銹蝕鋼混構(gòu)件的抗力退化規(guī)律研究

賈大多 王延彬

1 南陽(yáng)市建筑公司（473004） 2 河南四銘工程管理有限公司（473000）

銹蝕鋼混構(gòu)件的抗力退化規(guī)律研究

賈大多1王延彬2

1 南陽(yáng)市建筑公司（473004） 2 河南四銘工程管理有限公司（473000）

針對(duì)由氯離子侵蝕引起的銹蝕鋼混構(gòu)件的抗力退化，首先分析了氯離子在混凝土中的擴(kuò)散規(guī)律，然后考慮混凝土的抗壓強(qiáng)度隨時(shí)間變化，分析分構(gòu)件類型對(duì)銹蝕構(gòu)件抗力退化的機(jī)理，并給出了時(shí)變抗力R(t)的計(jì)算方法。

構(gòu)件；銹蝕；抗力；退化

實(shí)際工程結(jié)構(gòu)在建成后就不斷地發(fā)生老化,結(jié)構(gòu)構(gòu)件的抗力隨時(shí)間不斷衰減，應(yīng)作為隨機(jī)過(guò)程（R(t)）來(lái)研究[1]。對(duì)于鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)來(lái)說(shuō)，鋼筋銹蝕是導(dǎo)致結(jié)構(gòu)構(gòu)件抗力退化的主要因素之一，而氯離子侵蝕是導(dǎo)致銹蝕發(fā)生的主要原因之一[2]。因此，這里針對(duì)氯離子侵蝕對(duì)鋼混構(gòu)件性能的影響，研究了銹蝕構(gòu)件的抗力衰減規(guī)律。

1 氯離子在混凝土中的擴(kuò)散規(guī)律

目前，普遍采用的討論氯離子擴(kuò)散的理論基礎(chǔ)為Fick第二定律[3]:

其中:t——時(shí)間；x——距混凝土表面的距離；D——氯離子擴(kuò)散系數(shù)；Ct——x處的氯離子總濃度，它包括自由氯離子濃度Cf和結(jié)合氯離子濃度Cb，定義氯離子結(jié)合能力

在水化齡期為t0（28d）時(shí)測(cè)定混凝土的擴(kuò)散系數(shù)為D0，記t時(shí)刻混凝土的氯離子擴(kuò)散系數(shù)為Dt，則存在以下關(guān)系[4]:

tmax——對(duì)擴(kuò)散系數(shù)衰減的最大影響時(shí)間，一般取25～30年。

考慮到混凝土在使用過(guò)程中發(fā)生的性能劣化，定義K為氯離子擴(kuò)散性能的劣化效應(yīng)系數(shù)，擴(kuò)散系數(shù)用等效擴(kuò)散系數(shù)De＝KDt表示[5]。

得到氯離子擴(kuò)散性能的計(jì)算方程為:

結(jié)合初始條件:t=t0，x＞0時(shí)，Cf＝C0；邊界條件:x= 0，t＞t0時(shí)，Cf＝Cs，得到混凝土中氯離子濃度的計(jì)算公式如下:

其中C0是t=t0時(shí)混凝土內(nèi)的氯離子濃度；Cs是混凝土暴露表面的氯離子濃度；erf 為誤差函數(shù)，

2 銹蝕鋼混構(gòu)件抗力的退化規(guī)律

2.1 混凝土抗壓強(qiáng)度的時(shí)變規(guī)律

混凝土的抗壓強(qiáng)度也在隨時(shí)間變化，根據(jù)現(xiàn)有研究成果，與時(shí)間的定量關(guān)系可描述為:

可取這兩式計(jì)算結(jié)果的平均值為選用值，即:

其中

2.2 鋼筋銹蝕對(duì)鋼混構(gòu)件抗力的影響

鋼筋銹蝕對(duì)構(gòu)件抗力的影響主要體現(xiàn)在三個(gè)方面:1）鋼筋銹蝕后體積膨脹，混凝土保護(hù)層將沿鋼筋產(chǎn)生縱裂，乃至脫落，鋼筋外圍混凝土被分割成未能良好連接的幾部分，造成參與受力的混凝土有效截面減少。對(duì)于軸心受壓和小偏心受壓來(lái)說(shuō)，破壞是由于受壓混凝土達(dá)到其抗壓強(qiáng)度，故混凝土受壓面積的大小直接影響構(gòu)件的承載力，因而幾何損傷對(duì)受壓構(gòu)件承載力降低程度的影響很大[8]。2）銹蝕后鋼筋的截面損失和強(qiáng)度降低會(huì)直接影響到構(gòu)件的承載能力。3）鋼筋銹蝕后的銹脹效應(yīng)使其與混凝土之間的黏結(jié)作用受到影響，導(dǎo)致協(xié)同工作能力下降，構(gòu)件的受力性能降低。

對(duì)于不同的構(gòu)件類型，這一影響的效應(yīng)具體體現(xiàn)為:

1）受彎構(gòu)件

鋼筋銹蝕會(huì)使受彎構(gòu)件的抗彎強(qiáng)度降低。試驗(yàn)中構(gòu)件抗彎極限承載力的最大降低值為23.5%，可見(jiàn)影響程度不容忽視。原因除了鋼筋本身截面減少這個(gè)因素外,還有就是由于銹蝕使黏結(jié)力降低，破壞區(qū)段內(nèi)銹蝕構(gòu)件的混凝土和鋼筋的平均應(yīng)變大于正常構(gòu)件，不能充分地進(jìn)行應(yīng)力應(yīng)變重分布。

2）偏心受壓構(gòu)件

對(duì)于大偏心的受壓銹蝕構(gòu)件，開(kāi)裂荷載與破壞荷載的比值明顯大于正常構(gòu)件,構(gòu)件延性明顯降低。在鋼筋剛屈服后不久，壓區(qū)混凝土即被壓碎，破壞荷載顯著低于正常的構(gòu)件。

對(duì)于小偏心的受壓銹蝕構(gòu)件，破壞前沒(méi)有明顯預(yù)兆，受拉鋼筋應(yīng)力較小。當(dāng)受壓區(qū)鋼筋屈服、混凝土達(dá)到抗壓強(qiáng)度時(shí)發(fā)生破壞，因此出現(xiàn)脆性破壞的性質(zhì)。構(gòu)件在同級(jí)荷載作用下的鋼筋和混凝土的應(yīng)變及側(cè)向撓度均明顯大于正常構(gòu)件。破壞荷載顯著低于正常構(gòu)件。

2.3 銹蝕構(gòu)件抗力退化規(guī)律的計(jì)算

對(duì)于鋼筋發(fā)生銹蝕的構(gòu)件，當(dāng)用正常構(gòu)件的計(jì)算方法進(jìn)行強(qiáng)度計(jì)算時(shí)，應(yīng)根據(jù)銹蝕開(kāi)裂和損傷程度的不同，分別考慮鋼筋截面損失、屈服強(qiáng)度損失，以及混凝土的截面損失和黏結(jié)應(yīng)力的損失等所引起的構(gòu)件強(qiáng)度降低。具體方法如下:

1）對(duì)于銹蝕較少，混凝土保護(hù)層尚未開(kāi)裂的構(gòu)件，可以不考慮黏結(jié)力損失引起的強(qiáng)度降低。

鋼筋直徑減小，導(dǎo)致鋼筋的截面積As減小:

式中:n為鋼筋根數(shù)；di（t）為第i根鋼筋t時(shí)刻的直徑。

鋼筋自身的抗拉強(qiáng)度也降低:

式中:fys為鋼筋降低后的抗拉強(qiáng)度；ρs為鋼筋截面損失率。

構(gòu)件的彎曲抗力M和剪切抗力Vcs也減小，結(jié)合現(xiàn)行混凝土設(shè)計(jì)規(guī)范，構(gòu)件的時(shí)變抗彎強(qiáng)度可按下式計(jì)算:

混凝土受壓區(qū)高度x由下式確定:

式中:f'c（t）為混凝土動(dòng)態(tài)抗壓強(qiáng)度；fys、f'ys為縱筋抗拉、抗壓強(qiáng)度；h0為截面有效高度；b為截面寬度；a's為受壓區(qū)縱向鋼筋合力點(diǎn)到截面受壓邊緣的距離。

構(gòu)件的時(shí)變抗剪強(qiáng)度可按下式計(jì)算:

式中:fyvs為箍筋銹蝕后的抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值；Asv（t）為箍筋截面積；s為箍筋間距。

2）對(duì)于保護(hù)層已經(jīng)開(kāi)裂的銹蝕受彎構(gòu)件，還需要考慮黏結(jié)力損失造成的影響。黏結(jié)力損失引起的強(qiáng)度降低系數(shù)η，可按如下原則取值:

①當(dāng)縱裂寬度W≤0.5mm時(shí)，取η=1.0；

②當(dāng)0.5mm＜W＜2.0mm時(shí)，

③對(duì)于W＞2.0mm至保護(hù)層完全脫落的構(gòu)件，η位于0.7～0.8之間。

3）對(duì)于保護(hù)層已經(jīng)開(kāi)裂的偏心受壓構(gòu)件，也應(yīng)考慮黏結(jié)力損失引起的強(qiáng)度降低，降低系數(shù)η的取值同上述受彎構(gòu)件。此外還須考慮截面幾何損傷對(duì)承載能力的影響，考慮幾何損傷后的截面尺寸采用如下公式計(jì)算:

式中:h、b為截面原有高度和寬度(mm)；h′、b′為損傷后截面計(jì)算高度和計(jì)算寬度(mm)；α為幾何損傷系數(shù)；c1、c2是構(gòu)件長(zhǎng)度方向兩側(cè)保護(hù)層厚度(mm)；c3、c4為構(gòu)件寬度方向兩側(cè)保護(hù)層厚度(mm)。

3 結(jié)語(yǔ)

這里研究了氯離子侵蝕下鋼混構(gòu)件的抗力衰減規(guī)律問(wèn)題，主要做了以下工作:

1）氯離子在混凝土中的擴(kuò)散規(guī)律。

2）考慮了混凝土抗壓強(qiáng)度的時(shí)變性，分析了分構(gòu)件類型對(duì)銹蝕構(gòu)件抗力退化的機(jī)理并給出了時(shí)變抗力的計(jì)算方法。

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