銹蝕鋼筋混凝土梁抗剪性能研究

聶 旸

(西南交通大學土木工程學院，四川成都 611756)

0 引言

鋼筋銹蝕將引起鋼筋力學性能改變、混凝土保護層開裂以及鋼筋與混凝土間粘結強度改變[1]，從而使得鋼筋混凝土結構在正常使用極限狀態(tài)和承載能力極限狀態(tài)下的性能也隨之發(fā)生變化。

針對銹蝕鋼筋混凝土梁的斜截面抗剪性能，國內外學者開展了較為系統(tǒng)的研究，對鋼筋銹蝕前后的抗剪破壞形態(tài)、承載能力、變形能力等進行了對比分析，并取得了較為豐富的研究成果。本文擬通過對試驗和理論兩方面研究成果的總結，對銹蝕鋼筋混凝土梁的抗剪性能做一綜述，為銹蝕鋼筋混凝土梁的抗剪承載力評估提供技術依據(jù)。

1 抗剪性能試驗

1.1 試驗概況

自2004年起，我國學者開展了一系列針對銹蝕鋼筋混凝土梁斜截面抗剪性能的試驗，試驗參數(shù)主要包括剪跨比、鋼筋銹蝕范圍以及鋼筋銹蝕率等[2-5]。所有試件均采用電化學銹蝕法對試驗梁的箍筋和縱筋進行加速銹蝕，并在銹蝕完成后采用失重法測定鋼筋的銹蝕率。

銹蝕后鋼筋混凝土梁的斜截面抗剪承載力試驗均采用如圖1所示的跨中兩點加載法，加載點的具體位置根據(jù)剪跨比確定。

圖1 銹蝕鋼筋混凝土梁斜截面抗剪試驗示意圖

1.2 試驗結果與分析

1.2.1 破壞形態(tài)

從試驗可知，銹蝕鋼筋混凝土梁的抗剪破壞形態(tài)主要有以下特點[2-5]:

1)銹蝕鋼筋混凝土梁的抗剪破壞形態(tài)與普通鋼筋混凝土梁基本一致。剪跨比是決定銹蝕鋼筋混凝土梁抗剪破壞形態(tài)的主要參數(shù)。剪跨比不同時，銹蝕鋼筋混凝土梁可能發(fā)生斜壓、剪壓和斜拉破壞。

2)銹蝕率較高的鋼筋混凝土梁，可能發(fā)生類似少筋梁的剪切破壞，從而導致其抗剪延性大幅度降低。

1.2.2 裂縫

發(fā)生剪壓破壞的銹蝕鋼筋混凝土梁，其裂縫發(fā)展規(guī)律與普通鋼筋混凝土梁基本相同。斜裂縫首先出現(xiàn)在集中荷載與支座之間，方向為集中荷載加載點與支座的連線方向。隨著荷載的增大，在上述斜裂縫集中區(qū)域將出現(xiàn)一條寬度較大的主裂縫。該主裂縫一出現(xiàn)即迅速擴展、延伸，并最終導致剪壓區(qū)混凝土面積減少、發(fā)生混凝土壓碎破壞。

1.2.3 抗剪承載能力

銹蝕程度對鋼筋混凝土梁的斜截面抗剪性能影響較大。相關試驗表明，箍筋銹蝕程度對梁斜截面抗剪開裂荷載的影響較小，但是對抗剪承載力影響較大。根據(jù)箍筋銹蝕程度以及梁的剪跨比的不同，銹蝕鋼筋混凝土梁的抗剪承載力降低程度約在10%～30%不等。

引起銹蝕鋼筋混凝土梁斜截面抗剪承載力降低的因素主要有以下幾方面:

1)箍筋銹蝕減小了斜截面上的配箍率，這將直接導致梁的斜截面抗剪承載力降低。

2)箍筋銹蝕導致其與混凝土間的粘結性能退化，從而影響箍筋對混凝土的約束作用，降低了斜截面混凝土的骨料咬合作用。

3)銹脹裂縫導致梁截面四周的保護層部分混凝土過早剝落，從而減小了混凝土的抗剪截面面積。

1.2.4 撓度

試驗結果表明，相同荷載作用下銹蝕鋼筋混凝土梁的撓度大于普通鋼筋混凝土梁，即銹蝕鋼筋混凝土梁的剛度低于普通鋼筋混凝土梁。這與銹蝕鋼筋混凝土梁在受力前即存在銹脹裂縫，并且銹蝕后鋼筋與混凝土之間的粘結性能退化有關。

2 抗剪承載能力計算

銹蝕鋼筋混凝土梁的斜截面抗剪承載力主要受以下兩方面因素影響[6-8]:

1)混凝土截面損傷和鋼筋截面損失，以及上述兩種材料力學性能退化;2)鋼筋與混凝土之間的粘結性能退化，二者難以協(xié)同工作。

為考慮上述因素的影響，并從工程應用角度出發(fā)，國內外學者在現(xiàn)行計算理論的基礎上提出了如下集中荷載作用下銹蝕鋼筋混凝土梁斜截面抗剪承載力計算模型[7]:

其中，V為銹蝕鋼筋混凝土抗剪承載力;fyvcor為銹蝕箍筋的屈服強度;Asv為配置在同一截面內銹蝕箍筋各肢全部截面面積;fc為混凝土軸心抗壓強度;s為箍筋間距;b為截面寬度;h0為截面有效高度;λ為剪跨比;N為軸向壓力;β為考慮鋼筋銹蝕引起混凝土抗剪強度降低的影響系數(shù)，經試驗結果分析可知:

其中，ηs為箍筋截面銹蝕率，定義為已銹蝕面積與原始截面面積的比值，即ηs=(A0－Asv)/A0。

3 結語

本文較為系統(tǒng)地總結了銹蝕鋼筋混凝土梁斜截面抗剪性能的現(xiàn)有研究成果，從試驗研究和承載能力計算兩方面對銹蝕鋼筋混凝土梁的斜截面抗剪性能進行了分析，主要成果包括:

1)銹蝕鋼筋混凝土梁抗剪破壞形態(tài)與剪跨比直接相關。箍筋的銹蝕程度對梁斜截面抗剪開裂荷載的影響較小，但是對梁斜截面抗剪承載力影響較大。銹蝕鋼筋混凝土梁的撓度明顯大于普通鋼筋混凝土梁。

2)總結了現(xiàn)有研究成果，并建議采用文獻[7]提出的銹蝕鋼筋混凝土梁斜截面抗剪承載力計算模型。

[1]惠云玲，李 榮，林志忠.混凝土基本構件銹蝕前后性能研究[J].工業(yè)建筑，1997，26(6):22-32.

[2]徐善華，牛荻濤.銹蝕鋼筋混凝土簡支梁斜截面抗剪性能研究[J].建筑結構學報，2004，25(5):98-104.

[3]李 冰，高向華，王小惠.局部區(qū)段銹蝕的鋼筋混凝土梁抗剪承載力試驗研究[J].混凝土與水泥制品，2010，176(6):60-65.

[4]曾志興，宋小雷.銹蝕鋼筋混凝土梁靜承載力性能試驗[J].華僑大學學報(自然科學版)，2011，32(1):92-95.

[5]熊進剛，霍艷華.銹蝕鋼筋混凝土簡支梁斜截面受剪性能試驗研究[J].四川建筑科學研究，2009，35(3):10-13.

[6]李士彬，張 鑫，賈留東.箍筋銹蝕鋼筋混凝土梁的抗剪承載力分析[J].工程力學，2011，28(6):60-79.

[7]倪國榮，戎冠綸.鋼筋銹蝕對混凝土梁抗剪性能的影響[J].混凝土與水泥制品，2005，144(4):4-6.

[8]王小惠，劉西拉.銹蝕鋼筋混凝土梁的斜截面抗剪承載力[J].上海交通大學學報，2007，41(6):944-949.