應力集中對銹蝕鋼筋力學性能的影響

【摘 要】本文以一般大氣環(huán)境下鋼筋混凝土結構中取出的銹蝕箍筋為研究對象，通過銹蝕鋼筋的拉伸試驗，得到銹坑處應力集中對銹蝕鋼筋力學性能的影響。

【關鍵詞】銹蝕鋼筋；應力集中；力學性能

引言

鋼筋銹蝕是造成混凝土結構耐久性劣化的主要因素之一，其中，鋼筋銹蝕后力學性能退化，嚴重地影響到混凝土構件的承載能力。因此，研究銹蝕鋼筋力學性能退化對鋼筋混凝土結構的耐久性評估具有重要意義。目前，對于銹蝕鋼筋承載力的研究，主要存在以下兩種觀點：

銹蝕鋼筋的承載力下降主要與有效截面面積的減小有關，不受應力集中的影響[1][2][3]。

銹蝕鋼筋承載力下降與有效截面面積減小及應力集中有關[4][5]。對銹蝕鋼筋極限延伸率的研究均持有相同的觀點，即隨著質量損失率的增大，極限延伸率減小。

綜合以上觀點，各學者對銹蝕鋼筋承載力下降的研究成果不一致，分析原因是對銹坑處應力集中的看法不同導致，因此，開展銹坑處應力集中的研究具有實際意義。

1.試驗概況

本試驗的銹蝕鋼筋取自西安市多幢建于上世紀70到90年代的住宅，獲取的銹蝕鋼筋均為光圓鋼筋，其直徑分別為6.5mm和8mm，共74根及9根未銹鋼筋。

靜拉伸試驗采用DNS300型電子萬能試驗機，拉伸過程中，計算機自動繪出荷載-位移曲線，拉斷后，將試樣斷裂部分仔細配接，采用游標卡尺準確量取標距范圍內的伸長量，計算斷后伸長率。

2.銹蝕鋼筋承載力退化的研究

當忽略應力集中的影響時，認為銹蝕鋼筋承載力退化是由于鋼筋有效截面面積減小導致，由此可得以下公式：

通過試驗結果，將銹蝕鋼筋的名義屈服強度相對值和名義極限強度相對值與最大截面損失率進行回歸分析，得到圖1所示關系。

由圖可知，銹蝕鋼筋的名義屈服強度相對值和名義極限強度相對值與最大截面損失率的回歸線與45度直線存在差異，并且斜率較45度直線小。由此證明，銹蝕鋼筋的力學性能退化不僅與有效截面面積的減小有關還受應力集中的影響。

當帶缺口試件受拉時，在缺口頂面處產生應力集中現(xiàn)象，該集中的應力通過變形的方式釋放。此時會出現(xiàn)三種情況[6]。

（1）若材料脆性較高，產生的塑性變形極小，該集中應力始終位于缺口頂面處，這就會導致試件的過早脆性斷裂，這時缺口試件的強度小于同一材料光滑試件的強度。

（2）若材料存在一定程度的塑性，當缺口頂端應力集中時，材料會產生一定的塑性變形使得集中的應力得到松弛，還可以繼續(xù)加載。因此，對于具有一定塑性的試件，斷裂強度可能稍低于或稍高于同一材料光滑試件的斷裂強度。

（3）若材料的塑性較高時，在缺口頂端處的集中應力會不斷由塑性變形所松弛，并且由于材料塑性較高，塑性區(qū)逐漸向試樣中心擴展，最大應力也逐漸向中心移動，試件所受荷載繼續(xù)增大，最終出現(xiàn)沿缺口截面的全截面屈服，當試件斷裂時，其強度高于同一材料光滑試件的強度。

綜上所述，對于有缺口的試件，由于材料的脆性或塑性程度不同，在缺口處集中應力的釋放方式不同及多軸應力狀態(tài)不同，導致試件的實際強度存在較大的差異。因此，使得銹蝕鋼筋的實際強度可能大于或小于同一材料未銹蝕試件的強度。

3.銹蝕鋼筋極限延伸率退化的研究

由于多軸應力狀態(tài)阻礙銹坑處的塑性變形，減小鋼筋破壞時的頸縮現(xiàn)象，導致銹蝕鋼筋在“硬”性狀態(tài)下發(fā)生脆性破壞，此時銹蝕鋼筋在銹坑處突然斷裂，而其他截面還未發(fā)生充分的塑性變形，因此，伸長率總會呈現(xiàn)下降趨勢。

由此可知，銹蝕鋼筋伸長率的減小是由兩部分組成，即頸縮現(xiàn)象消失和突然斷裂造成其他部位的變形未完全發(fā)展。但歸結起來還是由于鋼筋脆性破壞導致的，而脆性破壞與銹坑處多軸應力狀態(tài)有關。因此，有必要研究銹蝕鋼筋銹坑深度對伸長率的影響。

本節(jié)仍以銹蝕鋼筋極限延伸率相對值研究，由于直徑不同的鋼筋，相同銹坑深度產生的影響不同，因此，為消除該因素的影響，以銹坑深度與直徑的比值這一相對值進行研究。圖2為銹蝕鋼筋極限延伸率相對值與銹坑深徑比之間的關系。

由圖可知，銹蝕鋼筋極限延伸率相對值隨銹坑深徑比的增大而減小，因此，認為銹蝕鋼筋的銹坑深度對鋼筋伸長率的減小有顯著影響。

4.結論

1.通過銹蝕鋼筋拉伸試驗發(fā)現(xiàn)，銹蝕鋼筋的名義屈服強度相對值、名義極限強度相對值和極限延伸率相對值隨質量損失率的增大而減小，但在同一質量損失率下，銹蝕鋼筋的力學性能仍存在差異。

2.研究發(fā)現(xiàn)，銹坑處由于應力集中及多軸應力狀態(tài)的影響，使得銹蝕鋼筋實際強度隨材料塑性下降程度的不同有增大或減小的趨勢。

參考文獻：

[1]Abdullah A.Almusallam.Effect of degree of corrosion on the properties of reinforcing steel bars [J].Construction and Building Materials，2001（5）：361-368.

[2]孫維章，梁宋湘，羅建群.銹蝕鋼筋剩余承載能力的研究[J].水利水運科學研究，1993（2）：169-179.

[3]張建仁，岳建彬.混凝土中光圓與變形鋼筋腐蝕對比分析[J].長沙交通學院學報，2007，23（2）：1-4，19.

[4]Ragnar Palsson， M. saeed Mirza.Mechanical response of corroded steel reinforcement of abandoned concrete bridge [J].ACI Structure Journal，2002（99）：157-162.

[5]代紅超.銹蝕鋼筋力學性能退化機理及隨機本構關系[D].上海：同濟大學，2008.

[6]黃志明，石德珂，金志浩.金屬力學性能[M]. 西安：西安交通大學出版社，1986：36-99.