銹蝕鋼筋混凝土梁受彎承載力的計(jì)算分析

肖長永，杜志云，郭 超，夏江波

（湖北工業(yè)大學(xué)土木工程與建筑學(xué)院，湖北 武漢430068）

近年來，國內(nèi)外學(xué)者對銹蝕后鋼筋混凝土梁的性能進(jìn)行了大量的研究，研究表明，銹蝕后的鋼筋混凝土梁結(jié)構(gòu)性能的退化主要表現(xiàn)在承載力和結(jié)構(gòu)延性的降低.目前針對銹蝕后鋼筋混凝土梁性能退化的研究主要集中在三個方面：

1）銹蝕后鋼筋的有效截面面積減少，鋼筋的力學(xué)性能退化，鋼筋截面損失和力學(xué)性能退化對構(gòu)件的承載力有很大的影響.

2）銹蝕后的鋼筋與混凝土間的粘結(jié)力會發(fā)生變化，從而影響鋼筋與混凝土的粘結(jié)性能，使鋼筋不能充分發(fā)揮其強(qiáng)度，這也會對構(gòu)件的承載力和剛度產(chǎn)生較大影響.

3）鋼筋銹蝕后體積膨脹，銹蝕量的增大會將混凝土保護(hù)層脹裂，產(chǎn)生順筋裂縫，直至使其保護(hù)層脫落，將外圍混凝土分割，使參與受力的混凝土截面面積減少.

本文綜合考慮銹蝕鋼筋的截面損傷和銹蝕鋼筋力學(xué)性能的改變、鋼筋與混凝土粘結(jié)性能的退化造成的鋼筋與混凝土協(xié)同工作系數(shù)的變化、以及構(gòu)件截面損傷三方面因素，并在現(xiàn)行規(guī)范的基礎(chǔ)上，通過理論推導(dǎo)得出銹蝕后鋼筋混凝土梁的抗彎承載力計(jì)算公式.

1 質(zhì)量銹蝕率（ηq）與截面銹蝕率（ηs）之間的關(guān)系

混凝土中鋼筋銹蝕后，重量減輕，截面減小，銹蝕率較小時可以認(rèn)為ηq與ηs相當(dāng)，當(dāng)銹蝕率較大時ηq與ηs離散較大，關(guān)于ηq與ηs之間的定量關(guān)系，王雪惠等［1］給出了在一定銹蝕率范圍內(nèi)兩者之間的換算關(guān)系：

2 銹蝕后鋼筋混凝土梁的抗彎承載力

2.1 銹蝕鋼筋截面損傷和力學(xué)性能的退化對承載力的影響

當(dāng)截面損失小于5%時，銹蝕程度輕，鋼筋銹蝕較均勻，銹蝕對鋼筋的力學(xué)性能影響不大，隨銹蝕程度的加大，鋼筋的坑銹越來越嚴(yán)重，不均勻銹蝕程度加大，鋼筋受力拉伸時，產(chǎn)生應(yīng)力集中，在截面削弱較大處（坑銹較深處）鋼筋提前屈服，此時其它截面鋼筋并未屈服，直至被拉斷，頸縮現(xiàn)象不明顯，鋼筋的伸長率下降較明顯，塑性降低，張克波等［2］認(rèn)為銹蝕引起實(shí)際屈服強(qiáng)度和實(shí)際極限強(qiáng)度下降并不明顯，且實(shí)際極限強(qiáng)度（銹蝕后極限荷載／銹蝕后鋼筋截面面積）降低速度快于實(shí)際屈服強(qiáng)度（銹蝕后屈服荷載／銹蝕后鋼筋截面面積）降低速度.

由文獻(xiàn)［2］可得銹蝕后實(shí)際屈服強(qiáng)度（fycor）與初始屈服強(qiáng)度（fy）的關(guān)系

銹蝕后鋼筋截面積與初始截面積的關(guān)系式

2.2 鋼筋與混凝土粘結(jié)性能的退化對鋼筋與混凝土協(xié)同工作的影響

鋼筋銹蝕后在鋼筋與混凝土之間形成一層疏松的氧化物，使鋼筋與混凝土之間的膠結(jié)作用降低，鋼筋的銹蝕產(chǎn)物體積比未銹蝕的鋼筋體積增大，隨著銹蝕程度的加大，鋼筋的銹蝕產(chǎn)物體積膨脹，使混凝土保護(hù)層產(chǎn)生環(huán)向拉力，當(dāng)其環(huán)向拉力大于混凝土的抗拉強(qiáng)度時，混凝土保護(hù)層被脹裂，構(gòu)件沿鋼筋長度方向產(chǎn)生順筋裂縫，使鋼筋與混凝土之間的約束作用減弱，粘結(jié)強(qiáng)度降低，鋼筋與混凝土之間產(chǎn)生滑移，從而影響著鋼筋強(qiáng)度的發(fā)揮，影響著鋼筋混凝土梁整體剛度，最終降低鋼筋與混凝土間的協(xié)同工作性能.

根據(jù)文獻(xiàn)［3］可得混凝土縱向裂縫寬度 （ω：mm）與截面銹蝕率（ηs）的關(guān)系式

整理可得

根據(jù)文獻(xiàn)［4］、［5］，同時結(jié)合式（7）可得不同裂縫寬度（ω：mm）下銹蝕鋼筋與混凝土的協(xié)同工作系數(shù)Ks

2.3 構(gòu)件截面損傷對承載力的影響

當(dāng)銹蝕量較少時，銹脹裂縫未出現(xiàn)，混凝土保護(hù)

λ為混凝土損傷相對高度，λ＝ （hp－0.75d）／d；hp為混凝土的損傷高度；d為混凝土受拉邊緣至受拉鋼筋形心的距離.層未脫落，鋼筋混凝土截面未損傷，故可不考慮截面損傷對構(gòu)件承載力的影響，鋼筋混凝土脫落銹脹裂縫出現(xiàn)后，隨鋼筋銹蝕程度的加深，混凝土保護(hù)層會脫落，鋼筋混凝土的截面會有不同程度的損傷，與未銹蝕構(gòu)件相比，混凝土的受力性能會發(fā)生較大改變，構(gòu)件已不符合平截面的假定，承載力降低.根據(jù)文獻(xiàn)［5］可將無損傷時的構(gòu)件乘以降低系數(shù)Km.

［7］知，同等質(zhì)量銹蝕率下，加速銹蝕對鋼筋力學(xué)性能退化的影響小于自然銹蝕對鋼筋力學(xué)性能退化的影響，因此，加速銹蝕對梁的承載力退化的影響小于自然銹蝕對梁的承載力退化的影響，故需要對加速銹蝕后的梁的承載力乘以修正系數(shù)1.05.最終得到經(jīng)修正后的鋼筋混凝土梁的抗彎承載力：

根據(jù)文獻(xiàn)［6］可得鋼筋銹蝕前鋼筋混凝土梁的抗彎承載力

2.4 對理論公式進(jìn)行驗(yàn)證

最后，通過文獻(xiàn)［7］中的試驗(yàn)數(shù)據(jù)對本文得到的銹后鋼筋混凝土梁的承載力公式進(jìn)行驗(yàn)證，使用了4個銹蝕率下（1.4%，2.2%，5.4%，6.0%）通過加速銹蝕得到的鋼筋混凝土梁的試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行驗(yàn)證，用Mj表示用公式（13）計(jì)算得到的理論計(jì)算值，Ms表示試驗(yàn)值，Mg表示用式（12）計(jì)算得到的規(guī)范值.把ηq代入（1）－（3）式可得ηs，把ηs代入（7）式可得ω，再把ω代入（8）－（9）式可得 Ks，最后根據(jù)式（13）可得理論計(jì)算值Mj，數(shù)據(jù)見表1.

表1 理論計(jì)算值、試驗(yàn)值及規(guī)范值結(jié)果對比表

通過文獻(xiàn)［8］可知鋼筋混凝土梁受彎承載力安全儲備系數(shù)a＝1.25，分析以上試驗(yàn)數(shù)據(jù)可知，當(dāng)銹蝕率小于6.0%時，用規(guī)范式（12）及（13）計(jì)算都滿足安全儲備要求，即 Ms／Mj＞1.25，Ms／Mg＞1.25，且用（13）式計(jì)算更接近試驗(yàn)承載力，達(dá)到66%以上時，用式（12）計(jì)算承載力即可；當(dāng)銹蝕率大于6.0%時，用規(guī)范式（12）計(jì)算承載力已不滿足安全儲備要求，即 Ms／MgMs／Mj＞1.25，計(jì)算值達(dá)到試驗(yàn)值的75%，此時用式（13）計(jì)算承載力可靠.

3 結(jié)論

本文結(jié)合銹蝕鋼筋截面損傷和力學(xué)性能的變化、銹蝕鋼筋和混凝土間粘結(jié)性能的退化、構(gòu)件截面的損傷，考慮不同銹蝕率下質(zhì)量銹蝕率和截面銹蝕率的換算關(guān)系，并通過現(xiàn)行規(guī)范得出了銹蝕后鋼筋混凝土梁的受彎承載力的計(jì)算式，但試驗(yàn)驗(yàn)證銹蝕率只在6.0%以內(nèi)，具有一定的局限性，因此還需要大量的試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)一步驗(yàn)證其可靠性，并進(jìn)一步進(jìn)行修正.

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