應(yīng)力集中對銹蝕鋼筋力學(xué)性能的影響

【摘 要】本文以一般大氣環(huán)境下鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)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(yīng)力集中對銹蝕鋼筋力學(xué)性能的影響。

【關(guān)鍵詞】銹蝕鋼筋；應(yīng)力集中；力學(xué)性能

引言

鋼筋銹蝕是造成混凝土結(jié)構(gòu)耐久性劣化的主要因素之一，其中，鋼筋銹蝕后力學(xué)性能退化，嚴(yán)重地影響到混凝土構(gòu)件的承載能力。因此，研究銹蝕鋼筋力學(xué)性能退化對鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)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(guān)，不受應(yīng)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(yīng)力集中有關(guān)[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(zhì)量損失率的增大，極限延伸率減小。

綜合以上觀點，各學(xué)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(yīng)力集中的看法不同導(dǎo)致，因此，開展銹坑處應(yīng)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(jì)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(jī)，拉伸過程中，計算機(jī)自動繪出荷載-位移曲線，拉斷后，將試樣斷裂部分仔細(xì)配接，采用游標(biāo)卡尺準(zhǔn)確量取標(biāo)距范圍內(nèi)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(dāng)忽略應(yīng)力集中的影響時，認(rèn)為銹蝕鋼筋承載力退化是由于鋼筋有效截面面積減小導(dǎo)致，由此可得以下公式：

通過試驗結(jié)果，將銹蝕鋼筋的名義屈服強(qiáng)度相對值和名義極限強(qiáng)度相對值與最大截面損失率進(jìn)行回歸分析，得到圖1所示關(guān)系。

由圖可知，銹蝕鋼筋的名義屈服強(qiáng)度相對值和名義極限強(qiáng)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(xué)性能退化不僅與有效截面面積的減小有關(guān)還受應(yīng)力集中的影響。

當(dāng)帶缺口試件受拉時，在缺口頂面處產(chǎn)生應(yīng)力集中現(xiàn)象，該集中的應(yīng)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(chǎn)生的塑性變形極小，該集中應(yīng)力始終位于缺口頂面處，這就會導(dǎo)致試件的過早脆性斷裂，這時缺口試件的強(qiáng)度小于同一材料光滑試件的強(qiáng)度。

（2）若材料存在一定程度的塑性，當(dāng)缺口頂端應(yīng)力集中時，材料會產(chǎn)生一定的塑性變形使得集中的應(yīng)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(qiáng)度可能稍低于或稍高于同一材料光滑試件的斷裂強(qiáng)度。

（3）若材料的塑性較高時，在缺口頂端處的集中應(yīng)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(kuò)展，最大應(yīng)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(dāng)試件斷裂時，其強(qiáng)度高于同一材料光滑試件的強(qiáng)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(yīng)力的釋放方式不同及多軸應(yīng)力狀態(tài)不同，導(dǎo)致試件的實際強(qiáng)度存在較大的差異。因此，使得銹蝕鋼筋的實際強(qiáng)度可能大于或小于同一材料未銹蝕試件的強(qiáng)度。

3.銹蝕鋼筋極限延伸率退化的研究

由于多軸應(yīng)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(dǎo)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(jié)起來還是由于鋼筋脆性破壞導(dǎo)致的，而脆性破壞與銹坑處多軸應(yīng)力狀態(tài)有關(guān)。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(chǎn)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(jìn)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(guān)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(rèn)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(jié)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(qiáng)度相對值、名義極限強(qiáng)度相對值和極限延伸率相對值隨質(zhì)量損失率的增大而減小，但在同一質(zhì)量損失率下，銹蝕鋼筋的力學(xué)性能仍存在差異。

2.研究發(fā)現(xiàn)，銹坑處由于應(yīng)力集中及多軸應(yīng)力狀態(tài)的影響，使得銹蝕鋼筋實際強(qiáng)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(xiàn)：

[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(yùn)科學(xué)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(xué)院學(xué)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(xué)性能退化機(jī)理及隨機(jī)本構(gòu)關(guān)系[D].上海：同濟(jì)大學(xué)，2008.

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