力评估技术领域，首先利用ABAQUS软件先进行试验梁锈蚀过程及受荷开裂的模拟。接着建立锈蚀梁在不同受火时间与恒载作用下的温度场模型，该温度场模型将已经获得的锈胀裂缝、荷载裂缝与混凝土剥落等损伤预设至温度场模型中。然后提取模型中截面历经的最高温度，建立火灾后锈蚀梁加载至破坏的模型。最后利用已有的试验数据对模拟数据进行验证，证明数值模型的可靠性。此外，本发明专利技术还建立高温后锈蚀梁受弯全过程的截面理论分析方法。本发明专利技术可针对钢筋锈蚀与高温相互作用下钢筋混凝土锈蚀梁高温后的结构力学性能的变化全过程进行较为精确的分析。
1、世界各国的相关规范均给出了不同服役环境下最小混凝土保护层厚度的标准以防止钢筋混凝土结构内部的钢筋锈蚀的要求，但对于因钢筋锈蚀引起的力学性能的变化，尤其是对钢筋锈蚀的混凝土结构受火性能的影响几乎没有相关规范以供查阅。仅有少数研究涉及锈蚀梁的受力性能或抗火性能，且目前的研究主要集中在混凝土结构内部钢筋锈蚀的原因、形态以及机理的研究，对于钢筋锈蚀引起的构件的承载力的劣化程度及其基本的受力分析理论的几乎没有涉及。而在实际工程中，尤其是沿海环境中的建筑构件在服役期间长期遭受海水的侵蚀，这类构件内部的钢筋极易在海水的侵蚀下产生严重的锈蚀，一旦发生火灾，随着承载力的降低，将造成严重的安全事故。因此为避免此类事故的发生，对混凝土结构被侵蚀后的加固和修复需要一种较为精确的承载力的受力过程的分析方法，确定锈蚀钢筋混凝土构件的在火灾后承载能力的衰减程度。
2、现有技术中尚缺乏针对锈蚀梁高温后受弯全过程分析的计算方法，现有的锈蚀梁的研究仅通过试验或数值模拟的方法对钢筋锈蚀后梁的力学性能的变化趋势进行了分析，对有限的实验数据进行拟合，建立锈蚀梁的承载力预测公式。但这种数据拟合公式的预测精度会因试验数据的测量的误差产生较大的误差，且存在较大的偶然性，没有实际的物理意义，适用范围局限性较强，不适用于各种类型的锈蚀梁。故亟需基于物理与几何意义对锈蚀梁高温后的受弯全过程进行理论分析，进一步绘制出锈蚀梁高温后的弯矩-曲率。
>技术实现思路1、本专利技术公开了一种锈蚀钢筋混凝土梁高温后受弯全过程分析方法，目的是：确定不同因素对高温后锈蚀钢筋混凝土梁受弯全过程的影响，包括矩形锈蚀梁的锈蚀率、保护层厚度及受火时间等因素，综合各因素确定高温后试件的受弯全过程及残余承载力。该受弯全过程分析方法首次将锈蚀引起的粘结退化、锈蚀膨胀产生的锈蚀膨胀裂缝、高温下承受荷载产生的荷载裂缝对其受力性能的影响进行综合的考虑。由于该计算方法从截面受力理论出发，故该计算分析方法适用于不同的锈蚀率d、混凝土保护层厚度c、受火时间t的锈蚀梁的残余力学性能的计算。
2、为实现上述目的，本实用专利技术采取了如下技术方案：
3、一种锈蚀钢筋混凝土梁高温后受弯全过程分析方法，所述的分析方法是利用abaqus对火灾试验下的锈蚀钢筋混凝土梁建立数值模型，将锈蚀梁的锈蚀膨胀裂缝、高温下的荷载裂缝及混凝土表面的剥落、损伤分步转化为预损伤对温度场的影响，进而针对锈蚀钢筋混凝土梁高温后受弯全过程进行分析；
4、所述的分析方法包括如下步骤：
5、(1)锈蚀钢混混凝土梁火灾试验设计，获取试验梁火灾试验及静力加载试验结果：首先将浇筑好的矩形梁进行通电加速锈蚀，达到预设的锈蚀率后进行火灾下恒载试验，火灾试验结束待梁冷却至室温后，在对该梁进行静力加载试验，加载至梁破坏，失去承载能力；
6、(2)利用abaqus软件在非火灾条件下进行试验梁锈蚀膨胀及受荷开裂的模拟，获取因锈蚀膨胀及荷载开裂而产生的裂缝的位置、长度及宽度；
7、(3)建立锈蚀梁在不同受火时间与恒载作用下的温度场模型，该温度场模型将已经获得的锈蚀膨胀裂缝、荷载裂缝与混凝土剥落、损伤预设至温度场模型中，为每个裂缝面单独设置热工参数；
8、(4)提取模型中锈蚀梁截面历经的最高温度，在此预设温度场模型的计算结果基础上建立火灾后锈蚀梁加载至破坏的数值模型；
9、(5)利用已有的试验数据对模拟数据进行验证，验证数值模型的可靠性；
10、(6)进行高温后锈蚀梁受弯全过程的截面理论分析：
11、(7)通过python语言编程，计算并绘制锈蚀钢筋混凝土梁受弯全过程的弯矩-曲率曲线；将弯矩-曲率曲线与模拟计算结果、试验结果对比分析，以验证该截面理论分析的有效性与精确度。
12、优选的，所述的步骤(1)包括如下具体步骤：设计第一类矩形截面梁和第二类矩形截面梁为试验梁，所述的试验梁的火灾试验参数包括纵向钢筋锈蚀率c、混凝土保护层厚度d及在火灾实验中的受火时间t；分别确定第一类矩形截面梁和第二类矩形截面梁的火灾试验参数数据。
13、优选的，所述的步骤(2)中，针对试验梁进行锈蚀膨胀开裂模拟的步骤为：
14、(a1)创建二维模型：依据锈蚀钢筋混凝土试验梁的试验设计尺寸，建立1:1的二维截面模型，分别创建钢筋与混凝土部件，将二者进行装配；
15、(b1)网格的划分：在module-mesh中对步骤(a1)中的模型进行网格划分；为使混凝土开裂的裂缝呈现出自然开裂状态，钢筋与混凝土的单元类型均选用三节点线性的三角形单元cps3，混凝土中插入的粘性单元选用四节点二维粘聚力单元coh2d4；
16、(c1)cohesive单元的插入：利用二次开发的插件，将cohesive粘性单元批量插入插件在混凝土内部与钢筋外表面中，用来模拟锈蚀钢筋周围混凝土的开裂过程；在混凝土内部插入cohesive单元，因混凝土与钢筋的边界粘性较混凝土内部强，在边界处与混凝土内部分别设置两种不同参数的cohesive单元，分别命名为cohesive 1与cohesive 2；混凝土断裂能为60n/m；
17、(d1)材料参数选取：钢筋的材料属性参数包括密度、弹性模量、泊松比、膨胀系数；混凝土的材料属性及塑性损伤模型中塑性参数包括膨胀角、偏心率、粘性参数、密度、弹性模量、泊松比；
18、(e1)设置边界条件：将钢筋混凝土梁的二维截面的边界均设为固定端，通过预定义场中的温度设定来定义钢筋锈蚀后体积膨胀引起的沿钢筋径向的位移作为位移的边界条件，钢筋不同锈蚀率对应不同的径向位移；
19、(f1)设置分析步：选用动力显示分析步，时间长度设为1e05，初始增量步设为1e-03，最小增量步大小设置为1e-12，最大增量步设为0.1；分析步设置完成后，选择需要的输出变量，最终获得锈蚀钢筋混凝土试验梁的模型及计算结果。
20、优选的，所述的步骤(2)中，在恒载作用下锈蚀梁的三维模型中，使用混凝土塑性损伤模型cdp来模拟荷载作用下梁上裂缝的发展，针对试验梁进行受荷开裂模拟的步骤为：
21、(a2)在部件模块，以毫米制建立1:1的试验梁三维模型，试验梁三维模型由实体混凝土、实体热轧带肋钢筋、线性箍筋、实体钢垫块构成；
22、(b2)在材料属性模块，为试验梁三维模型各部件赋予材料属性，材料属性的参数设置均与步骤(d1)保持一致，其中钢垫块的属性参照步骤(d1)钢筋的属性参数设置；
23、(c2)在网格划分部分，为各部件划分网格，并赋予相应的单元类型；箍筋网格大小为4mm，使用显示的两节点线性三维桁架单元t3d2；为保证后续三维弹簧的插入，纵向钢筋与混凝土的网格大小一致，设置为5mm，使用八节点线性六面体单元c3d8r，缩减积分，沙漏控制；钢板的大小为20mm，同样使用本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种锈蚀钢筋混凝土梁高温后受弯全过程分析方法，其特征为：所述的分析方法是利用Abaqus对火灾试验下的锈蚀钢筋混凝土梁建立数值模型，将锈蚀梁的锈蚀膨胀裂缝、高温下的荷载裂缝及混凝土表面的剥落、损伤分步转化为预损伤裂缝对温度场的影响，进而针对锈蚀钢筋混凝土梁高温后受弯全过程进行分析；
2.如权利要求1所述的一种锈蚀钢筋混凝土梁高温后受弯全过程分析方法，其特征为：所述的步骤(1)包括如下具体步骤：设计第一类矩形截面梁和第二类矩形截面梁为试验梁，所述的试验梁的火灾试验参数包括纵向钢筋锈蚀率c、混凝土保护层厚度d及在火灾实验中的受火时间t；分别确定第一类矩形截面梁和第二类矩形截面梁的火灾试验参数数据。
3.如权利要求2所述的一种锈蚀钢筋混凝土梁高温后受弯全过程分析方法，其特征为：所述的步骤(2)中，针对试验梁进行锈蚀膨胀开裂模拟的步骤为：
4.如权利要求3所述的一种锈蚀钢筋混凝土梁高温后受弯全过程分析方法，其特征为：所述的步骤(2)中，在恒载作用下锈蚀梁的三维模型中，使用混凝土塑性损伤模型CDP来模拟荷载作用下梁上裂缝的发展，针对试验梁进行受荷开裂模拟的步骤为：
5.如权利要求4所述的一种锈蚀钢筋混凝土梁高温后受弯全过程分析方法，其特征为：所述的步骤(3)中，在ABAQUS中建立锈蚀梁的温度场模型时，提出以下假定：(a)混凝土视为各向同性的均质材料；(b)混凝土与钢筋紧密接触，在传递热量过程中没有热量的损失；(c)在升温过程中，忽略化学反应产生的热量；以第一类矩形截面梁L2为例，建立火灾下考虑钢筋锈蚀膨胀裂缝、荷载裂缝与爆裂共同作用下的温度场模型，建立模型的步骤如下：
6.如权利要求5所述的一种锈蚀钢筋混凝土梁高温后受弯全过程分析方法，其特征为：所述的步骤(4)包括如下具体步骤：
7.如权利要求6所述的一种锈蚀钢筋混凝土梁高温后受弯全过程分析方法，其特征为：所述的步骤(5)包括如下具体步骤：
8.如权利要求7所述的一种锈蚀钢筋混凝土梁高温后受弯全过程分析方法，其特征为：所述的步骤(6)包括：
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【技术特征摘要】
1.一种锈蚀钢筋混凝土梁高温后受弯全过程分析方法，其特征为：所述的分析方法是利用abaqus对火灾试验下的锈蚀钢筋混凝土梁建立数值模型，将锈蚀梁的锈蚀膨胀裂缝、高温下的荷载裂缝及混凝土表面的剥落、损伤分步转化为预损伤裂缝对温度场的影响，进而针对锈蚀钢筋混凝土梁高温后受弯全过程进行分析；
2.如权利要求1所述的一种锈蚀钢筋混凝土梁高温后受弯全过程分析方法，其特征为：所述的步骤(1)包括如下具体步骤：设计第一类矩形截面梁和第二类矩形截面梁为试验梁，所述的试验梁的火灾试验参数包括纵向钢筋锈蚀率c、混凝土保护层厚度d及在火灾实验中的受火时间t；分别确定第一类矩形截面梁和第二类矩形截面梁的火灾试验参数数据。
3.如权利要求2所述的一种锈蚀钢筋混凝土梁高温后受弯全过程分析方法，其特征为：所述的步骤(2)中，针对试验梁进行锈蚀膨胀开裂模拟的步骤为：
4.如权利要求3所述的一种锈蚀钢筋混凝土梁高温后受弯全过程分析方法，其特征为：所述的步骤(2)中，在恒载作用下锈蚀梁的...
【专利技术属性】
技术研发人员：刘才玮，王欣宇，王鹏霏，黄绪宏，苗吉军，刘延春，牟犇，
申请(专利权)人：青岛理工大学，
类型：发明
国别省市：
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