[发明专利]一种锈蚀钢筋残余力学性能的有限元模拟与参数分析方法

说明书

本发明提供了一种锈蚀钢筋残余力学性能的有限元模拟与参数分析方法，其包括如下步骤：利用已有锈蚀钢筋样本，沿其长度方向提取钢筋的横截面面积，进行统计分析，得到其概率分布模型；按照该概率分布模型重新生成锈蚀钢筋截面积数据，通过有限元软件将新生成的截面数据赋值到圆台单元，在有限元软件中完成新模型的拼装；按照蒙特卡洛法，通过python改写有限元软件的命令流文件，生成大量锈蚀钢筋样本进行单轴拉伸数值试验，最终得到锈蚀钢筋的残余力学性能。采用本发明的技术方案，有效解决了钢筋锈蚀试验耗时长、试验结果离散性大而试验样本不足的问题，通过有限元模拟的方法，有效节约了时间，与实际试验结果相比，模拟的结果准确而有效。

技术领域

本发明属于材料腐蚀技术领域，尤其涉及一种锈蚀钢筋残余力学性能的有限元模拟与参数分析方法。

背景技术

钢筋混凝土(RC)结构是生活中最常见的结构形式之一，这类结构往往长时间暴露在空气中，长时间受外界环境中的侵蚀物质作用，从而易产生混凝土中钢筋的锈蚀。而钢筋锈蚀会导致钢筋截面损失，钢筋力学性能下降，产生的锈蚀产物又会导致混凝土表面开裂加剧钢筋锈蚀，此外锈蚀的发生使钢筋与混凝土的粘结强度降低，三种原因共同作用下，最终导致结构失效甚至坍塌。为了防止RC结构中钢筋锈蚀的进一步恶化，必须对结构进行修复和加固。要制定适当的修复策略，必须准确评估锈蚀钢筋的残余强度。

由于锈蚀钢筋具有复杂的几何形状，对其进行轴向拉伸试验，试验结果离散性大，需要大量的锈蚀钢筋样本进行统计研究。然而实际工程中的锈蚀钢筋难以获取，实验室条件下盐雾喷淋以及电化学加速锈蚀试验耗时长，无法得到大量的锈蚀钢筋样本，有关锈蚀对钢筋力学性能的影响，尤其是钢筋的延性退化规律，过往研究显示出了相当大的分歧。采用数值模拟的方法，建立锈蚀钢筋的三维有限元模型，可以解决试验样本、试验条件等带来的问题，且更便于观测和研究锈蚀钢筋拉伸破坏过程中的局部效应，但由于锈蚀钢筋表面的形貌特征复杂，不易建模，目前常用的有限元建模方法有两种。一是将钢筋点蚀锈坑简化成为半球形、半椭圆形、锥形以及圆柱形，定量研究锈坑的深度、长度、宽度，以及锈坑数量对钢材力学性能的影响，但由于理想化的锈坑形状与自然锈蚀的钢筋形貌差距较大，得到的结论并不具有说服性。二是采用光学表面测量技术对锈蚀钢筋的三维形貌进行表征，将三维扫描得到的点云数据进行处理，转换成可以用于有限元软件进行数值拉伸试验的三维模型，这种方法虽然可以较为准确地反映钢筋锈蚀形貌特征，但其建模过程仍然需要依据真实的锈蚀钢筋，依然无法解决样本数量有限的问题，且大量时间用于建模过程，无法充分发挥数值模拟试验计算方便快捷的优势。因此，如何利用有限的钢筋锈蚀数据得到更多的锈蚀钢筋样本，并进行参数分析研究其力学性能变化规律，显得尤为重要。

发明内容

针对以上技术问题，本发明公开了一种锈蚀钢筋残余力学性能的有限元模拟与参数分析方法，其特征在于，其包括如下步骤：

步骤S1，通过已有的锈蚀钢筋试件，获得不同锈蚀率下钢筋残余横截面面积数据，对得到的数据进行概率分布拟合，得到不同锈蚀率钢筋残余截面积概率分布模型；

步骤S2，通过数学软件重新随机生成符合S1步中概率分布模型的钢筋截面数据，将这些数据赋值到有限元圆台模型上，组合出新的等效锈蚀钢筋模型，数学软件可采用MATLAB或者python软件；

步骤S3，按照蒙特卡洛法，通过python编辑有限元软件的命令流文件，生成大量锈蚀钢筋模型，在有限元软件中进行批量拉伸数值试验，提取计算结果，得到最终的相应锈蚀率下钢筋残余力学性能。

作为更进一步的优选方案，步骤S1包括：采用3D扫描仪对锈蚀钢筋试件进行3D扫描，得到试件的3D点云文件，进一步转化得到三维实体模型，通过三维分析软件，以不大于2mm的间隔，沿钢筋长度方向，对钢筋模型进行切分，获得锈蚀钢筋的横截面残余面积数据，横截面残余面积是指锈蚀钢筋中未被锈蚀的钢筋部分，通过数学软件，对得到的数据进行概率分布拟合，得到不同锈蚀率钢筋残余截面积概率分布模型。