Page 201 - 《应用声学》2025年第3期

第 44 卷 第 3 期 阎石等： 钢筋混凝土锈蚀损伤软接触模型的非线性超声导波识别 735

concrete based on nonlinear ultrasonic guided waves is thus established, which is effective for identifying the
corrosion damage of reinforced concrete structures based on the soft contact model.
Keywords: Rebar corrosion detection; Nonlinear ultrasonic guided waves; Layered structures; Soft contact
model; Reinforcement concrete structure; Granular chain contact model

0 引言 1 RC钢筋锈蚀模型

钢筋混凝土 (Reinforcement concrete, RC) 结 1.1 钢筋锈蚀柱状分层模型
构的钢筋锈蚀 (简称钢筋锈蚀) 是其性能劣化的主 为了简化计算，将钢筋与周围一定范围内的
要原因之一。锈蚀膨胀会导致混凝土体积增大，并 混凝土简化成一个层状柱形结构，并建立一个柱
在混凝土保护层内产生环向拉应力。当表面的拉 状坐标系，通过对钢筋锈蚀全过程结果的分析，可
应力达到混凝土的抗拉强度时，保护层就会开裂。 将钢筋锈蚀后的横截面 (r-θ 平面) 视为柱状分层模
同时，混凝土保护层的开裂或剥落会造成钢筋约束 型 [3,5,20] ，如图1所示。
的损失，覆盖在钢筋表面的累积锈蚀产物可能会导
致钢筋 -混凝土界面处的力学变化，例如接触压力
等。学者们对钢筋锈蚀引起的保护层裂缝进行了
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研究，从实验或理论上确定了混凝土保护层开裂后
θ
钢筋的侵彻深度或半径损失 [1−4] ，建立了钢筋锈蚀 ᨂ኏ຉіژ
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的力学模型，描述了界面的变化和锈蚀层的受力分 ᩡᙍ̗ྭ
布 [1,3,5] ，确立了钢筋锈蚀的力学基础。 ᩡᙍՑ
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目前，有多种钢筋锈蚀识别方法，如皮尔逊法、
半电池电位法、射线法、光纤传感法、超声法等 [6] ， z
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其中，利用纵向超声波导波的钢筋锈蚀识别方法
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得到了广泛应用。目前，公认有两种较为有效的锈 R  R s
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蚀损伤识别模型，第一种是层状模型，即 “钢筋 -锈 R c
蚀产物 -混凝土” 三层锈蚀模型，用锈蚀层厚度表征
图 1 RC 结构坐标系
锈蚀的严重程度 [7−9] ，该模型通常没有考虑锈蚀层
Fig. 1 Coordinate system of RC structure
的应力和接触状态，导致对锈蚀初期损伤状态不敏
感；另一种为等效接触模型，则可以解决层状模型 对钢筋锈蚀柱状分层模型做基本假设：
对初始损伤不敏感的问题 [10−13] ，具有代表性的是 (1) 整个锈蚀过程中，钢筋锈蚀在θ 方向发展是
Jalali和 Rizzo 提出了一种粒状物质链模型，来描述 均匀的，锈蚀产物在 RC界面处均匀积累，锈蚀产物
锈蚀产物的力学性能和波动性，该模型亦被用来研 膨胀造成的接触压力在RC径向界面均匀分布。
究局部锈蚀对超声导波 (Ultrasonic guided waves, (2) 混凝土开裂被模拟为拉伸软化过程。开裂
UGWs)性能的影响 [14−16] 。 混凝土在超过其抗拉能力后仍具有残余强度。
为了解决早期钢筋锈蚀识别问题，基于非线性 (3) 锈蚀产物的材料特性假定为弹性体，其泊
UGWs 的损伤识别方法亦逐渐应用于钢筋锈蚀和 松比也与钢筋相同。
脱粘界面的识别 [17−19] ，但这些方法缺乏完整的物 (4) 混凝土径向位移 (包括开裂区域的混凝土)
理模型且大多数集中于混凝土结构中的呼吸裂缝 服从弹性位移理论，忽略混凝土的泊松效应。
检测。不同于线性 UGWs，非线性 UGWs 方法因传 (5) 在裂纹前沿的发展过程中，钢筋锈蚀产物
感信号中携带钢筋与混凝土接触面相关信息，故对 完全堆积在钢筋周围，不会进入混凝土裂缝。
早期锈蚀情况较敏感，并与锈蚀接触初始应力状态 由于假设钢筋锈蚀在 θ 方向均匀发展，故选取
密切相关，这为利用软接触模型解决钢筋锈蚀识别 一个 θ-r 横截面，建立一个平面模型，并进行钢筋锈
问题奠定了基础。 胀应力与变形静力分析。