老舊鋼筋混凝土梁性能退化試驗(yàn)研究

林 遲

(福州市城鄉(xiāng)建設(shè)委員會(huì) 福建福州350003)

受自身材料特性和使用環(huán)境的影響，混凝土結(jié)構(gòu)不可避免地存在耐久性問(wèn)題，其中鋼筋銹蝕引起的結(jié)構(gòu)性能退化無(wú)疑是影響整體結(jié)構(gòu)安全性能的重要原因之一。我國(guó)作為建設(shè)大國(guó)，目前正以前所未有的巨大投資進(jìn)行著空前規(guī)模的基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)［1，2］，同時(shí)城市中也普遍存在大量服役時(shí)間較長(zhǎng)的老舊建筑。汶川地震后都江堰市的震害表明［3］，受結(jié)構(gòu)性能退化等原因影響，不同服役齡期的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的抗震能力差異較大。對(duì)老齡期混凝土結(jié)構(gòu)的性能退化研究，多采用人工加速退化所得的構(gòu)件進(jìn)行試驗(yàn)，極少有實(shí)際結(jié)構(gòu)構(gòu)件的性能退化試驗(yàn)數(shù)據(jù)。為此本文利用遼寧旅順沿海地區(qū)上世紀(jì)20年代的一批老舊鋼筋混凝土梁，對(duì)鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)各項(xiàng)材料性能的退化規(guī)律進(jìn)行試驗(yàn)研究，并對(duì)鋼筋粘結(jié)性能不足時(shí)鋼筋混凝土梁的抗彎能力進(jìn)行分析，以彌補(bǔ)結(jié)構(gòu)性能退化實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的不足。

1 試驗(yàn)梁背景

試驗(yàn)建筑位于大連市旅順口區(qū)文化街，始建于1927年，原為日據(jù)時(shí)期的軍官俱樂(lè)部，拆遷前使用功能為賓館及網(wǎng)吧，從谷歌地圖上測(cè)量該建筑到海邊的距離約為600m見(jiàn)(圖1)。結(jié)構(gòu)形式為磚混結(jié)構(gòu)，主體結(jié)構(gòu)3層，采用現(xiàn)澆混凝土樓板。為獲得該結(jié)構(gòu)的混凝土梁，先鑿除梁范圍外的混凝土樓板見(jiàn)(圖2)，然后沿梁邊緣將鋼筋切斷，之后采用兩點(diǎn)吊裝將梁從結(jié)構(gòu)中緩慢吊下，吊裝過(guò)程未發(fā)現(xiàn)梁底開(kāi)裂。所取梁位于建筑三樓，其截面尺寸為700mm×300mm，長(zhǎng)度約為7m，混凝土保護(hù)層厚度約3.5cm，采用光圓鋼筋，結(jié)構(gòu)的配筋圖見(jiàn)(圖3)所示。

2 試驗(yàn)梁抗彎性能試驗(yàn)

2.1 試驗(yàn)場(chǎng)地準(zhǔn)備與設(shè)備

試驗(yàn)選擇在大連理工大學(xué)結(jié)構(gòu)實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行。試驗(yàn)準(zhǔn)備包括梁的吊裝、試驗(yàn)場(chǎng)地準(zhǔn)備、梁刷白和粘貼傳感器等步驟。我們通過(guò)卡車和吊車將梁從旅順運(yùn)回大連，之后選擇好試驗(yàn)場(chǎng)地，將梁吊進(jìn)試驗(yàn)室見(jiàn)(圖4)。經(jīng)過(guò)粘貼應(yīng)變片和刷白等處理工序，完成梁加載前的準(zhǔn)備工作。

2.2 加載準(zhǔn)備

選用三分點(diǎn)加載方式，試驗(yàn)加載及應(yīng)變片布置示意圖見(jiàn)(圖5)。采用高壓油泵通過(guò)兩個(gè)并聯(lián)液壓千斤頂進(jìn)行加載，利用位移計(jì)測(cè)量跨中以及梁兩端的位移，同時(shí)在跨中和沿斜裂縫開(kāi)展方向粘貼應(yīng)變片。加載設(shè)備和測(cè)量設(shè)備見(jiàn)(圖6)所示。

圖1 試驗(yàn)建筑在地圖中的位置

圖2 梁拆除過(guò)程

圖3 梁截面尺寸及配筋(截面4同截面3)

圖4 梁吊裝進(jìn)實(shí)驗(yàn)室

圖5 試驗(yàn)加載及應(yīng)變片布置圖

圖6 試驗(yàn)設(shè)備與加載

2.3 加載

采用C25混凝土和Q235鋼筋近似實(shí)際材料，預(yù)估試驗(yàn)梁的開(kāi)裂荷載和破壞荷載，計(jì)算過(guò)程如下:

參照《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB50010－2010)［4］，該梁的破壞彎矩為:

參照《水工混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》［5］(SL 191－2008)，鋼筋混凝土受彎構(gòu)件的開(kāi)裂彎矩為:

式中，γm——截面抵抗矩塑性系數(shù)，對(duì)于矩形截面取1.55;

ftk——混凝土軸心抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值;

I0——試驗(yàn)梁換算截面慣性矩;

y0——試驗(yàn)梁截面形心軸至受拉邊緣距離;

αE——鋼筋彈性模量和混凝土彈性模量之比;

Ec——混凝土彈性模量;

ρ——縱向受拉鋼筋配筋率

代入各參數(shù)值可得:

加載在大連理工大學(xué)結(jié)構(gòu)實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行，按照試驗(yàn)方案的要求，這個(gè)加載過(guò)程包括預(yù)加載、加載和卸載，結(jié)構(gòu)的破壞模式如圖7所示。整個(gè)加載過(guò)程先是底部混凝土開(kāi)裂(開(kāi)裂彎矩約為100kNm)，接著底部鋼筋開(kāi)始屈服(屈服彎矩約為300kNm)，最后頂部混凝土壓壞，梁發(fā)生適筋梁破壞。

圖7 構(gòu)件破壞模式

2.4 試驗(yàn)梁材料性能試驗(yàn)

為進(jìn)一步對(duì)構(gòu)件的性能退化程度及材料性能對(duì)構(gòu)件承載能力的影響進(jìn)行分析，我們分別對(duì)構(gòu)件的混凝土、鋼筋以及鋼筋混凝土之間的粘結(jié)性能進(jìn)行了研究測(cè)量。

(圖8)為混凝土抗壓強(qiáng)度測(cè)量試驗(yàn)，在梁上部區(qū)域進(jìn)行鉆芯取樣，共取了12個(gè)樣本，經(jīng)過(guò)處理，選擇6個(gè)形態(tài)好的樣本進(jìn)行抗壓試驗(yàn)。(圖9)為鋼筋混凝土粘結(jié)力測(cè)量試驗(yàn)，首先對(duì)可進(jìn)行粘結(jié)拉拔試驗(yàn)的鋼筋混凝土部分進(jìn)行切割，其次在試驗(yàn)室對(duì)試塊進(jìn)行打磨處理，切割成橫截面為150mm×150mm的長(zhǎng)方形試塊。由于實(shí)際構(gòu)件中取樣的困難和試驗(yàn)后構(gòu)件中混凝土開(kāi)裂的影響，此次只取兩個(gè)試塊(三個(gè)鋼筋可供拉拔)進(jìn)行試驗(yàn)。由于鋼筋力學(xué)性能較為穩(wěn)定，因此選取兩根梁底部鋼筋進(jìn)行拉伸試驗(yàn)。

圖8 混凝土鉆芯取樣和樣本處理

2.5 試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

(圖10)為鋼筋的本構(gòu)試驗(yàn)曲線，結(jié)果顯示，兩個(gè)鋼筋試件的抗拉曲線基本相同，屈服應(yīng)力約為250MPa。(圖11)顯示，該梁鋼筋與混凝土的最大粘結(jié)力約為4MPa，其中樣本1與樣本2的拉拔試驗(yàn)結(jié)果較為接近，而樣本3在粘結(jié)應(yīng)力達(dá)到最大時(shí)的滑移量大于其它樣本，達(dá)到了1cm。

圖9 鋼筋混凝土粘結(jié)力測(cè)量試驗(yàn)

圖10 鋼筋本構(gòu)試驗(yàn)結(jié)果

圖11 鋼筋粘結(jié)應(yīng)力－滑移曲線

圖12 梁抗彎承載力加載結(jié)果

混凝土的鉆芯取樣結(jié)果如(表1)所示，混凝土抗壓強(qiáng)度平均值約為28.12MPa?；炷撂蓟疃葴y(cè)試見(jiàn)(表2)，試件編號(hào)是按照其所在位置確定的:1號(hào)試件較為靠近梁端，碳化深度較淺;2號(hào)試件較為接近跨中，碳化深度較深，約為6.5cm;3號(hào)和4號(hào)試件處在兩者之間，碳化深度約為2.5cm。(表3)為底部縱筋和箍筋的銹蝕測(cè)量結(jié)果，如表所示，鋼筋的銹蝕量較小，均小于1%，表明鋼筋當(dāng)時(shí)的施工質(zhì)量較好鋼筋在服役80年后仍然能保持較好的工作狀態(tài)。

梁抗彎承載力的試驗(yàn)結(jié)果和有限元模擬結(jié)果見(jiàn)(圖12)。梁構(gòu)件的最大承載力約為300kN·m，其中在進(jìn)行第二根梁試驗(yàn)時(shí)，當(dāng)跨中變形達(dá)到60mm時(shí)進(jìn)行了卸載，卸載曲線斜率與加載時(shí)曲線曲率基本相同。采用有限元建模方法分析時(shí)，不考慮粘結(jié)滑移影響，并假定鋼筋和混凝土可以協(xié)同變形，此時(shí)梁的破壞彎矩約為450kN·m?？梢?jiàn)除了混凝土、鋼筋的強(qiáng)度退化需要考慮外，鋼筋與混凝土之間的粘結(jié)力不足對(duì)鋼筋混凝土構(gòu)件承載力的影響也不容忽視。

歐洲混凝土規(guī)范CEB－FIP model code 1990(MC90)［6］對(duì)該直徑螺紋鋼筋粘結(jié)應(yīng)力的建議值約為13MPa，若粘結(jié)力不足則不能采用平截面假定。老齡期的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)曾普遍采用光圓鋼筋，光圓鋼筋與混凝土之間的粘結(jié)力主要依靠二者之間的摩擦力，其值大大小于螺紋鋼筋與混凝土之間的機(jī)械咬合力，同時(shí)在環(huán)境作用下，螺紋鋼筋銹蝕等因素也會(huì)導(dǎo)致其粘結(jié)力降低。本文所取構(gòu)件中光圓鋼筋雖未銹蝕，但與混凝土的最大粘結(jié)力約為4MPa，遠(yuǎn)小于規(guī)范要求的13MPa;若螺紋鋼筋發(fā)生銹蝕，其粘結(jié)力也將大大降低。在結(jié)構(gòu)分析中，上述情況都?xì)w結(jié)為粘結(jié)性能不足，均需通過(guò)調(diào)整鋼筋與混凝土的粘結(jié)力來(lái)表征結(jié)構(gòu)整體的性能變化。

現(xiàn)有規(guī)范計(jì)算方法均基于平截面假定，無(wú)法考慮粘結(jié)性能不足產(chǎn)生的粘結(jié)滑移，采用現(xiàn)有方法進(jìn)行鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)抗震能力分析，必然降低了結(jié)構(gòu)的安全性，應(yīng)發(fā)展實(shí)用可靠的分析方法重新對(duì)鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的承載力進(jìn)行評(píng)估，本文的試驗(yàn)結(jié)果可為相關(guān)方法研究提供真實(shí)構(gòu)件的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)。

表1 混凝土鉆芯取樣強(qiáng)度

表2 混凝土碳化深度測(cè)量(單位:mm)

表3 鋼筋銹蝕量測(cè)量(單位:%)

3 小結(jié)

本文利用遼寧旅順沿海地區(qū)上世紀(jì)20年代的一批老舊鋼筋混凝土梁，對(duì)鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)各項(xiàng)材料性能的退化規(guī)律進(jìn)行試驗(yàn)研究，獲得了一批重要的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，可彌補(bǔ)老舊混凝土結(jié)構(gòu)性能退化研究時(shí)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)匱乏的不足。

通過(guò)此次老舊鋼筋混凝土梁的抗彎承載力試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)老齡期的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)普遍存在粘結(jié)力不足或者退化的情況，不考慮粘結(jié)力不足的梁抗彎承載力與實(shí)際加載結(jié)果相差較大，特別是對(duì)早期的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，光圓鋼筋的應(yīng)用比例較高，而粘結(jié)性能較差。同時(shí)我們還發(fā)現(xiàn)，不同配筋率下粘結(jié)性能退化對(duì)RC構(gòu)件的極限承載力的影響不同，若單純只用一個(gè)折減系數(shù)來(lái)考慮粘結(jié)性能的影響還不夠全面。因此鋼筋混凝土的粘結(jié)性能是影響鋼混構(gòu)件承載力的主要因素之一，迫切需要提出考慮鋼筋粘結(jié)滑移的RC結(jié)構(gòu)抗震能力分析方法，完善多齡期結(jié)構(gòu)抗震能力的分析方法。

［1］金偉良，呂清芳，趙羽習(xí)，干偉忠.混凝土結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計(jì)方法與壽命預(yù)測(cè)研究進(jìn)展［J］.建筑結(jié)構(gòu)學(xué)報(bào)，2007，28(1):7－13.

［2］金偉良，鐘小平.結(jié)構(gòu)全壽命的耐久性與安全性、適用性的關(guān)系［J］.建筑結(jié)構(gòu)學(xué)報(bào)，2009，30(6):1－7.

［3］林遲，侯爽，歐進(jìn)萍.汶川地震中都江堰市多齡期建筑震害特征［J］.大連理工大學(xué)學(xué)報(bào)，2009，49(5):748－753.

［4］GB50010－2010.混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范［S］.

［5］SL 191－2008.水工混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范［S］.北京:中國(guó)水利水電出版社，2008.

［6］Comite Euro－International du Beton.CEB－FIP model code 1990.Telford.1993:83.