鋼筋銹蝕對鋼-砼梁正截面承載能力影響的參數(shù)化分析

趙海龍

(新疆路橋北疆公司， 新疆 昌吉 831100)

鋼筋銹蝕對鋼-砼梁正截面承載能力影響的參數(shù)化分析

趙海龍

(新疆路橋北疆公司， 新疆 昌吉 831100)

鋼筋銹蝕程度影響著鋼筋混凝土梁的耐久性及其使用性能，同時也對梁的抗彎承載能力產(chǎn)生較大的不利影響。通過分析實際工程中鋼筋混凝土梁的裂縫、碳化程度、氯離子侵入深度等諸多病害帶來的鋼筋銹蝕影響。定義三參數(shù)的方法修正抗彎承載力計算公式，完成了鋼筋腐蝕后主梁截面抗彎承載能力的參數(shù)化分析，進一步驗證了鋼筋銹蝕發(fā)生后的主梁抗彎承載力的控制性因素，從而為后期鋼筋混凝土梁的加固設(shè)計和防銹設(shè)計提供參考。

鋼筋混凝土梁； 耐久性； 鋼筋銹蝕； 承載力， 參數(shù)化分析

0 前言

在鋼筋混凝土梁的正截面承載能力計算中，通常以計算截面受壓區(qū)混凝土壓潰的同時，受拉區(qū)鋼筋達到屈服為適筋梁的承載能力極限狀態(tài)，此時的梁截面的彎矩抗力值記為截面的極限彎矩，對應(yīng)構(gòu)件中最小屈服彎矩截面為構(gòu)件的塑性發(fā)展截面[1]。而高鹽環(huán)境侵蝕環(huán)境、酸性離子等導(dǎo)致混凝土結(jié)構(gòu)的鋼筋銹蝕、凍融循環(huán)不僅僅會對混凝土結(jié)構(gòu)的混凝土耐久性產(chǎn)生較大的破壞，混凝土結(jié)構(gòu)承載能力、結(jié)構(gòu)延性亦會因混凝土開裂退出工作狀態(tài)、鋼筋有效工作截面的損失以及鋼筋和混凝土之間的黏結(jié)性能降低或失效[2]等發(fā)生較大的變化。故而研究有效的防護措施，是混凝土耐久性研究的一個重要課題。

1 鋼筋銹蝕的成因

1.1 鋼筋的氧化銹蝕

混凝土結(jié)構(gòu)表面裂縫的發(fā)展與貫通、表層混凝土碳化及高鹽分的潮濕環(huán)境均會導(dǎo)致混凝土內(nèi)部鋼筋的銹蝕。前兩者由于鋼筋的堿環(huán)境失效，鐵與氧氣、水分子接觸反應(yīng)后無法在鋼筋表面生成致密的氧化物層，氧化鐵產(chǎn)物易與侵入的水分子形成水合物晶體，體積出現(xiàn)較為明顯的膨脹，從而導(dǎo)致混凝土保護層進一步開裂，發(fā)展直至混凝土剝落，鋼筋裸露。

1.2 離子導(dǎo)致的鋼筋銹蝕

氯離子引起的鋼筋銹蝕也是電化學(xué)銹蝕的一種，其發(fā)生的條件便是鋼筋的表面去鈍化作用[3]。氯離子的侵入提高了混凝土中電解質(zhì)的導(dǎo)電率，使得正在進行中的混凝土碳化區(qū)域內(nèi)的鋼筋電化學(xué)銹蝕速度出現(xiàn)顯著增大。劉祥[4]總結(jié)了氯離子導(dǎo)致鋼筋銹蝕發(fā)生所需要同時滿足的3個條件：

1) 鋼筋周邊的氯含量不低于引起鋼筋銹蝕的臨界值；

2) 混凝土中的水飽和度足夠陰極和陽極間的離子交換的需求；

3) 足夠多的氧氣分子滲入混凝土層并接觸到鋼筋表面。

通常，混凝土表面的氯離子濃度直接視為等同于環(huán)境中氯離子分布濃度，內(nèi)部混凝土中氯離子含量則通過對氯離子長期擴散的統(tǒng)計結(jié)果確定的分布曲線進行確定[5]。在ACI中則采用水泥用量的0.15%作為混凝土內(nèi)部氯離子的固有含量，并以此為氯離子含量的允許值。環(huán)境中的氯離子通過混凝土內(nèi)部的裂縫通道滲入并到達鋼筋表面。除裂縫的存在會影響其滲透速度之外，混凝土內(nèi)外的氯化物的濃度差、混凝土的滲透性和環(huán)境的濕度亦會對氯離子侵入混凝土內(nèi)部的速度有著較大的影響。

2 鋼筋銹蝕對承載力的影響

鋼筋發(fā)生腐蝕，導(dǎo)致鋼筋與混凝土之間的緊密粘結(jié)失效，混凝土對鋼筋的握裹力下降的同時，平面假定中的鋼筋與混凝土間的平面協(xié)調(diào)變形假定消失。另外，鋼筋銹蝕不僅會降低鋼筋屈服強度的同時，還會減少鋼筋的有效面積，嚴重影響構(gòu)件的承載能力，構(gòu)件由此而發(fā)生脆性破壞，增大了橋梁事故的發(fā)生機率。

為了探究鋼筋銹蝕對混凝土構(gòu)件的承載力的影響，根據(jù)前文的定性化分析，分別定義了：鋼筋屈服強度降低系數(shù)α、截面鋼筋腐蝕率η和截面抗力降低系數(shù)k三個受腐蝕影響的效應(yīng)系數(shù)。三者之間的關(guān)聯(lián)性如圖1中所示。

圖1 腐蝕效應(yīng)三參數(shù)間的關(guān)聯(lián)性

2.1 屈服強度降低系數(shù)的確定

對于鋼筋銹蝕所引起的鋼筋屈服強度的變化，國內(nèi)外有較多的學(xué)者在大量的試驗數(shù)據(jù)中總結(jié)得出：當(dāng)普通鋼筋外周銹蝕率低于5%時，鋼筋銹蝕的分布較為均勻時，銹蝕對鋼筋的影響較小，可以忽略銹蝕對鋼筋力學(xué)性能的降低影響[4]。而當(dāng)銹蝕程度較高時，鋼筋氧化銹蝕帶來的金屬晶格缺陷，使得在銹蝕部位出現(xiàn)較大的應(yīng)力集中。同時有效截面面積的減少，使得銹蝕鋼筋的屈服強度、極限強度和伸長率都出現(xiàn)明顯的降低。鋼材的強度和延性出現(xiàn)明顯下降。此時的鋼筋屈服強度折算公式采用下式計算：

(1)

2.2 截面抗力降低系數(shù)的確定

鋼筋與混凝土間的粘結(jié)性能是保證鋼筋和混凝土共同發(fā)生應(yīng)變，是形成截面抗力的基礎(chǔ)。截面中的鋼筋發(fā)生銹蝕后，銹蝕附近的鋼筋表面會形成疏松的鐵銹層。隨著銹蝕程度的進一步增大，鋼筋與混凝土之間粘結(jié)效應(yīng)失效的同時，鐵銹產(chǎn)物的體積膨脹會導(dǎo)致鋼筋周圍混凝土產(chǎn)生徑向拉應(yīng)力[7]。故而，通過截面抗力降低系數(shù)k來定義鋼筋和混凝土之間的粘結(jié)狀態(tài)，對確定鋼筋銹蝕對構(gòu)件的承載力影響有著明顯的實際意義。然而，截面抗力降低系數(shù)k的取值往往受到多種因素的影響而難以確定，例如混凝土的強度等級、熱軋鋼筋的類型、以及保護層的厚度，構(gòu)件的受力類型等等。實際試驗中數(shù)據(jù)表明，截面抗力降低系數(shù)k的取值范圍在0.7～1.0之間[8]。

2.3 截面抗彎承載力計算

對銹蝕發(fā)生后的鋼筋混凝土梁進行截面承載能力計算，完成銹蝕發(fā)生后梁承載能力影響的參數(shù)化分析。選取雙筋矩形截面簡支梁為例，截面混凝土采用C30級混凝土，其抗壓強度設(shè)計值為14.3 N/mm2，普通鋼筋采用HRB400鋼筋，屈服強度為400 MPa。受壓區(qū)普通鋼筋配置為2Φ20。受拉區(qū)普通鋼筋按雙層配置，下層為3Φ25，上層為2Φ22。計算鋼筋和混凝土的彈性模量分別為：混凝土彈性模量Ec為4.43E+04 MPa，鋼材彈性模量Ep為195E+03 MPa。梁截面配筋示意圖如圖2所示。選取鋼筋和混凝土的理想彈塑性本構(gòu)模型進行截面承載力計算，根據(jù)截面的軸力和彎矩平衡即可推出式(2)和式(3)。

圖2 雙筋矩形梁截面(單位： mm)

(2)

∑M=0

(3)

2.4 截面抗彎承載力的參數(shù)化分析

1)當(dāng)鋼筋屈服強度降低系數(shù)取定值時。

分別考慮此時梁截面的截面鋼筋腐蝕率從0～0.15變化時，截面抗力降低系數(shù)分別取0.7、0.8、0.9時梁的抗彎承載力計算值Mj隨截面鋼筋腐蝕率變化而產(chǎn)生的變化情況。計算結(jié)果于表1中列出。

表1 鋼筋混凝土梁截面承載力計算表(α取定值)

從表1中可以發(fā)現(xiàn)，截面鋼筋腐蝕率早期增大，截面彎矩承載力也出現(xiàn)明顯的降低。而η后期的增大，截面抗彎承載力降低程度減弱。不同的截面抗力降低系數(shù)k的取值對計算的結(jié)果有一定的影響，彎矩承載力值的變化情況也逐漸較大。因此在實際工程中如何準(zhǔn)確地選取截面抗力降低系數(shù)還需要進一步的探索。

2) 當(dāng)截面抗力降低系數(shù)取定值時。

當(dāng)截面抗力降低系數(shù)取定值0.8時，分別考慮此時梁截面的截面鋼筋腐蝕率從0～0.15變化時，鋼筋屈服強度降低系數(shù)分別取1.1、1.3、1.5時梁的抗彎承載力計算值Mj隨截面鋼筋腐蝕率變化而產(chǎn)生的變化情況。計算結(jié)果于表2中列出。

表2 鋼筋混凝土梁截面承載力計算表(k取定值)

從表2中可以發(fā)現(xiàn)，主梁承載力在截面抗力降低系數(shù)的影響較截面鋼筋腐蝕率變化時均會產(chǎn)生變化。同時，受鋼筋腐蝕率影響的梁截面承載力折減率低于截面抗力降低系數(shù)所帶來的折減效應(yīng)，主梁承載力受截面抗力降低系數(shù)的影響較截面鋼筋腐蝕率影響明顯。

3 結(jié)語

通過分析實際工程中鋼筋混凝土梁的裂縫、碳化程度、氯離子侵入深度等諸多病害帶來的鋼筋銹蝕影響，從鋼筋混凝土間的協(xié)同工作原理出發(fā)，探究了鋼筋腐蝕對主梁承載力的影響因素，并分別在截面承載力計算中以鋼筋屈服強度降低系數(shù)α、截面鋼筋腐蝕率η和截面抗力降低系數(shù)k這三個相互關(guān)聯(lián)的效應(yīng)系數(shù)對鋼筋發(fā)生腐蝕后的梁截面抗彎承載能力計算公式進行優(yōu)化，為后期鋼筋混凝土梁的承載能力評定、主梁的加固設(shè)計及防銹設(shè)計提供了參考。通過對截面抗彎承載能力的參數(shù)化分析，得出了鋼筋銹蝕發(fā)生后截面抗力降低系數(shù)為主梁承載力降低的控制性因素。然而，實際工程中如何準(zhǔn)確地選取截面抗力降低系數(shù)還需要進一步的探索。

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