鋼筋銹蝕對(duì)混凝土梁結(jié)構(gòu)性能的影響研究

李利民

（中鐵十一局集團(tuán)城市軌道工程有限公司，湖北 武漢430074）

對(duì)于鋼筋混凝土構(gòu)件，鋼筋和混凝土能共同工作的基礎(chǔ)是二者之間具有足夠的粘結(jié)強(qiáng)度。根據(jù)退化機(jī)理分析，銹蝕鋼筋的力學(xué)性能退化以及銹蝕鋼筋與混凝土粘結(jié)性能退化是導(dǎo)致鋼筋混凝土銹蝕梁的結(jié)構(gòu)性能退化的主要因素。鋼筋混凝土受彎構(gòu)件是鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)中重要的受力構(gòu)件。目前，對(duì)于銹蝕鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)性能退化的研究多以梁構(gòu)件為研究對(duì)象。

1 銹蝕對(duì)混凝土梁破壞特征的影響

銹蝕梁的破壞特征與完好梁有很大的不同。當(dāng)銹蝕程度較小時(shí)，二者幾乎完全相同；但隨著銹蝕程度的加劇，鋼筋與混凝土之間的粘結(jié)性能逐步退化，銹蝕受彎構(gòu)件裂縫逐漸向跨中集中，裂縫數(shù)量減少，間距增大，分布趨于更不均勻；當(dāng)銹蝕量較大時(shí)，粘結(jié)性能嚴(yán)重退化，鋼筋混凝土協(xié)同工作能力下降，裂縫集中在跨中部位。文獻(xiàn)[1]通過(guò)試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，鋼筋不發(fā)生銹蝕，粘結(jié)性能良好，梁跨中純彎段出現(xiàn)了較密的裂縫，在剪彎區(qū)出現(xiàn)較為完全的斜裂縫。最后，在純彎區(qū)段，混凝土受壓破壞，結(jié)構(gòu)表現(xiàn)為正截面彎曲破壞；當(dāng)鋼筋銹蝕率較小時(shí)，在銹蝕區(qū)段裂縫的分布同完好結(jié)構(gòu)相比稀疏一些。其原因是銹蝕使鋼筋與混凝土間的粘結(jié)性能發(fā)生退化，減弱了鋼筋與混凝土間的應(yīng)力傳遞，但尚能較為有效地粘結(jié)，最后的破壞形式仍為混凝土受壓破壞；當(dāng)鋼筋銹蝕率較大時(shí)，鋼筋與混凝土間的粘結(jié)性能產(chǎn)生較大的退化，而且鋼筋的截面面積也產(chǎn)生了較明顯的減小。裂縫的發(fā)展情況同完好結(jié)構(gòu)比較有了較明顯的變化，垂直裂縫明顯變得稀疏，裂縫的發(fā)展區(qū)域向跨中靠近。文獻(xiàn)[2]通過(guò)有限元分析發(fā)現(xiàn)，銹蝕梁的受力特征與鋼筋銹蝕程度有很大關(guān)系：1）銹蝕量較小時(shí)，銹蝕梁的破壞形態(tài)與未銹梁基本相同；2）隨著銹蝕率逐漸增加，鋼筋與混凝土之間的粘結(jié)性能逐漸退化，銹蝕梁裂縫逐漸向跨中集聚，裂縫數(shù)量減少，間距增大，分布趨于更不均勻；3）當(dāng)銹蝕量較大時(shí)，粘結(jié)性能退化嚴(yán)重，鋼筋和混凝土共同工作能力下降，裂縫集中在跨中部位；4）隨銹蝕率的增大，破壞時(shí)梁中部截面開(kāi)裂高度上升，加載點(diǎn)截面更為明顯，說(shuō)明隨著鋼筋與混凝土之間粘結(jié)性能的退化，梁中部中和軸明顯上升。

梁的延性性能與粘結(jié)性能、鋼筋的塑性性能發(fā)展有著密切的關(guān)系。正常的鋼筋混凝土受彎構(gòu)件破壞過(guò)程一般是受拉區(qū)混凝土開(kāi)裂，中和軸上移，受拉區(qū)鋼筋屈服，受壓區(qū)混凝土壓碎。銹蝕梁，在混凝土壓碎時(shí)的荷載與鋼筋屈服是的荷載之比小于正常構(gòu)件，且隨著銹蝕量的增大而減小，即構(gòu)件的延性發(fā)生了退化。文獻(xiàn)[1]通過(guò)對(duì)銹蝕鋼筋混凝土梁的荷載-位移試驗(yàn)結(jié)果得到銹蝕梁在三種不同銹蝕率下的延性比，見(jiàn)表1。

表1 不同銹蝕率鋼筋混凝土梁延性比

分析其原因?yàn)樵阡P蝕率較小的情況下，鋼筋能充分發(fā)揮強(qiáng)度，但粘結(jié)性能的退化使鋼筋塑性性能不能充分發(fā)揮，影響了結(jié)構(gòu)的延性發(fā)揮。在銹蝕率較大的情況下，粘結(jié)性能的破壞導(dǎo)致鋼筋不能發(fā)揮其塑性性能，結(jié)構(gòu)的破壞形式從延性破壞變?yōu)榇嘈云茐摹?/p>

2 銹蝕對(duì)鋼筋混凝土應(yīng)變協(xié)調(diào)關(guān)系的影響

鋼筋與混凝土間變形協(xié)調(diào)關(guān)系是鋼筋混凝土受彎構(gòu)件計(jì)算模型的基本假定之一。對(duì)銹蝕鋼筋混凝土受彎構(gòu)件，試驗(yàn)研究和有限元分析結(jié)果表明，鋼筋銹蝕后，鋼筋和混凝土的粘結(jié)性能退化，增大了鋼筋和混凝土之間的相對(duì)滑移，改變了鋼筋與混凝土之間的應(yīng)變協(xié)調(diào)關(guān)系。當(dāng)銹蝕率較小時(shí)，在跨中同一點(diǎn)處鋼筋應(yīng)變和混凝土應(yīng)變相差較??；當(dāng)銹蝕增大到一定程度時(shí)，在跨中同一點(diǎn)鋼筋應(yīng)變和混凝土應(yīng)變不協(xié)調(diào)程度變化很大，且不協(xié)調(diào)程度隨荷載增加而增大。文獻(xiàn)[2]通過(guò)對(duì)不同銹蝕程度的鋼筋混凝土梁在同一截面的應(yīng)變歷程變化分析得到，開(kāi)裂之前，混凝土和鋼筋的應(yīng)變基本相同，開(kāi)裂之后混凝土應(yīng)變則明顯大于鋼筋應(yīng)變，而且二者之差隨著銹蝕程度的加劇而增大，反映出銹蝕率增大使鋼筋與混凝土之間應(yīng)變不協(xié)調(diào)程度明顯增大；文獻(xiàn)[3]通過(guò)對(duì)局部銹蝕梁結(jié)構(gòu)數(shù)值模擬分析，認(rèn)為在不同的銹蝕率下，在混凝土開(kāi)裂前，受拉區(qū)鋼筋與混凝土共同受拉，屬線彈性階段，撓度隨荷載呈線性變化。在混凝土開(kāi)裂后，拉力由鋼筋承擔(dān)，撓度逐漸呈現(xiàn)出非線性變化，直至最后撓度發(fā)生突變，而且隨著銹蝕率的增大，撓度發(fā)生突變的起點(diǎn)也在提前。分析其原因，當(dāng)銹蝕率較大時(shí)，鋼筋與混凝土間的粘結(jié)性能發(fā)生退化，減弱了鋼筋與混凝土間的應(yīng)力傳遞，使得鋼筋與混凝土間的協(xié)調(diào)變形能力下降。

3 銹蝕對(duì)鋼筋混凝土受彎構(gòu)件剛度的影響

文獻(xiàn)[1]通過(guò)對(duì)鋼筋平均銹蝕率為 0%、2%、5%、8%、10%、11%、12%的混凝土梁試驗(yàn)，研究了不同銹蝕率下的荷載-撓度變化，研究結(jié)果表明，在受拉區(qū)混凝土開(kāi)裂之前，鋼筋銹蝕程度對(duì)跨中撓度影響較小，在該階段，構(gòu)件的剛度基本表現(xiàn)為彈性剛度。受拉區(qū)混凝土開(kāi)裂之后，構(gòu)件的荷載-撓度曲線基本上仍為直線段，隨著銹蝕程度的增加，直線段的斜率呈下降趨勢(shì)，在銹蝕程度高時(shí)這種趨勢(shì)更加明顯，它反映了構(gòu)件山于粘結(jié)性能退化引起的剛度退化。文獻(xiàn)[3]認(rèn)為隨著受拉區(qū)混凝土的開(kāi)裂，構(gòu)件剛度有一個(gè)突變，突變程度和銹蝕程度有很大關(guān)系。在銹蝕較小的情況下，突變很小，說(shuō)明當(dāng)銹蝕率較小時(shí)，受拉區(qū)混凝土的開(kāi)裂不會(huì)立刻引起鋼筋和混凝土之間產(chǎn)生很大的滑移。在銹蝕率較大的情況下，突變較大，說(shuō)明在銹蝕程度較嚴(yán)重的情況下，受拉區(qū)混凝土的開(kāi)裂會(huì)立刻引起鋼筋和混凝土之間產(chǎn)生較大的滑移。在比較不同銹蝕程度受彎構(gòu)件受拉區(qū)混凝土開(kāi)裂后的剛度發(fā)現(xiàn)，在鋼筋混凝土受彎構(gòu)建中存在一個(gè)粘結(jié)滑移退化界限，當(dāng)粘結(jié)滑移退化程度小于該界限是，銹蝕引起的粘結(jié)滑移退化對(duì)構(gòu)件剛度影響較??；當(dāng)粘結(jié)滑移退化程度大于該界線時(shí)，銹蝕引起的粘結(jié)滑移退化對(duì)構(gòu)件剛度影響較大。文獻(xiàn)[4]通過(guò)對(duì)銹蝕鋼筋混凝土梁的自振頻率測(cè)試結(jié)果可以看出，局部梁段的鋼筋銹蝕和橫向裂縫的出現(xiàn)都將使試驗(yàn)梁的自振頻率降低，這說(shuō)明鋼筋銹蝕所造成的梁段剛度降低比較嚴(yán)重。

4 結(jié)語(yǔ)

混凝土中鋼筋發(fā)生銹蝕后，鋼筋的有效斷面減少，力學(xué)性能劣化，混凝土保護(hù)層銹脹開(kāi)裂也將引起混凝土有效斷面減少，并造成鋼筋與混凝土之間粘結(jié)性能退化，影響鋼筋與混凝土的共同工作，對(duì)混凝土梁破壞特征、鋼筋混凝土應(yīng)變協(xié)調(diào)關(guān)系及鋼筋混凝土受彎構(gòu)件剛度等結(jié)構(gòu)性能指標(biāo)均造成了一定程度的影響，致使構(gòu)件結(jié)構(gòu)性能發(fā)生變化。

［1］袁迎曙，余索.銹蝕鋼筋混凝土梁的結(jié)構(gòu)性能退化[J].建筑結(jié)構(gòu)學(xué)報(bào)，1997，18（4）：51-57.

［2］李自超.銹蝕鋼筋混凝土構(gòu)件性能退化及承載力研究[D].上海：同濟(jì)大學(xué)，2006.

［3］閃勇.銹蝕鋼筋混凝土梁抗彎承載力的數(shù)值模擬[D].鄭州：鄭州大學(xué)，2006.

［4］趙新.鋼筋混凝土梁銹蝕損傷定位譽(yù)區(qū)別[J].振動(dòng)與沖擊，2007，20（3）：35-38.