銹蝕鋼筋混凝土深梁斜截面承載力研究

劉娟

（天水師范學(xué)院，甘肅天水 741000）

0 引言

在沿海環(huán)境、室外淋雨環(huán)境及工業(yè)環(huán)境侵蝕下，混凝土中鋼筋往往銹蝕嚴(yán)重，產(chǎn)生的后果就是混凝土開裂、剝落，而鋼筋的銹蝕在混凝土結(jié)構(gòu)耐久性損傷的占主要的內(nèi)部因素。做為在建筑結(jié)構(gòu)中的主要承重構(gòu)建的鋼筋混凝土深梁，目前世界各國學(xué)者就鋼筋混凝土簡支深梁的剪切強(qiáng)度問題進(jìn)行深入的研究，但對考慮鋼筋銹蝕情況下深梁的剪切強(qiáng)度問題研究相對較少。本文以極限分析方法為基礎(chǔ)，結(jié)合混凝土的塑性理論，提出考慮鋼筋銹蝕的鋼筋混凝土簡支深梁抗剪強(qiáng)度的影響，鋼筋銹蝕率的增大時(shí)，深梁的承載力和延性反而均出現(xiàn)下降趨勢。

1 斜截面承載力計(jì)算公式的建立

多數(shù)情況下，抗剪承載力不足導(dǎo)致鋼筋混凝土深梁的破壞。破壞情況發(fā)生時(shí)，我們常見到的“拉桿拱”受力體系通常是在彎剪區(qū)產(chǎn)生斜裂縫出現(xiàn)。在鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)中，鋼筋銹蝕時(shí)的屈服強(qiáng)度往往和鋼筋銹蝕率是密切相關(guān)的，具體的關(guān)系為：

fy——未銹蝕鋼筋的屈服強(qiáng)度；

fyr——銹蝕鋼筋的屈服強(qiáng)度；

η——銹蝕鋼筋銹蝕率（%）。

在鋼筋混凝土深梁結(jié)構(gòu)中，梁段通常掐工況下被劃分為6 個(gè)區(qū)域，Ⅰ、Ⅱ區(qū)域應(yīng)力為零，Ⅳ、Ⅴ區(qū)域?yàn)殡p向受壓區(qū)，Ⅵ區(qū)域?yàn)榭v向受拉鋼筋單向受拉區(qū)，Ⅲ區(qū)域是斜向受壓區(qū)，該區(qū)域受混凝土受腹筋約束。在保證縱筋的強(qiáng)度、錨固及局部承壓強(qiáng)度后，腹筋約束下的混凝土達(dá)到極限強(qiáng)度時(shí)，這種情況下深梁靜力容許的剪力就是梁豎直截面能承受的剪力。

2 有限元分析模型

2.1 模型建立

鋼筋混凝土深梁分析模型尺寸與算例選用的尺寸相同。分析模型采用分離式有限元模型。本文以結(jié)構(gòu)模型以線性強(qiáng)化彈塑性模型為主，為了清楚直觀地分析銹蝕鋼筋和混凝土兩者之間的影響關(guān)系，縱向鋼筋單元和混凝土單元之間插入三個(gè)相互垂直的非線性彈簧單元。非線性彈簧有位置而無幾何體積，三個(gè)非線性彈簧單元具有各自的剛度，其中，平行于縱向鋼筋方向的非線性彈簧（Kz）的力一位移關(guān)系是模擬鋼筋和混凝土之間的粘結(jié)滑移作用，可采用文獻(xiàn)的粘結(jié)—滑移關(guān)系進(jìn)行模擬。垂直于鋼筋方向的兩個(gè)非線性彈簧（Kx，Ky）的力一位移關(guān)系是模擬鋼筋和混凝土的徑向作用。按照算例尺寸和配筋建模，考慮到計(jì)算精度與效率的平衡，可以通過建立一半對稱模型進(jìn)行計(jì)算。通過計(jì)算分析鋼筋銹蝕率與深梁的開裂荷載、極限承載力變化關(guān)系呈反比趨勢。由于有限元分析時(shí)考慮了在鋼筋銹蝕率較小時(shí)，鋼筋銹蝕對粘結(jié)強(qiáng)度的增強(qiáng)作用，有限元方法獲得的結(jié)果隨鋼筋銹蝕率的增加而略有提高。

2.2 裂縫分析

對于深梁，已不能按純受彎構(gòu)件進(jìn)行受力分析，深梁會形成“拉桿拱”受力體系，該體系的拱腹是加荷點(diǎn)至支座的混凝土，拉桿是縱向受拉鋼筋。對于適筋梁在荷載較小時(shí)，梁內(nèi)形成的主壓力線（拱作用）和主拉力線（梁作用）共同作用而傳至支座附近，當(dāng)荷載在不斷增加的情況下，豎向裂縫（垂直于梁底面）和斜裂縫連續(xù)不斷出現(xiàn)在梁內(nèi)。不斷增加荷載，斜裂縫進(jìn)一步發(fā)展，應(yīng)力重新在梁內(nèi)分布，這時(shí)由拱、梁共同受力轉(zhuǎn)化為以拱受力為主，此時(shí)低應(yīng)力區(qū)在深梁的中下部產(chǎn)生；此時(shí)，縱向受拉鋼筋應(yīng)力增大到一定程度時(shí)形成“拉桿拱”受力體系，該體系以以加荷點(diǎn)至支座的混凝土為拱腹，縱向受拉鋼筋作為拉桿。當(dāng)深梁縱向受力鋼筋的配筋率不小的情況下，底部受拉鋼筋（拉桿）還未屈服，“拱腹”混凝土在壓碎或劈裂的情況下，往往出現(xiàn)剪切破壞。當(dāng)深梁的縱向受力鋼筋的配筋率不大時(shí)，“拱腹”內(nèi)側(cè)混凝土首先開裂，但在“拱腹”混凝土破壞之前，底部受拉鋼筋（拉桿）第一時(shí)間出現(xiàn)屈服的情況，此現(xiàn)象被定義為斜截面彎曲破壞。

由圖1、圖2 可以看出，不同鋼筋銹蝕率時(shí)深梁裂縫發(fā)展規(guī)律基本相同，首先在深梁的跨中底部出現(xiàn)彎曲裂縫，然后當(dāng)荷載不斷增加時(shí)，現(xiàn)斜裂縫不斷在支座處出呈現(xiàn)，當(dāng)荷載的再增加時(shí)，從支座位置開始，斜裂縫以大約45°角方向斜向上延伸，裂縫不斷加多加寬，直至構(gòu)件破壞。構(gòu)件破壞時(shí)梁斜截面上已經(jīng)布滿了裂縫，且大都集中在剪跨區(qū)。從裂縫的發(fā)展情況能看，鋼筋未銹蝕的鋼筋混凝土深梁，在“拱腹”混凝土裂縫開展較多，支座處混凝土被壓碎，為剪切破壞；鋼筋銹蝕率為12%時(shí)，斜裂縫發(fā)展區(qū)域明顯偏下（在“拱腹”內(nèi)側(cè)），跨中裂縫發(fā)展較大，為斜截面彎曲破壞。

圖1 DB-0 破壞裂縫

圖2 DB-12 破壞裂縫

2.3 撓度分析

通過圖1 分析，當(dāng)鋼筋混凝土深梁中銹蝕的鋼筋截面尺寸相同、配筋相同的情況下，在鋼筋銹蝕率≦5%時(shí)，銹蝕鋼筋混凝土深梁跨中撓度的破壞與鋼筋銹蝕率是正向關(guān)系，即當(dāng)鋼筋銹蝕率加大時(shí)，銹蝕鋼筋混凝土深梁的延性隨之增大。由此可見銹蝕鋼筋混凝土構(gòu)件塑性破壞是可以預(yù)見的，為我們作業(yè)中的質(zhì)量提供強(qiáng)有力的保證。當(dāng)鋼筋銹蝕率＞5%時(shí)，銹蝕鋼筋混凝土深梁跨中撓度的破壞與鋼筋銹蝕率是反向關(guān)系，即當(dāng)鋼筋銹蝕率加大時(shí)，銹蝕鋼筋混凝土深梁的延性隨之急劇遞減，尤其鋼筋銹蝕率達(dá)到12%時(shí)的鋼筋混凝土深梁的破壞模式被稱為典型的脆性破壞。

3 結(jié)論

（1）從得到的結(jié)果來看，當(dāng)鋼筋銹蝕率的增加時(shí)深梁的開裂荷載、極限承載力反而下降。由于有限元分析時(shí)考慮了鋼筋銹蝕對粘結(jié)強(qiáng)度的增強(qiáng)作用，在鋼筋銹蝕率≦5%時(shí)，有限元方法獲得的結(jié)果隨鋼筋銹蝕率的增加而略有提高。

（2）從裂縫的發(fā)展情況能看，鋼筋未銹蝕和鋼筋銹蝕率≦5%的鋼筋混凝土深梁，剪切破壞為主；鋼筋銹蝕率達(dá)到12%時(shí)，斜截面彎曲破壞占主導(dǎo)。

（3）當(dāng)鋼筋銹蝕率較低時(shí)，銹蝕鋼筋混凝土深梁跨中撓度的破壞與鋼筋銹蝕率是正向關(guān)系，即當(dāng)鋼筋銹蝕率加大時(shí)，銹蝕鋼筋混凝土深梁的延性隨之增大。

（4）通過以理論為基礎(chǔ)，進(jìn)行有限元分析后發(fā)現(xiàn)，二者附和較好，推導(dǎo)公式略為保守，推導(dǎo)公式能夠?yàn)殇P蝕鋼筋混凝土深梁的設(shè)計(jì)提供依據(jù)。