箍筋銹蝕足尺混凝土構(gòu)件抗震性能

羅小勇，梁 巖，梁應(yīng)軍

（1.中南大學(xué) 土木工程學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙 410075；2.鄭州大學(xué) 土木工程學(xué)院，河南 鄭州 450001）

鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)在長(zhǎng)期使用過(guò)程中，由于材料老化、不利環(huán)境及使用不當(dāng)?shù)仍斐傻慕Y(jié)構(gòu)損傷直接導(dǎo)致結(jié)構(gòu)承載力下降、耐久性降低及抗震性能退化［1］.目前，鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)存在的突出問(wèn)題是許多結(jié)構(gòu)處于嚴(yán)重的腐蝕環(huán)境中，同時(shí)又處于地震多發(fā)地帶.中國(guó)傳統(tǒng)設(shè)計(jì)未考慮混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性問(wèn)題，并且設(shè)計(jì)的安全度設(shè)置水平較低，留下了大量存在一定缺陷的結(jié)構(gòu)［2］.這些結(jié)構(gòu)在遭遇地震時(shí)易出現(xiàn)脆性破壞，甚至倒塌，其破壞后果嚴(yán)重.Mehta［3］指出：“當(dāng)今世界，混凝土結(jié)構(gòu)的破壞原因按重要性遞減的順序是鋼筋銹蝕、寒冷地區(qū)的凍害、侵蝕環(huán)境的物理化學(xué)作用”.鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)在銹蝕與地震作用下的動(dòng)力響應(yīng)，不僅影響居住者的舒適性，而且直接影響結(jié)構(gòu)安全性和耐久性［4］.Berto等［5］指出鋼筋混凝土構(gòu)件承載能力和延性會(huì)隨著鋼筋的銹蝕率增大而減小，在某些情況下，也會(huì)導(dǎo)致結(jié)構(gòu)從塑性破壞轉(zhuǎn)變?yōu)榇嘈云茐?這種作用對(duì)結(jié)構(gòu)尤其是地震區(qū)的結(jié)構(gòu)分析很有意義，這些區(qū)域混凝土結(jié)構(gòu)延性特征和實(shí)際形成機(jī)理都是安全評(píng)估中的關(guān)鍵問(wèn)題.

箍筋位于鋼筋籠外側(cè)，在腐蝕環(huán)境中更易發(fā)生銹蝕.一方面箍筋銹蝕不僅造成自身截面減小、力學(xué)性能退化，且銹脹后混凝土保護(hù)層易開(kāi)裂，結(jié)構(gòu)截面發(fā)生幾何損傷；另一方面箍筋銹蝕后對(duì)混凝土約束能力下降，使得結(jié)構(gòu)延性降低，抗震性能退化.Okada等［6］通過(guò)噴灑鹽水的方法使混凝土梁中的鋼筋銹蝕，進(jìn)行低周反復(fù)荷載試驗(yàn)，結(jié)果表明在循環(huán)荷載作用下該結(jié)構(gòu)的承載力較無(wú)銹蝕結(jié)構(gòu)的降低速度快.之后國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)耐久性損傷后的抗震性能進(jìn)行了大量研究［7］，但內(nèi)容多是結(jié)構(gòu)加固及其抗震性能的評(píng)估［8－10］，形式多是理論分析［11－14］，試驗(yàn)研究［15－17］不多，箍筋銹蝕對(duì)結(jié)構(gòu)抗震性能影響的研究更少.本文對(duì)銹蝕箍筋混凝土大尺寸受彎構(gòu)件的低周反復(fù)載荷性能進(jìn)行了試驗(yàn)研究，探討箍筋銹蝕對(duì)鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)承載力、耗能性能、剛度及延性等的影響.

1 試驗(yàn)

1.1 試件設(shè)計(jì)

鋼筋混凝土試件共6個(gè)，各試件尺寸、配筋和加載形式相同，縱筋未銹蝕，僅箍筋銹蝕，但銹蝕程度不同.混凝土設(shè)計(jì)強(qiáng)度為C30，其配合比為m（水）∶m（水泥）∶m（砂子）∶m（卵石）＝0.40∶1.00∶1.21∶2.95.試驗(yàn)實(shí)測(cè)立方體抗壓強(qiáng)度為36.2MPa.縱筋HRB335 直徑16 mm，箍筋HPB300 直徑8mm，間距100mm.試件尺寸見(jiàn)圖1.鋼筋的材料性能如表1所示.

圖1 試件尺寸示意圖Fig.1 Schematic of specimen design（size：mm）

表1 鋼筋材料性能Table 1 Material properties of rebar

試件箍筋設(shè)計(jì)銹蝕率（質(zhì)量分?jǐn)?shù)，文中涉及的銹蝕率、含量等均為質(zhì)量分?jǐn)?shù)）分別為0%，6%，12%，18%，24%和30%.箍筋與縱筋連接處進(jìn)行絕緣處理，以防止縱筋銹蝕.鋼筋快速銹蝕采用電化學(xué)銹蝕方法，試件澆筑養(yǎng)護(hù)完成后放入5%氯化鈉溶液中浸泡20d，然后通直流電源進(jìn)行電化學(xué)加速銹蝕，電流密度0.55mA／cm2.試驗(yàn)完成后從破壞的試件中取出銹蝕箍筋，將銹蝕鋼筋截取成20cm 試件，用12%鹽酸溶液酸洗，經(jīng)清水漂凈后用石灰水中和，再用清水沖洗干凈，擦干后置于干燥器中存放5h，然后用天平秤取每根鋼筋質(zhì)量，計(jì)算鋼筋實(shí)際銹蝕率.

1.2 試驗(yàn)裝置及加載制度

采用MTS電液伺服試驗(yàn)機(jī)，最大荷載為1 000kN.試件底部用地錨固結(jié)，上端施加水平反復(fù)荷載.加載時(shí)首先采用荷載控制循環(huán)加載直至試件進(jìn)入屈服狀態(tài)，試件屈服后改用位移控制循環(huán)加載.荷載控制的初始荷載取計(jì)算開(kāi)裂荷載的50%，位移控制循環(huán)等級(jí)均為試驗(yàn)屈服位移Δy，每級(jí)循環(huán)3 次，直至試件發(fā)生破壞.試驗(yàn)極限荷載Fu應(yīng)低于峰值荷載Fp的85%，試件達(dá)到極限狀態(tài)后可以判定加載試件已經(jīng)破壞，此時(shí)停止試驗(yàn).

2 試驗(yàn)現(xiàn)象

箍筋銹蝕鋼筋混凝土試件低周反復(fù)載荷性能試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表2.由表2可見(jiàn)，箍筋的實(shí)際銹蝕率與設(shè)計(jì)銹蝕率有一定差距.

試件的屈服荷載和位移根據(jù)能量等值法確定，極限荷載取峰值荷載下降15%所對(duì)應(yīng)的荷載.由于銹蝕過(guò)程的復(fù)雜性，各試件呈現(xiàn)出的銹蝕程度不均勻，表2中的銹蝕率為箍筋的實(shí)測(cè)平均銹蝕率.試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，試件內(nèi)箍筋發(fā)生嚴(yán)重不均勻銹蝕，轉(zhuǎn)角區(qū)域箍筋銹蝕嚴(yán)重，直線區(qū)段銹蝕較輕；箍筋銹蝕產(chǎn)物膨脹致使混凝土保護(hù)層開(kāi)裂，裂縫產(chǎn)生于試件轉(zhuǎn)角部位，且沿縱筋方向分布，在試件轉(zhuǎn)角部位產(chǎn)生豎向銹脹裂縫，隨著銹蝕率的增大，銹脹裂縫寬度逐漸增大.試件從開(kāi)始加載到破壞依次經(jīng)歷開(kāi)裂狀態(tài)、屈服狀態(tài)和極限狀態(tài).各試件的破壞狀態(tài)見(jiàn)圖2.由圖2可以看出，各試件隨著銹蝕率的不同，其破壞形態(tài)各不相同.對(duì)于銹蝕試件，由于縱筋的滑移，在加載過(guò)程中可以聽(tīng)到其內(nèi)部明顯的噼啪響聲.銹蝕率較大的試件在加載過(guò)程中箍筋剪斷，呈現(xiàn)明顯的脆性破壞特征.

表2 不同箍筋銹蝕率下鋼筋混凝土試驗(yàn)結(jié)果Table 2 Experimental results of reinforced concrete under different stirrup corrosion rates

圖2 各試件破壞狀態(tài)Fig.2 Failure modes of specimens

銹蝕試件在反復(fù)荷載作用下，銹脹裂縫首先沿原有縱向拓展，隨著荷載增大，在根部出現(xiàn)新的水平彎曲裂縫，但裂縫相對(duì)鋼筋未銹蝕試件稀疏，貫通裂縫數(shù)量減小，間距增大，裂縫出現(xiàn)的最大高度有所降低.鋼筋屈服后，水平彎曲裂縫繼續(xù)開(kāi)展，在根部以上第1或第2根箍筋處形成主裂縫.荷載繼續(xù)增大，混凝土保護(hù)層整塊剝落，長(zhǎng)度達(dá)300mm，縱筋外露且向外屈曲.從銹蝕嚴(yán)重的試件可以看出，臨近破壞時(shí)混凝土保護(hù)層呈塊狀脫落，核心混凝土壓碎，試件破壞.試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，部分角部箍筋銹蝕嚴(yán)重，混凝土的約束作用減弱，抗剪能力下降，試件接近破壞時(shí)箍筋外鼓更加明顯，與縱筋連接處被撐開(kāi)，甚至被撐斷，縱筋壓曲明顯且反復(fù)拉壓，L－6試件破壞時(shí)縱筋甚至被拉斷.未銹蝕試件及銹蝕率較低試件破壞形態(tài)以延性較好的彎曲破壞為主；箍筋銹蝕率的增大導(dǎo)致試件抗剪承載力降低，混凝土約束作用減弱，高銹蝕率試件在加載過(guò)程中剪切變形明顯，試件達(dá)到極限荷載后呈現(xiàn)較明顯的脆性性質(zhì)，試件端部塑性鉸區(qū)形成明顯的剪切破壞面，破壞形態(tài)逐漸向延性較差的剪切破壞轉(zhuǎn)變.

3 試驗(yàn)結(jié)果及分析

3.1 荷載－位移滯回曲線及骨架曲線

試件水平荷載－位移滯回曲線見(jiàn)圖3.由圖3可看出，當(dāng)荷載較小，試件處于彈性狀態(tài)時(shí)，卸載曲線基本與加載曲線重合，滯回曲線斜率基本不變，呈直線型.試件達(dá)到開(kāi)裂狀態(tài)后，隨著荷載的增大，位移增大速率大于荷載增大速率，曲線斜率逐漸減小，且減小的幅度加快，試件剛度逐漸退化.由圖3還可以看出，卸載曲線的斜率隨反復(fù)加卸載循環(huán)次數(shù)的增加而減小，表明構(gòu)件卸載剛度也在發(fā)生退化；卸載完成后，試件殘余變形隨反復(fù)加卸載次數(shù)不斷累積而增大.總的趨勢(shì)看來(lái)，完好試件的滯回曲線比較飽滿，呈穩(wěn)定豐滿的梭形，沒(méi)有明顯的捏攏現(xiàn)象，表現(xiàn)出較好的塑性變形和耗能能力.箍筋銹蝕后試件滯回曲線與無(wú)銹蝕試件有明顯不同.在開(kāi)裂前，銹蝕構(gòu)件的滯回曲線與完好構(gòu)件基本一致，加卸載曲線近似重合為直線，構(gòu)件處于彈性階段；開(kāi)裂之后，由于銹蝕箍筋的影響，試件滯回曲線的豐滿程度和滯回環(huán)面積相對(duì)完好構(gòu)件逐漸減小，捏攏現(xiàn)象明顯，表明構(gòu)件耗能能力和變形性能降低.隨著箍筋銹蝕率的增大，構(gòu)件的破壞形式逐漸類似于“少筋破壞”.

圖3 各試件荷載－位移滯回曲線Fig.3 Hysteresis curves of the specimens

3.2 荷載－位移骨架曲線

滯回曲線上各次同向加載的峰值點(diǎn)依次相連得到的曲線稱為骨架曲線，試件荷載－位移骨架曲線見(jiàn)圖4.由圖4可知：各試件初始剛度差異較小，表明較小荷載作用下，鋼筋銹蝕對(duì)結(jié)構(gòu)性能影響較??；隨著銹蝕率的逐漸增大，構(gòu)件破壞時(shí)的極限位移減小.試件L－6由于箍筋銹蝕率較大，混凝土約束降低，縱筋反復(fù)拉壓以致斷裂，表2中承載力數(shù)據(jù)也表明，試件承載力變化不明顯，這是因?yàn)樵嚰芗舫休d力遠(yuǎn)大于受彎承載力.

圖4 試件骨架曲線Fig.4 Skeleton curves of the specimens

試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)反復(fù)荷載作用下鋼筋銹脹裂縫對(duì)試件性能影響較大，銹脹裂縫沿縱筋隨機(jī)出現(xiàn)在試件角部，并非均勻?qū)ΨQ出現(xiàn)在四角.荷載作用下，銹脹裂縫寬度不斷增大，混凝土在銹脹裂縫處剝落，試件截面變?yōu)榉菍?duì)稱多邊形，原中心荷載變?yōu)槠暮奢d，試件受扭，導(dǎo)致試件受力更為復(fù)雜.

3.3 延性退化

延性系數(shù)是評(píng)估結(jié)構(gòu)或構(gòu)件抗震性能的一個(gè)重要指標(biāo).對(duì)于有抗震設(shè)防要求的結(jié)構(gòu)，具有良好的延性，能夠有效吸收和耗散地震能量，降低結(jié)構(gòu)的動(dòng)力反應(yīng)，減輕地震破壞，防止結(jié)構(gòu)倒塌.位移延性系數(shù)μ 為極限位移Δu與屈服位移Δy的比值，其表達(dá)式見(jiàn)式（1）：

屈服位移確定的方法采用能量等值法，能量等值法采用折線OYU 替代原F－D 曲線，折線的確定原則為OYU 折線下面積與原曲線OAU 下面積相等，或者面積OAB 與BYU 相等，如圖5所示.

圖5 能量等值法Fig.5 Energy equivalence method

各試件延性系數(shù)見(jiàn)表2.由表2可知，隨著鋼筋銹蝕程度的增大，試件特征位移逐漸減小，延性系數(shù)逐漸降低.這是因?yàn)殡S著銹蝕程度增大，箍筋面積減小，混凝土約束作用減小，導(dǎo)致試件延性降低.

由表2可見(jiàn)，當(dāng)銹蝕率較低時(shí)，由于銹蝕產(chǎn)物填充了混凝土空隙，延性系數(shù)變化不大；當(dāng)銹蝕率大于10.3%時(shí)，延性系數(shù)急劇下降；當(dāng)箍筋銹蝕率達(dá)到22.6%時(shí)，延性降低30%.這是因?yàn)楣拷钿P蝕率較大時(shí)，由于銹蝕的不均勻性，箍筋在其與縱筋連接處銹蝕嚴(yán)重，混凝土約束作用減小，甚至喪失，致使延性急劇下降.

3.4 剛度退化

剛度退化是指結(jié)構(gòu)或構(gòu)件剛度隨反復(fù)加載次數(shù)的增多而降低的特性.取各試件每級(jí)循環(huán)荷載作用下，荷載與相應(yīng)位移的比值作為每級(jí)循環(huán)的割線剛度，以Ki表示，試件荷載－位移曲線的初始剛度以K0表示.圖6為根據(jù)試驗(yàn)實(shí)測(cè)值得到的各試件割線剛度衰減曲線.

圖6 試件剛度衰減曲線Fig.6 Decay curves of specimen stiffness

由圖6可以看出，試件剛度隨著位移的增大而減??；在達(dá)到峰值荷載之后，剛度衰減速率減小，剛度的衰減趨于平緩.銹蝕試件由于裂縫發(fā)展和變形積累更為迅速，初始剛度相對(duì)較小，剛度衰減速率要大于未銹蝕試件.

3.5 耗能性能

結(jié)構(gòu)在承受地震往復(fù)荷載作用下發(fā)生彈塑性變形，消耗能量能力是衡量其抗震性能的重要依據(jù)，耗能能力越大，對(duì)抗震越有利.結(jié)構(gòu)吸收和耗散能量的能力，可由滯回曲線所包圍的面積和形狀來(lái)衡量.各試件耗能性能見(jiàn)圖7.由圖7可看出，當(dāng)箍筋銹蝕率小于10.3%時(shí)，耗能總體變化不大；當(dāng)銹蝕率大于10.3%時(shí)，耗能性能降低較多，銹蝕率達(dá)到22.6%時(shí)極限狀態(tài)耗能約降低18.3%.

圖7 試件滯回耗能Fig.7 Energy dissipation of specimens

試件的耗能特性可采用等效黏結(jié)阻尼系數(shù)he表示，表達(dá)式見(jiàn)式（2），其確定方法如圖8所示.

圖8 等效黏結(jié)阻尼系數(shù)計(jì)算Fig.8 Calculation of equivalent viscous damping coefficient

式中：SABCDEFGA為1個(gè)加載、卸載滯回環(huán)所圍成的面積；S△OCH，S△OFI分別為三角形OCH，OFI的面積.

各試件屈服狀態(tài)等效黏結(jié)阻尼系數(shù)如圖9 所示.由圖9可知，隨著銹蝕率的增大，試件等效黏結(jié)阻尼系數(shù)逐漸減少，說(shuō)明滯回曲線豐滿程度降低，捏攏現(xiàn)象更加明顯.

圖9 試件等效黏結(jié)阻尼系數(shù)Fig.9 Equivalent viscous damping coefficient of specimens

4 結(jié)論

（1）箍筋銹蝕對(duì)混凝土構(gòu)件在反復(fù)荷載作用下的延性、剛度和耗能性能均有較大影響.各試件隨著箍筋銹蝕程度的增大，滯回曲線的豐滿程度逐漸減小，捏攏現(xiàn)象顯著，試件耗能能力、剛度及變形性能降低.當(dāng)箍筋銹蝕率達(dá)到10.3%時(shí)，試件的延性及耗能性能降低明顯；當(dāng)箍筋銹蝕率達(dá)到22.6%時(shí)，試件的延性降低30%，極限狀態(tài)耗能約降低18.3%.

（2）箍筋銹蝕在一定程度上改變了試件的破壞形態(tài)和失效模式.箍筋銹蝕導(dǎo)致混凝土約束作用減弱，縱筋反復(fù)拉壓甚至斷裂，使得試件達(dá)到極限荷載后呈現(xiàn)較明顯的脆性性質(zhì)，試件端部塑性鉸區(qū)形成明顯的剪切破壞面，破壞形態(tài)逐漸向延性較差的剪切破壞轉(zhuǎn)變.

（3）箍筋銹蝕對(duì)混凝土構(gòu)件抗震性能有較大影響，特別是銹蝕嚴(yán)重試件，在地震中更易表現(xiàn)為脆性破壞，在結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)中應(yīng)考慮這一不利影響.

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