銹蝕鋼筋混凝土框架地震損傷性能研究

劉小娟，蔣歡軍，郭子雄

(1.華僑大學 土木工程學院，福建 廈門，361021；2.華僑大學 福建省結(jié)構工程與防災重點實驗室，福建 廈門，361021；3.同濟大學 土木工程防災國家重點實驗室，上海，200092)

1 試件設計

1.1 試件設計與制作

共制作了5榀單層單跨鋼筋混凝土框架，縮尺比例為1:2。框架柱的設計軸壓比為0.1，實際施加軸力135 kN。5榀框架均不考慮箍筋銹蝕，其縱筋銹蝕率分別設計為0，5%，7.5%，10%和15%，試件編號依次為F1～F5。鋼筋的銹蝕率η表示為

式中：m為鋼筋的初始質(zhì)量；Δm為銹蝕后鋼筋的質(zhì)量損失。

試件的幾何尺寸和配筋示意圖如圖1所示?？蚣苤孛孢呴L為250 mm，框架梁的截面寬×高為150 mm×250 mm，框架水平合力點的位置距離柱底為1 700 mm。為保證框架實現(xiàn)梁鉸破壞機制，按照我國現(xiàn)行規(guī)范中“強柱弱梁”和“強剪弱彎”的原則進行配筋設計，節(jié)點處的箍筋沿柱貫通布置?？蚣芑炷猎O計強度等級為C40，縱向受力鋼筋的設計強度等級為HRB400，箍筋的設計強度等級為HPB300。經(jīng)材性試驗測試，混凝土的立方體抗壓強度為46 MPa，棱柱體抗壓強度為38.9 MPa，彈性模量為3.32×104MPa。鋼筋的實測力學性能見表1。

圖1 試件幾何尺寸及配筋示意圖Fig.1 Dimensions and reinforcement details of specimens

表1 鋼筋力學性能Table 1 Mechanical properties of steel bars

1.2 外加電流加速銹蝕

采用全浸泡外加電流加速銹蝕法對框架縱筋進行加速銹蝕，加速銹蝕裝置如圖2所示。將養(yǎng)護完成的試件平放在銹蝕池中，注入質(zhì)量分數(shù)為5% NaCl 溶液，浸沒試件。試件在NaCl溶液中浸泡3 d后開始通電。將待銹縱筋并聯(lián)后接入直流電源的正極，將不銹鋼棒與直流電源的負極連接，形成電流回路。為方便控制直流電源的電流，框架梁和2個框架柱的縱筋分別與1 根不銹鋼棒連成電流回路，1 個試件共用3 個電流回路。為控制鋼筋的銹蝕部位，在鋼筋與鋼筋接觸的部位用塑料套管包裹，并用塑料扎帶綁扎，保證鋼筋之間相互絕緣。曾嚴紅等[16]研究表明，為了使模擬的銹蝕現(xiàn)象更加接近自然銹蝕現(xiàn)象，電化學銹蝕試驗的銹蝕電流密度不宜超過0.3 mA/cm2。TAMER等[17]研究結(jié)果表明，當加速銹蝕的電流密度超過0.2 mA/cm2時，電流對鋼筋周圍的混凝土應變和銹脹裂縫有較大的影響。因此，試驗采用的電流密度為0.2 mA/cm2。

根據(jù)法拉第定律，推導得到試件的通電時間與鋼筋銹蝕率的相互關系：

圖2 加速銹蝕方法Fig.2 Accelerated corrosion method

式中，M為鐵的摩爾質(zhì)量，M=56 g/mol；i為銹蝕電流密度，A/cm2；t為通電時間，s；Z為反應電極化學價，即失去的電子數(shù)，鐵為+2價，則Z=2；F為法拉第常數(shù)，F(xiàn)=96 500 A·s；r為鋼筋的半徑，cm；ρ為鋼筋的密度，ρ=7.8 g/cm3。

1.3 試驗裝置與測試內(nèi)容

試驗加載裝置如圖3所示。采用2 臺豎向液壓千斤頂對柱頂施加豎向荷載至預定軸力，在試驗過程中，柱軸力保持恒定不變。在每臺豎向千斤頂上部安裝低磨阻滾輪，對試件施加水平荷載時，柱頂?shù)呢Q向千斤頂可隨試件水平移動。水平荷載由液壓伺服加載系統(tǒng)申克機施加在梁兩端，通過梁兩端鋼板和2根鋼拉桿實現(xiàn)水平往復加載。水平荷載采用力-位移混合控制的加載模式。加載制度如圖4所示。在試件屈服之前，采用力控制，每級荷載循環(huán)1次，加載梯度為20 kN，在屈服之后，采用位移控制加載，每級荷載反復3 次，加載梯度為5 mm，直至試件的水平承載力下降到峰值荷載的85%以后，試驗停止。

要綜合考慮合同終止后的救濟手段。損害賠償是主要的救濟手段，但非僅此一種。對買方而言，最主要的合同終止事項是賣方交付失敗，買方首要的救濟手段當然是尋求損害賠償，除此之外，還可以解除合同、已經(jīng)支付情形下可以取回貨款、主張合同繼續(xù)有效并要求賣方支付替代的減排量。對賣方而言，最主要的合同終止事項是買方不付款，此時賣方面臨更大的風險，主要的救濟手段就是要求按市場價格計算賠償額或是要求支付貨款和利息。在減排量購買協(xié)議中提前約定付款擔保似乎難以實現(xiàn)，這就依賴于賣方的談判實力和談判技巧。

試驗測量了柱頂豎向荷載，梁端水平荷載，梁端水平位移，梁、柱關鍵部位縱筋及箍筋應變以及梁、柱裂縫寬度等。所有荷載、位移以及應變信號均通過IMP數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)進行同步采集。

圖3 試驗加載裝置示意圖Fig.3 Sketch map of test setup

圖4 試驗加載制度Fig.4 Loading protocol of test

2 試驗結(jié)果及分析

2.1 銹蝕損傷

鋼筋銹蝕后，銹蝕產(chǎn)物體積膨脹，使得銹蝕鋼筋周圍的混凝土產(chǎn)生環(huán)向拉應力，當拉應力超過混凝土抗拉強度時，便形成沿銹蝕鋼筋長度方向的銹脹裂縫。由于試驗條件限制，未能記錄混凝土銹脹開裂時間和銹脹裂縫開展過程，僅在達到預定銹蝕時間后，對銹脹裂縫的分布形態(tài)和寬度進行了記錄和測量。各框架的銹脹裂縫形態(tài)基本類似，都是在梁、柱角部縱筋的位置出現(xiàn)順筋方向的銹脹裂縫，如圖5所示。測量梁、柱構件銹脹裂縫寬度時，間隔20 mm取1個測點，對同一個構件的所有測點測得的銹脹裂縫寬度取平均值，得到平均銹脹裂縫寬度ωc與鋼筋混凝土梁、柱構件縱筋平均銹蝕率η的關系如圖6所示。從圖6可以看出：銹脹裂縫寬度整體上隨鋼筋銹蝕率增大而增大。由于試驗采用全浸泡加速銹蝕法對鋼筋進行加速銹蝕，當銹脹裂縫出現(xiàn)后，部分銹蝕產(chǎn)物沿銹脹裂縫溢出到試件表面或溶解到NaCl 溶液中，使得銹脹裂縫寬度隨鋼筋銹蝕率的變化規(guī)律離散性較大。

擬靜力試驗完成后，對銹蝕鋼筋混凝土框架進行破型，取出銹蝕鋼筋，測銹蝕率以及銹坑深度。為合理評估鋼筋的銹蝕情況，先測鋼筋銹蝕前后的質(zhì)量差，求得每根鋼筋的平均銹蝕率，再將每根縱筋分為彎錨段、直錨段以及平直段，分別測鋼筋的分段銹蝕率。根據(jù)每根鋼筋銹蝕前的質(zhì)量加權平均得到梁、柱及整體框架的平均銹蝕率。試件的銹蝕情況如表2所示。鋼筋的銹蝕率表現(xiàn)出一定的不均勻性，對于同一根鋼筋，節(jié)點區(qū)的混凝土保護層厚度較大，鋼筋銹蝕率相對較小。特別是對于鋼筋混凝土柱，鋼筋在底梁錨固區(qū)內(nèi)的銹蝕率很小，基本不超過3%。鋼筋的銹坑深度隨鋼筋銹蝕率的增大而增大，最大銹坑深度Dp,max隨銹蝕率η的關系如圖7所示。

圖5 銹脹裂縫Fig.5 Corrosion cracks

圖6 最大銹脹裂縫寬度隨鋼筋銹蝕率的變化關系Fig.6 Relationship between maximum corrosion crack width and average corrosion ratio

表2 試件的銹蝕率Table 2 Corrosion ratio of specimens

圖7 最大銹坑深度隨鋼筋銹蝕率的變化關系Fig.7 Relationship between maximum pitting depth and corrosion ratio of steel reinforcement

2.2 擬靜力作用下試件的損傷發(fā)展

所有框架的梁、柱均出現(xiàn)了彎曲控制的破壞模式。開始加載時，構件端部出現(xiàn)彎曲裂縫，當彎曲裂縫發(fā)展到一定程度時，才開始出現(xiàn)剪切斜裂縫。但是，斜裂縫的寬度不大，且最終破壞特征均為混凝土剝落、縱筋拉斷或壓屈，沒有出現(xiàn)箍筋屈服的現(xiàn)象。試件的最終破壞形態(tài)如圖8所示。各框架主要破壞現(xiàn)象發(fā)生的位移幅值如表3所示。對比試件的損傷過程和損傷分布可以看出：

1)未銹蝕框架的損傷發(fā)展順序為：梁端混凝土開裂—柱底混凝土開裂—柱底縱筋受拉屈服—梁端縱筋受拉屈服(梁、柱在同一荷載幅值下屈服，梁的屈服位移小于柱的屈服位移)—柱底混凝土壓碎、剝落—梁端混凝土壓碎、剝落—柱底縱筋拉斷。銹蝕框架的損傷發(fā)展順序為：柱底混凝土開裂—梁端混凝土開裂—柱底縱筋受拉屈服—柱底混凝土壓碎、剝落—梁端混凝土壓碎、剝落—柱底鋼筋斷裂(或梁端鋼筋斷裂)?？梢姡何翠P蝕框架的梁、柱縱筋在破壞前均達到屈服，而銹蝕框架的梁端縱筋在極限狀態(tài)之前均沒有屈服。導致這種現(xiàn)象主要有2個原因：其一，鋼筋銹蝕時局部坑蝕較為嚴重，鋼筋破壞主要出現(xiàn)在坑蝕嚴重的部位，導致其他部位的鋼筋強度不能充分發(fā)揮；其二，梁端節(jié)點錨固區(qū)的鋼筋銹蝕導致鋼筋與混凝土之間的黏結(jié)強度退化，使得鋼筋的應變發(fā)展比較慢，強度不能充分發(fā)揮。

2)從損傷分布上看，未銹蝕框架的裂縫發(fā)展比較充分，裂縫分布范圍較大；而銹蝕框架的裂縫數(shù)量較少且分布比較集中。

3)由于混凝土在加載初期開裂，位移誤差較大，導致開裂位移波動較大，沒有明顯的規(guī)律。鋼筋銹蝕率對框架柱縱筋屈服影響不大，所有框架均在位移幅值為0.88%的加載過程中發(fā)生柱縱筋屈服。但是從混凝土的壓碎、剝落以及鋼筋斷裂等損傷狀態(tài)來看，鋼筋混凝土框架的損傷發(fā)展隨著銹蝕率的增大而加快，特別是框架梁的損傷發(fā)展受鋼筋銹蝕率的影響更明顯。

圖8 RC框架破壞形態(tài)Fig.8 Failure mode of RC frames

表3 鋼筋混凝土框架各損傷狀態(tài)對應的位移角幅值Table 3 Drift ratio amplitudes corresponding to different damage states of corroded RC frames %

2.3 滯回曲線

試件的主要試驗結(jié)果如表4所示。試件的荷載-位移滯回曲線和骨架曲線分別如圖9和10所示。對于鋼筋混凝土框架，有多個截面可以因鋼筋屈服而形成塑性鉸，當其中某個截面首先出現(xiàn)塑性鉸時并不一定會在荷載-位移曲線上形成明顯的屈服點[18]。因此，試件的屈服位移和屈服荷載根據(jù)等能量原則確定[19]，試件承載能力下降15%時確定為極限狀態(tài)。

從圖9和圖10可以看出：

1)由于各試件均發(fā)生梁、柱端部的彎曲破壞，因此滯回環(huán)的形狀大致呈“梭形”，滯回曲線比較飽滿。

2)對于未銹蝕框架試件F1和銹蝕率較小的框架試件F2，達到峰值荷載后，試件承載能力沒有明顯降低，直到縱筋發(fā)生斷裂后，荷載-位移曲線突然下降。對于銹蝕率較大的框架試件F3，F(xiàn)4和F5，滯回曲線達到峰值荷載后，試件承載能力逐漸降低，特別是當混凝土明顯剝落后，承載能力出現(xiàn)明顯下降。雖然試件F4的平均銹蝕率比試件F3的大，但由于鋼筋銹蝕的不均勻性，試件F4 柱底塑性鉸區(qū)的鋼筋銹蝕率比試件F3的小，導致其承載能力比試件F3的略大。與未銹蝕框架相比，平均銹蝕率分別為6.27%，9.07%，12.70%和20.10%的銹蝕鋼筋混凝土框架的峰值承載力分別下降9%，15%，14%和31%。

3)隨著鋼筋銹蝕率的增大，滯回環(huán)面積減小，框架的耗能能力明顯下降。

表4 各試件的主要試驗結(jié)果Table 4 Main experimental results of specimens

圖9 荷載-位移滯回曲線Fig.9 Lateral load versus displacement hysteretic curves

圖10 荷載-位移骨架曲線Fig.10 Lateral load versus displacement skeleton curves

2.4 變形分析

從表4可以看出：鋼筋混凝土框架的延性系數(shù)為3～4，由于延性系數(shù)的計算受屈服位移影響較大，鋼筋銹蝕率對延性系數(shù)的影響沒有明顯的規(guī)律。但是對比試件的極限變形可以發(fā)現(xiàn)，隨著鋼筋銹蝕率的增大，試件的極限變形逐漸減小。與未銹蝕框架相比，平均銹蝕率分別為6.27%，9.07%，12.70%和20.10%的銹蝕鋼筋混凝土框架的極限變形分別下降21%，30%，36%和41%。可見，銹蝕鋼筋混凝土框架的變形能力退化明顯。

試件殘余變形Δres隨位移幅值Δ的變化如圖11所示。從圖11可以看出：由于損傷的發(fā)展，殘余變形隨著位移幅值的增大而增大。在加載初期，殘余變形受鋼筋銹蝕率的影響不大。在加載后期，由于試件的破壞主要集中在坑蝕比較嚴重的截面，因此，塑性變形也集中在鋼筋坑蝕比較嚴重的截面，導致殘余變形隨著銹蝕率的增大而減小。試驗得到的殘余變形變化規(guī)律與GOKSU等[8]研究的銹蝕鋼筋混凝土柱殘余變形的變化規(guī)律類似。

圖11 殘余變形Fig.11 Residual displacement

2.5 裂縫發(fā)展

裂縫寬度是評估鋼筋混凝土結(jié)構或構件損傷程度的關鍵指標，也是鋼筋混凝土結(jié)構加固設計時選擇修復方法的重要依據(jù)[20]。通常認為鋼筋混凝土結(jié)構的裂縫寬度與縱筋的應變發(fā)展有關。LEHMAN等[21]建立了描述殘余裂縫寬度與縱筋應變的累積概率曲線。本試驗采用裂縫寬度測量儀測量試件表面的裂縫寬度。在每級循環(huán)的荷載峰值(力控制階段)或位移峰值(位移控制階段)時測量框架梁、柱的最大裂縫寬度，在水平荷載卸載至0 kN 時測量對應的殘余裂縫寬度。圖12和圖13所示分別為框架梁和柱的最大裂縫寬度ωm及其殘余裂縫寬度ωm,res。從圖12和圖13可以看出：在混凝土開裂后，裂縫寬度隨著加載幅值的增大而增大。但在試件屈服之前，最大裂縫寬度隨荷載幅值的變化幅度比較小，卸載后，幾乎沒有殘余裂縫。當試件屈服后，隨著位移幅值的增大，裂縫不斷發(fā)展，寬度增大，卸載后的殘余裂縫寬度也隨之增大。對比不同試件框架梁的裂縫寬度可以發(fā)現(xiàn)，對于銹蝕率小的框架試件F2，框架梁的裂縫發(fā)展規(guī)律與未銹蝕框架試件F1的裂縫發(fā)展規(guī)律類似，而對于銹蝕率較大的框架試件F3，F(xiàn)4和F5，由于錨固區(qū)鋼筋銹蝕導致鋼筋與混凝土之間的黏結(jié)強度降低，縱筋應變發(fā)展比較慢，框架梁的裂縫寬度比試件F0-1和F5-1的明顯減小，如圖12(a)和圖13(a)所示。對于銹蝕框架柱，由于在底梁錨固區(qū)的混凝土保護層比較厚，鋼筋與混凝土之間的黏結(jié)性能沒有明顯降低，柱縱筋應變發(fā)展受銹蝕率影響較小。但是，柱身鋼筋銹蝕使得框架柱的性能退化明顯，導致銹蝕框架柱的裂縫寬度比未銹蝕框架柱大，如圖12(b)和13(b)所示。

圖12 往復加載下的最大裂縫寬度Fig.12 Maximum crack width under cyclic loading

圖13 最大殘余裂縫寬度Fig.13 Maximum residual crack width

2.6 強度退化

在相同位移幅值下，強度隨加載周數(shù)而降低，即為強度退化。強度退化體現(xiàn)了試件由于損傷累積導致其性能退化。為了更明顯地表示在同一加載幅值下的強度退化程度及其隨加載位移的變化，取強度退化系數(shù)λ31為同一位移幅值下，第三循環(huán)峰值荷載相對第一循環(huán)峰值荷載的比值，λ31隨加載位移的變化曲線如圖14所示。從圖14可以看出：在加載初期，試件的強度退化比較緩慢，強度退化系數(shù)基本都在0.90以上。對于未銹蝕試件F1，在破壞之前，強度退化系數(shù)λ31均大于0.95。直到位移幅值為75 mm，由于縱筋斷裂，強度突然下降，強度退化系數(shù)降低到0.86。對于銹蝕試件，在混凝土出現(xiàn)明顯壓碎、剝落時，強度開始出現(xiàn)明顯的退化，且隨著銹蝕率的增大，試件較早出現(xiàn)明顯強度退化。對于試件F2，在位移幅值為55 mm，強度出現(xiàn)明顯退化，強度退化系數(shù)為0.88。對于試件F3，在位移幅值為50 mm 時，強度退化系數(shù)為0.86。對于試件F4，在位移位移幅值為45 mm時，強度退化系數(shù)為0.80。對于試件F5，在位移幅值為25 mm時，強度退化系數(shù)降低到0.87，之后，強度出現(xiàn)多次明顯退化，在位移幅值為55 mm 時，強度退化系數(shù)降低到0.79。

圖14 強度退化曲線Fig.14 Strength degradation

2.7 剛度退化

剛度是結(jié)構及構件損傷程度的衡量指標之一。隨著損傷的發(fā)展，試件的剛度逐漸退化。圖15所示為鋼筋混凝土框架的割線剛度隨位移的變化曲線。從圖15可以看出：1)試件的剛度隨著位移幅值的增大而減小，在加載初期，隨著裂縫的形成和發(fā)展，試件的剛度退化較快，隨著位移幅值的增大，剛度退化速率逐漸減緩。2)隨著鋼筋銹蝕率的增大，框架在各加載階段的剛度逐漸減小，且剛度退化速率逐漸增大。在加載后期，框架剛度受鋼筋銹蝕程度的影響更加明顯。

2.8 耗能能力

從表4可以看出：鋼筋混凝土框架加載至極限狀態(tài)的總累積耗能隨著銹蝕率的增大而急劇下降。圖16所示為各位移幅值下3個加載循環(huán)的總耗能與位移幅值的關系曲線。從圖16可以看出：加載初期，鋼筋銹蝕對框架的滯回耗能影響不大。在加載后期，隨著銹蝕率的增大，銹蝕鋼筋對耗能的貢獻減小，當混凝土的損傷發(fā)展到一定程度，銹蝕框架的耗能能力降低，在相同位移角下的滯回耗能隨著銹蝕率的增大而減小。當位移幅值Δ≥50 mm 后，試件F2 在各位移幅值下的滯回耗能明顯比試件F1的小。當位移幅值Δ≥40 mm后，銹蝕框架在各位移幅值下的滯回耗能隨著鋼筋銹蝕率的增大而減小。在極限狀態(tài)下，平均銹蝕率為6.27%，9.07%，12.70%和20.10%的銹蝕鋼筋混凝土框架的總累計耗能比未銹蝕框架的總累計耗能分別下降43%，59%，66%和76%。

圖15 剛度退化曲線Fig.15 Stiffness degradation

圖16 試件耗能曲線Fig.16 Energy dissipation

3 結(jié)論

1)相比未銹蝕鋼筋混凝土框架，銹蝕鋼筋混凝土框架在擬靜力荷載作用下的損傷發(fā)展更快，損傷分布更集中。

2)隨著鋼筋銹蝕率的增大，鋼筋混凝土框架的承載能力、變形能力以及耗能能力退化明顯。與未銹蝕框架相比，平均銹蝕率為6.27%，9.07%，12.70%和20.10%的銹蝕鋼筋混凝土框架的承載力分別下降9%，15%，14%和31%，極限變形能力分別下降21%，30%，36%和41%，耗能能力分別下降43%，59%，66%和76%。

3)鋼筋銹蝕對加載過程中框架的強度退化影響顯著。未銹蝕框架在加載過程中強度比較穩(wěn)定，而隨著銹蝕率的增大，銹蝕框架在較小的位移幅值即出現(xiàn)明顯的強度退化，且退化程度隨鋼筋銹蝕率的增大而增大。

4)隨著鋼筋銹蝕率的增大，鋼筋混凝土框架在各加載階段的剛度逐漸減小，在加載后期，試件剛度受鋼筋銹蝕率的影響更加明顯。