不銹鋼鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)研究

(北京建筑大學(xué) 北京 100044)

不銹鋼鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)研究

顧辰

(北京建筑大學(xué)北京100044)

概述了不銹鋼鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)與性質(zhì)，總結(jié)了國內(nèi)外對不銹鋼鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)研究的研究現(xiàn)狀。分析了目前研究中仍存在的問題，為以后的研究工作提出了建議。

不銹鋼鋼筋；混凝土；結(jié)構(gòu)研究；防腐性能；力學(xué)性能

一、概述

鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)因?yàn)榫哂袌?jiān)固，耐久，防火性好，成本低等特點(diǎn)，在世界范圍內(nèi)得到了廣泛使用。鋼筋銹蝕問題是鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)使用中的一個重要問題，尤其是在一些造成侵蝕較為嚴(yán)重的環(huán)境之中的結(jié)構(gòu)，如橋梁結(jié)構(gòu)，港灣結(jié)構(gòu)，與島礁結(jié)構(gòu)?；炷僚c鋼筋被腐蝕，會造成鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)使用壽命縮短，性能退化，結(jié)構(gòu)安全性與耐久性下降等問題。造成鋼筋銹蝕的原因主要有兩種：第一種為鋼筋保護(hù)層的碳化，當(dāng)混凝土不密實(shí)時，空氣中二氧化碳的侵入，混凝土中的氫氧化鈣與二氧化碳反應(yīng)，生成碳酸鈣等物質(zhì)。這會造成鋼筋混凝土內(nèi)部PH值下降，破壞了鋼筋表面的鈍化膜，鋼筋開始出現(xiàn)銹蝕。第二種是氯離子含量升高，氯離子即是存在與PH值較高的環(huán)境之中，依然會破壞鋼筋表面的鈍化膜，使得鋼筋失去保護(hù)，開始銹蝕。

人們?yōu)閼?yīng)對鋼筋銹蝕問題，使用大量不同的方式，如：加厚混凝土結(jié)構(gòu)構(gòu)件

的保護(hù)層厚度，在鋼筋表面涂刷抗銹蝕材料等，但這些手段并不能徹底組織混凝土中的鋼筋與氯離子發(fā)生反應(yīng)，雖然提高了鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性，但在一段時間后混凝土中的鋼筋還是會發(fā)生銹蝕。而不銹鋼材料中含有較多的鎳和鉻，能在氯離子含量高的環(huán)境中保持穩(wěn)定性，所以選用不銹鋼鋼筋才能徹底阻止鋼筋與氯離子發(fā)生反應(yīng)導(dǎo)致銹蝕。雖然想不普通鋼筋，不銹鋼鋼筋的造價更高，但由于不銹鋼混凝土結(jié)構(gòu)具有更長的壽命周期，不需要經(jīng)常維護(hù)加固，使得不銹鋼鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)具有比普通鋼筋混凝土更低的總成本，目前已在國內(nèi)外得到了廣泛的應(yīng)用。

二、不銹鋼鋼筋混凝土研究現(xiàn)狀

國內(nèi)外學(xué)者對于普通鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)與不銹鋼鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)均進(jìn)行了大量研究。但是對于后者的研究內(nèi)容與成果不如前者豐富。關(guān)于不銹鋼混凝土的研究主要集中于靜力荷載作用下的力學(xué)性能分析，關(guān)于不銹鋼鋼筋混凝土構(gòu)件的抗震性能研究較少。

(一)不銹鋼鋼筋簡介

不銹鋼含有大概12%的鉻元素，鉻和氧在空氣中反應(yīng)在不銹鋼材料表面形成薄層的氧化膜，氧化膜分子緊密覆蓋不銹鋼材料的表面，可以有效防止不銹鋼材料的進(jìn)一步氧化。不銹鋼中的鎳可與錳，銅發(fā)生反應(yīng)，形成奧氏體晶體，可有效提高在非氧化介質(zhì)中的不銹鋼材料的耐腐蝕性。因此，相比其他種類的鋼筋，不銹鋼鋼筋具有更優(yōu)秀的耐腐蝕性能。此外，不銹鋼中含有鉻、鎮(zhèn)、鉬等元素，進(jìn)一步加強(qiáng)了其抗腐蝕能力。[1]

(二)關(guān)于不銹鋼鋼筋混凝土的防腐性能研究

目前國外對于不銹鋼鋼筋混凝土的抗腐蝕性能與不銹鋼鋼筋的抗腐蝕性能都進(jìn)行了大量的研究與探索。[2-8]

Bertoloni等[9-10]對于不銹鋼抗腐蝕性的研究顯示，應(yīng)用于結(jié)構(gòu)工程中的不銹鋼，可以在高PH值與氯離子環(huán)境中保持穩(wěn)定而不被腐蝕;相比普通鋼材具有優(yōu)秀的多的耐腐蝕性能。Mcdonld[11]的銹蝕實(shí)驗(yàn)研究顯示，普通鋼筋混凝土的耐腐蝕性能遠(yuǎn)不及不銹鋼鋼筋混凝土。

(三)不銹鋼鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)力學(xué)性能研究

目前國內(nèi)外對不銹鋼鋼筋與不銹鋼鋼鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能研究主要集中于不銹鋼鋼筋的材性性能研究，與不銹鋼鋼鋼筋混凝土構(gòu)件的受靜荷載作用時的力學(xué)表現(xiàn)研究。

2008年，Yihui Zhou[12]等對各種等級的不銹鋼鋼筋進(jìn)行了單向拉伸和低周

循環(huán)試驗(yàn)研究，結(jié)果顯示不銹鋼鋼筋的抗疲勞破壞性能與延性都十分優(yōu)秀。S.Alih[13]對不銹鋼鋼鋼筋混凝土梁進(jìn)行了靜力性能試驗(yàn)研究，并用有限元軟件進(jìn)行建模分析，計算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果吻合較好。

2006年，張國學(xué)等人[14]對27個不銹鋼鋼筋混凝土試件進(jìn)行了拉拔試驗(yàn)以測定了粘結(jié)強(qiáng)度。設(shè)定的變量包括：混凝土強(qiáng)度，保護(hù)層厚度，與鋼筋直徑大小。使用控制變量的方法，分析各因素對粘結(jié)強(qiáng)度的影響。

2012年，張國學(xué)，王長偉[15]等借助有限元軟件OpenSees建立了不銹鋼鋼筋混凝土柱的數(shù)值模型，并控制軸壓比，配箍率，混凝土強(qiáng)度等變量，探究不同因素對不銹鋼鋼筋混凝土柱抗震性能的影響。結(jié)果顯示：混凝土強(qiáng)度等級的提高會帶來構(gòu)件開裂荷載，屈服荷載與極限荷載的提高；隨著配箍率的提高，構(gòu)件的剛度退化減緩，位移延性系數(shù)增大，滯回曲線比較飽滿，耗能增大。

2014年，張國學(xué)，張穎[16]等分別對配有普通鋼筋的混凝土板與配有不銹鋼鋼筋的混凝土板進(jìn)行了靜力試驗(yàn)與疲勞試驗(yàn)研究，得出了以下結(jié)論：比起普通鋼筋混凝土板，不銹鋼鋼筋混凝土板在同樣條件下有著更優(yōu)秀的受力性能，具有更高的承載力；在循環(huán)次數(shù)相同時，不銹鋼鋼筋混凝土板的跨中撓度，受拉鋼筋應(yīng)變與混凝土應(yīng)變均低于普通鋼筋混凝土板，具有更高的疲勞壽命。

2015年，張國學(xué)，陳子晴等[17]對不銹鋼鋼筋混凝土橋墩的抗沖擊性能進(jìn)行了研究。對落錘高度進(jìn)行改變以調(diào)整小車速度，檢測了沖擊能量不同時小車沖擊力時程曲線、橋墩位移時程曲線、不銹鋼鋼筋和混凝土的應(yīng)變響應(yīng)及其裂縫的衍生及開展等。結(jié)果顯示，不銹鋼鋼筋混凝土橋墩的位移峰值增長速度隨沖擊能量的增長而增長，當(dāng)沖擊能量較小時，位移峰值增長較慢。當(dāng)前者較大時，后者增長較快。

2013年，張國學(xué)，黃嘉偉等[18]分別制作了6根不銹鋼鋼筋混凝土梁和2根普通鋼筋混凝土梁進(jìn)行了對照試驗(yàn)研究，研究鋼筋種類、不同應(yīng)力、配筋率等因素對不銹鋼鋼筋混凝土梁疲勞性能的影響。研究結(jié)果表明：在配筋率與應(yīng)力等級相同的情況下，不銹鋼鋼筋混凝土梁相比于普通鋼筋混凝土梁具有更低的混凝土殘余應(yīng)變累積量，混凝土承壓應(yīng)變，受拉縱筋殘余應(yīng)變，跨中荷載撓度與裂縫寬度。說明不銹鋼鋼筋混凝土梁的疲勞性能更好。在其他條件相同時，不銹鋼鋼鋼筋混凝土梁的配筋率越高，梁的裂縫發(fā)展越迅速，縫寬越大，剛度退化越快。

2011年，張國學(xué)等人[19]分別制作了3根不銹鋼鋼筋混凝土柱，與一根普通鋼筋混凝土柱進(jìn)行擬靜力試驗(yàn)，主要變量為軸壓比與配箍率。試驗(yàn)結(jié)果表明，不銹鋼鋼筋混凝土柱具有更優(yōu)秀的抗震性能，具有更高的初始剛度、承載能力、屈服位移和破壞位移。隨著軸壓比的增大，試件的抗震性能出現(xiàn)下降；當(dāng)配箍率上升時，試件的抗震性能增強(qiáng)。說明軸壓比的增大不利于試件的抗震性能，配箍率的增大有利于構(gòu)件的抗震性能。

2009年，張國學(xué)，趙峰等[20]進(jìn)行了不銹鋼鋼筋混凝土梁的低周反復(fù)荷載實(shí)驗(yàn)研究，設(shè)置了鋼筋種類、配箍率、混凝土強(qiáng)度等變量。結(jié)果顯示：相比普通鋼筋混凝土梁，不銹鋼鋼筋混凝土梁具有更高的屈服位移、極限位移和位移延性系數(shù)；當(dāng)試件配箍率增大時，強(qiáng)度與延性也隨之增長；當(dāng)混凝土強(qiáng)度等級增大時，承載力與耗能隨之增加，延性隨之減小。

三、尚待解決的問題

近年來不銹鋼鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的研究成果豐富，使鋼管結(jié)構(gòu)的安全得到了很大的保證，促進(jìn)了該結(jié)構(gòu)在實(shí)際工程中的應(yīng)用。但是目前理論研究還不完善，亟需進(jìn)一步的研究以指導(dǎo)工程實(shí)踐。所以基于對以上研究現(xiàn)狀的討論，還需要在以下幾個方面做進(jìn)一步的探討：

1.國外對不銹鋼鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的動力性能(如疲勞性能、抗震性能)研究相對較少,對其在各種情況下的非線性有限元的模擬分析研究方面的內(nèi)容亦很少,仍需進(jìn)一步研究。

2.我國在不銹鋼鋼筋混凝土方面的研究文獻(xiàn)與應(yīng)用實(shí)例還尚處于起步階段。在我國開展不銹鋼鋼筋混凝土方向的研究十分迫切。

四、結(jié)論

本文主要介紹了國內(nèi)外關(guān)于不銹鋼鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的研究成果，并得出了以下幾個主要結(jié)論：

1.由于不銹鋼鋼筋中鎮(zhèn)和鉻的含量較高，即使在氯化物和硫化物含量較高的環(huán)境中依然具有良好的穩(wěn)定性，從而有效提高結(jié)構(gòu)的耐久性，可使結(jié)構(gòu)的使用壽命大幅度延長。

2.不銹鋼混凝土結(jié)構(gòu)的力學(xué)與抗震性能優(yōu)于普通混凝土結(jié)構(gòu)。

3.目前國內(nèi)外學(xué)者開展的不銹鋼鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)研究還不夠完善。應(yīng)加緊開展和深入不銹鋼趕緊混凝土結(jié)構(gòu)的各項(xiàng)研究。

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