基于加速銹蝕試驗(yàn)的RC梁抗彎性能劣化研究

孫 馬，周建庭，徐略勤，高 鵬，陽(yáng)珊清

(重慶交通大學(xué) 土木工程學(xué)院，重慶 400074)

0 引 言

鋼筋混凝土梁(RC梁)是橋梁結(jié)構(gòu)中使用最廣泛的橋跨類型之一。由于橋梁結(jié)構(gòu)長(zhǎng)期暴露在大氣環(huán)境中，在碳化、氯離子侵蝕等因素的持續(xù)作用下，鋼筋表面的氧化膜被破壞，引發(fā)銹蝕，并在鋼筋周?chē)a(chǎn)生大量氧化物和堿等。這些銹蝕產(chǎn)物的體積是原始成分的2～6倍[1]，導(dǎo)致鋼筋周?chē)幕炷凛椛錉铋_(kāi)裂甚至剝離。鋼筋有效面積的減小以及鋼筋-混凝土黏結(jié)強(qiáng)度的下降則進(jìn)一步削弱了RC梁的承載能力，誘發(fā)結(jié)構(gòu)破壞。由于RC梁是橋梁結(jié)構(gòu)的主要承重構(gòu)件，一旦破壞，后患無(wú)窮，因此掌握RC梁抗彎性能的劣化規(guī)律對(duì)橋梁工程的運(yùn)營(yíng)管理和維修加固策略十分重要。

對(duì)銹蝕RC梁抗彎性能的研究目前大都集中于抗彎承載能力的計(jì)算模型上，如金偉良等[1]提出的考慮鋼筋銹蝕的綜合折減系數(shù)；孫彬等[2]通過(guò)銹后無(wú)黏結(jié)RC梁試驗(yàn)結(jié)果提出的銹蝕鋼筋強(qiáng)度利用系數(shù)計(jì)算公式；張建仁等[3]通過(guò)回歸得到的受拉區(qū)鋼筋與混凝土的應(yīng)變關(guān)系函數(shù)；高向玲等[4]采用試驗(yàn)數(shù)據(jù)反推得到的鋼筋應(yīng)變滯后系數(shù)等，這些模型均可在不同范圍內(nèi)提高銹蝕RC梁抗彎承載能力的預(yù)測(cè)精度。但現(xiàn)有研究對(duì)銹蝕RC梁整體抗彎性能(包括承載能力、塑性變形、破壞模式等)劣化規(guī)律的研究仍有不足，邢國(guó)華等[5]基于平截面假定推導(dǎo)了低銹損率RC梁的抗彎性能分析模型，但重點(diǎn)不在于劣化規(guī)律；陽(yáng)逸鳴等[6]基于隨機(jī)場(chǎng)理論所建立的銹蝕RC梁抗彎承載力時(shí)空退化模型對(duì)劣化規(guī)律有所側(cè)重，但模型過(guò)于復(fù)雜，且沒(méi)有試驗(yàn)驗(yàn)證。首先開(kāi)展了12根加速銹蝕RC梁的彎曲破壞試驗(yàn)，基于試驗(yàn)全面探討了RC梁抗彎性能隨銹蝕發(fā)展的劣化規(guī)律，然后在現(xiàn)有抗彎承載模型適用性評(píng)估基礎(chǔ)上，提出了RC梁抗彎能力的時(shí)變劣化分析模型，以期為在役橋梁的運(yùn)營(yíng)管理決策提供參考。

1 試驗(yàn)概況

1.1 試件設(shè)計(jì)

試驗(yàn)梁按照縱筋直徑分為3組，每組分別包含0%、2%、4%、8% 4個(gè)目標(biāo)縱筋銹蝕率，共計(jì)12片試驗(yàn)梁，如表1。試驗(yàn)梁的寬×高×長(zhǎng)為120 mm×180 mm×1 600 mm，混凝土設(shè)計(jì)強(qiáng)度等級(jí)為C30，保護(hù)層厚度為20 mm?；炷敛牧系呐浜媳人唷盟蒙埃核槭癁?∶0.51∶1.23∶2.70，水膠比為0.51。受拉鋼筋分別為2根12、14、16 mm HRB335鋼筋，受壓區(qū)鋼筋為2根10 mm HPB235鋼筋，箍筋為6 mm HPB235鋼筋，如圖1。在綁扎前，對(duì)箍筋和受拉鋼筋進(jìn)行初銹、稱重和編號(hào)。在綁扎時(shí)，采用絕緣膠帶和環(huán)氧對(duì)箍筋和受拉鋼筋進(jìn)行絕緣處理。

表1 試件設(shè)計(jì)參數(shù)

(1)

根據(jù)面積銹蝕率ρA，按式(2)可計(jì)算得到縱筋的理論銹蝕深度Xc，其結(jié)果列于表1。

(2)

式中：d0為鋼筋未銹時(shí)的初始直徑。

1.2 加載測(cè)試方案

利用分配梁使試驗(yàn)梁跨中500 mm范圍成為純彎段，然后采用液壓千斤頂對(duì)分配梁施以跨中集中力。為控制加載，在千斤頂上安放壓力傳感器，并與事先標(biāo)定好的應(yīng)變儀對(duì)接?；炷翍?yīng)變片粘貼在試驗(yàn)梁跨中兩側(cè)面和跨中頂面，每一側(cè)粘貼6片，頂面粘貼1片。鋼筋應(yīng)變片貼在預(yù)留孔中的縱筋表面，粘貼前對(duì)銹蝕縱筋進(jìn)行除銹。為了防止應(yīng)變片失效，每根縱筋粘貼2片。電子位移計(jì)分別安裝在支承點(diǎn)、加載點(diǎn)和跨中等5處。采用分級(jí)加載制度，每級(jí)荷載5 kN，直到試驗(yàn)梁達(dá)到其承載能力極限狀態(tài)，然后轉(zhuǎn)向持續(xù)加載方式，直至試驗(yàn)梁完全破壞。加載布置如圖2，加載過(guò)程產(chǎn)生的試驗(yàn)數(shù)據(jù)由電腦同步采集。

2 試驗(yàn)結(jié)果

2.1 試驗(yàn)梁破壞形態(tài)

圖3為3組試驗(yàn)梁的典型破壞形態(tài)。3組梁(B12、B14和B16)的裂縫發(fā)展過(guò)程具有一定的相似性，即第1條裂縫出現(xiàn)在試驗(yàn)梁的純彎段，隨著荷載的增加，新裂縫不斷產(chǎn)生，且伴隨著豎裂縫和斜裂縫的延伸和擴(kuò)展；豎主裂縫持續(xù)開(kāi)展，直至梁頂附近，而斜主裂縫主要朝加載點(diǎn)附近發(fā)展；在破壞階段，純彎段靠近加載點(diǎn)附近的受壓區(qū)混凝土被壓碎，受拉區(qū)混凝土裂縫最大寬度超過(guò)2 mm。但3組梁的破壞形態(tài)也存在明顯差異，B12組中的B12-0～B12-4 3片梁以豎裂縫為主裂縫，在破壞過(guò)程中表現(xiàn)出良好的塑性特征，而B(niǎo)12-8以斜裂縫為主裂縫，塑性水平則明顯下降；同理，B14組的B14-0和B14-2以及B16組的B16-0 3片梁也表現(xiàn)出一定的塑性特征，而這兩組試件中的其他試驗(yàn)梁均以斜裂縫為主裂縫，破壞模式已由塑性彎曲破壞演化為脆性剪切破壞。由此可見(jiàn)，隨著縱筋銹蝕率的增大，RC梁的塑性變形特征逐漸下降直至消失，破壞模式也可能發(fā)生明顯的轉(zhuǎn)變，這與文獻(xiàn)[9]的研究結(jié)論一致。

2.2 正截面混凝土應(yīng)變分布規(guī)律

加載過(guò)程中，試驗(yàn)梁跨中截面的混凝土應(yīng)變沿梁高的分布規(guī)律如圖4。由于裂縫和撓度的持續(xù)增大，加載過(guò)程中不斷有應(yīng)變片損壞，因此圖4的應(yīng)變數(shù)據(jù)并不完整。由圖可知，當(dāng)荷載較小時(shí)，正截面上混凝土應(yīng)變沿梁高呈線性分布；隨著荷載的增大，截面中和軸逐漸上移，對(duì)于銹蝕率較低的試驗(yàn)梁，混凝土應(yīng)變沿梁高基本仍呈線性分布，而對(duì)于銹蝕率較高的試驗(yàn)梁，受壓區(qū)混凝土應(yīng)變的增速高于受拉區(qū)混凝土，導(dǎo)致應(yīng)變的線性分布規(guī)律逐漸被打破，平截面假定受到挑戰(zhàn)。對(duì)比不同銹蝕率的影響可以看到，在相同荷載等級(jí)下，隨著縱筋銹蝕率的提高，跨中截面中和軸的上移幅度更大，混凝土應(yīng)變非線性分布規(guī)律也更明顯，反映出截面的抗彎儲(chǔ)備逐漸被削弱，梁體的抗彎性能明顯下降。

2.3 荷載-撓度曲線

由圖5所示的荷載-跨中撓度曲線可以看到，隨著銹蝕率的增大，RC梁的抗彎承載能力、塑性變形能力均不斷下降，但初始抗彎剛度僅在B14組中表現(xiàn)出較明顯的下降。從曲線趨勢(shì)來(lái)看，B12組中的前3片梁均具有穩(wěn)定的承載平臺(tái)，塑性水平較高，而銹損最嚴(yán)重的B12-8梁則表現(xiàn)出明顯的脆性特征；B14和B16兩組梁的曲線對(duì)比規(guī)律類似，即未銹梁的曲線具有一定的塑性發(fā)展過(guò)程，而其余3片銹蝕梁的曲線在達(dá)到最大承載能力之后迅速下降，幾乎沒(méi)有塑性發(fā)展過(guò)程，這與圖3的試驗(yàn)梁破壞形態(tài)基本吻合。從極限荷載來(lái)看，在B12組中，4片梁的最大荷載分別為69.1、63.0、57.8、51.0 kN，相比未銹梁B12-0的69.1 kN，3種銹蝕率下的B12-2、B12-4和B12-8分別下降了8.83%、16.35%和26.19%；在B14組中，以未銹梁B14-0為基準(zhǔn)，3種銹蝕率下的B14-2、B14-4和B14-8分別下降了9.35%、16.19%和20.30%；而在B16組中，3片銹蝕梁B16-2、B16-4和B16-8的極限荷載相比未銹梁B16-0分別下降了-4.59%、6.99%和11.59%。由此可見(jiàn)，由銹蝕所導(dǎo)致的RC梁承載能力和塑性變形能力的下降不可忽視。

3 抗彎承載能力劣化分析

3.1 抗彎承載能力評(píng)估

對(duì)于銹蝕RC梁的抗彎承載能力評(píng)估，目前國(guó)內(nèi)外已有較多分析模型[1-5]。本節(jié)從中選取4個(gè)典型的模型進(jìn)行適用性分析，分別是金偉良模型[1]、孫彬模型[2]、張建仁模型[3]和高向玲模型[4]，對(duì)比結(jié)果如圖6。

由圖6可知，在B12組4片梁中，實(shí)測(cè)彎矩均高于各模型的理論計(jì)算彎矩。其中，孫彬模型的計(jì)算誤差和離散性均最小，其最大計(jì)算誤差為-11.05%(試驗(yàn)梁B12-0)，最小誤差為-3.99%(試驗(yàn)梁B12-4)，平均誤差為-7.42%；而其余3個(gè)模型的平均計(jì)算誤差均超過(guò)-10%。在B14組的4片梁中，金偉良和孫彬模型的計(jì)算精度都比較高，前者平均計(jì)算誤差為-5.73%，后者僅為0.99%，但金偉良模型的計(jì)算離散性較大，誤差范圍為-1.87%～-20.67%，而孫彬模型僅為-0.57%～4.63%；其余兩個(gè)模型的平均計(jì)算誤差均超過(guò)-20%。在B16組的4片梁中，計(jì)算精度最高的仍是孫彬模型，誤差分布范圍為-10.30%～4.52%，平均誤差僅-5.47%；而其余3個(gè)模型的平均計(jì)算誤差均超過(guò)-10%，張建仁和高向玲模型的平均誤差超過(guò)-30%。圖6的結(jié)果表明，對(duì)于文中的12片試驗(yàn)梁來(lái)說(shuō)，孫彬模型可獲得最滿意的計(jì)算精度。實(shí)際上，上述模型均在某特定假設(shè)前提下借助于數(shù)學(xué)統(tǒng)計(jì)方法得到，實(shí)用性較強(qiáng)，但對(duì)于揭示銹蝕梁抗彎性能退化機(jī)理方面仍存在一定的不足。相對(duì)來(lái)說(shuō)，孫彬模型的物理意義更加突出一些，因此后文將采用該模型做進(jìn)一步的研究。

3.2 抗彎承載能力劣化分析方法

根據(jù)3.1節(jié)的分析結(jié)果，本節(jié)采用孫彬模型來(lái)建立矩形RC梁抗彎承載能力的劣化分析方法。為了得到RC梁承載能力的劣化規(guī)律，首先必須建立材料和構(gòu)件物理和力學(xué)屬性的時(shí)變分析模型。以氯離子侵蝕環(huán)境為例，鋼筋的時(shí)變殘余截面積As(t)可按式(3)、式(4)計(jì)算：

(3)

(4)

式中：ds(t)和ds0分別為鋼筋服役t年時(shí)的殘余直徑和初始直徑；tini為鋼筋初始銹蝕時(shí)間；λ為鋼筋銹蝕速率，前者可根據(jù)DuraCrete模型得到，后者可根據(jù)Stewart的研究[10]得到，分別為：

(5)

(6)

式中：c為保護(hù)層厚度；ke、kt、kc分別為環(huán)境、試驗(yàn)方法、養(yǎng)護(hù)條件的修正系數(shù)；D0為混凝土齡期為t0時(shí)的參考氯離子擴(kuò)散系數(shù)；n為時(shí)間衰減系數(shù)；Cs為混凝土表面的氯離子濃度，其計(jì)算公式為Cs=αs(w/h)+βs，w/h為水膠比，αs和βs分別是與環(huán)境相關(guān)的系數(shù)；icor為銹蝕電流密度，可按式(7)計(jì)算：

(7)

fy(t)=[1-βyηs(t)]fy0

(8)

式中：βy為鋼筋強(qiáng)度折減系數(shù)，根據(jù)文獻(xiàn)[10]可取為0.004 9；fy0為鋼筋初始屈服強(qiáng)度。

鋼筋銹蝕產(chǎn)生體積膨脹，造成混凝土內(nèi)部微裂縫的發(fā)展，導(dǎo)致混凝土的強(qiáng)度下降。此外，保護(hù)層混凝土也因?yàn)殇摻铙w積膨脹而沿著鋼筋脹裂，引起RC梁的幾何損傷?；炷烈騼?nèi)部微裂縫的開(kāi)展而引起的時(shí)變抗壓強(qiáng)度f(wàn)c(t)可按式(9)計(jì)算[11]：

(9)

式中：fck為混凝土抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值；K為鋼筋表面粗糙程度和直徑的相關(guān)系數(shù)，取K=0.1；ε0為混凝土抗壓強(qiáng)度對(duì)應(yīng)的壓應(yīng)變，取ε0=0.002；ε1(t)為混凝土開(kāi)裂后的廣義平均拉應(yīng)變，一般應(yīng)小于0.01，可按式(10)計(jì)算[11]：

(10)

式中：b0、b(t)分別為RC梁原始及銹蝕后的截面尺寸。其中，b(t)可按式(11)計(jì)算[11]：

b(t)=b0+n·wcr=b0+2π(χrs-1)Xc

(11)

式中：n為銹蝕RC梁的縱筋數(shù)量；wcr為銹蝕深度為Xc時(shí)RC梁裂縫總寬度；χrs為鋼筋銹蝕氧化物體積與未銹蝕時(shí)對(duì)應(yīng)的材料體積之比，一般可取χrs=2.0。

根據(jù)上述材料和構(gòu)件物理和力學(xué)屬性的時(shí)變分析模型，結(jié)合孫彬模型，即可建立銹蝕RC梁在氯離子侵蝕環(huán)境下抗彎承載能力的劣化分析流程，如圖7。

采用圖7所示的流程計(jì)算3組試驗(yàn)梁抗彎承載能力隨時(shí)間的劣化規(guī)律，如圖8(a)。由圖可知，隨著鋼筋初銹時(shí)間的出現(xiàn)，試驗(yàn)梁的抗彎承載能力開(kāi)始不斷下降，早期下降速度較快，后期逐漸趨緩。試驗(yàn)結(jié)果與曲線趨勢(shì)基本吻合，表明圖7的分析方法是合理的。

圖7的分析流程是針對(duì)試驗(yàn)梁在氯離子侵蝕環(huán)境下的劣化規(guī)律提出的，但該分析流程并不僅局限于試驗(yàn)梁和氯離子環(huán)境。在T梁、小箱梁和空心板等橋梁上部結(jié)構(gòu)銹蝕抗彎承載能力的基礎(chǔ)上，結(jié)合不同服役環(huán)境特點(diǎn)，考慮構(gòu)件和材料物理和力學(xué)性能的時(shí)變規(guī)律，同樣可以建立這些典型橋梁上部結(jié)構(gòu)的承載能力劣化分析方法。圖8(b)根據(jù)牛荻濤提出的一般大氣環(huán)境下的材料劣化規(guī)律[12]，采用相同的流程，得到了試驗(yàn)梁在一般大氣環(huán)境下的劣化曲線，限于篇幅僅給出結(jié)果。由圖可知，在一般大氣環(huán)境下，RC梁的抗彎承載能力可維持一段較長(zhǎng)時(shí)間的穩(wěn)定，然后才開(kāi)始逐漸下降。相比氯離子侵蝕環(huán)境，一般大氣環(huán)境下RC梁抗彎承載能力下降的初始時(shí)間更晚，下降的幅度和速度也更小。這與現(xiàn)有工程認(rèn)知是吻合的，也進(jìn)一步證明筆者的分析方法可作為RC梁抗彎承載能力劣化的一種實(shí)用估算手段，給在役橋梁工程的養(yǎng)護(hù)管理決策提供參考。

4 結(jié) 論

開(kāi)展了銹蝕RC梁的抗彎性能試驗(yàn)，研究了鋼筋銹蝕對(duì)RC梁抗彎性能的影響規(guī)律，在現(xiàn)有理論模型適用性評(píng)估的基礎(chǔ)上，結(jié)合氯離子侵蝕環(huán)境下的材料時(shí)變模型，提出了RC梁抗彎承載能力劣化規(guī)律的分析方法，主要結(jié)論有：

1)隨著縱筋銹蝕率的增大，RC梁的塑性變形特征逐漸下降直至消失，破壞模式也由塑性的純彎破壞轉(zhuǎn)變?yōu)榇嘈缘募魪澠茐摹?/p>

2)在相同的荷載等級(jí)下，縱筋銹蝕率越大，跨中截面中和軸的上移幅度也越大，平截面假定也逐漸無(wú)法滿足，表明RC梁的抗彎儲(chǔ)備逐漸被削弱，抗彎性能不斷下降。

3)隨著縱筋銹蝕率的增大，RC梁荷載-跨中撓度曲線的承載平臺(tái)越來(lái)越短，極限荷載也越來(lái)越??；在相同銹蝕率下，縱筋直徑越大的RC梁曲線承載平臺(tái)越短，B14和B16兩組梁中銹蝕程度較大的試驗(yàn)梁均沒(méi)有承載平臺(tái)，曲線在達(dá)到極限荷載后突然下降。

4)在對(duì)12片銹蝕RC梁抗彎承載能力的評(píng)估當(dāng)中，孫彬模型的最大誤差為-11.05%，平均誤差僅-3.97%，計(jì)算精度最高，離散性最小。

5)提出的RC梁抗彎承載能力劣化分析方法，可以在氯離子侵蝕環(huán)境和一般大氣環(huán)境下得到與試驗(yàn)結(jié)果較吻合的劣化曲線，表明該分析方法可用于預(yù)測(cè)RC梁抗彎承載能力的劣化規(guī)律，給在役橋梁工程的養(yǎng)護(hù)管理決策提供參考。