低循環(huán)反復(fù)荷載下腐蝕鋼筋混凝土柱抗震行為

枚東華

(江西省建工集團(tuán)有限責(zé)任公司,江西 南昌 330001)

0 引言

在鋼筋混凝土(RC)結(jié)構(gòu)的長(zhǎng)期使用中,材料的老化和鋼筋的內(nèi)部腐蝕會(huì)直接導(dǎo)致鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)在使用周期內(nèi)的力學(xué)性能和耐久性下降。其中氯化物引起的侵蝕、干濕循環(huán)和混凝土碳化被認(rèn)為是導(dǎo)致鋼筋腐蝕的主要因素,當(dāng)結(jié)構(gòu)位于海洋環(huán)境時(shí),會(huì)使混凝土結(jié)構(gòu)進(jìn)一步惡化[1]。此外,鋼筋的銹蝕會(huì)導(dǎo)致鋼筋的力學(xué)性能、鋼筋與混凝土之間的黏結(jié)滑動(dòng)性能惡化,混凝土構(gòu)件的截面破壞,結(jié)構(gòu)的承載能力和變形能力下降,甚至?xí)斐山ㄖ锏钠茐?危及人們的安全。目前,在傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中沒(méi)有考慮混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性[2],在役結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)安全等級(jí)相對(duì)低于未受腐蝕的受損結(jié)構(gòu),這些幾十年前設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)存在一系列缺陷。許多破壞性地震的震后調(diào)查報(bào)告也表明,腐蝕柱在地震帶中破壞嚴(yán)重。因此,有必要關(guān)注地震帶中被腐蝕的RC柱,并進(jìn)一步研究腐蝕程度對(duì)RC柱抗震行為的影響。

雖然很多學(xué)者對(duì)受腐蝕RC柱的抗震性能做了大量的調(diào)查,但研究領(lǐng)域主要集中在只對(duì)縱向鋼筋腐蝕或只對(duì)箍筋腐蝕的實(shí)驗(yàn)研究。但是關(guān)于箍筋腐蝕和縱筋腐蝕分別對(duì)柱子抗震性能退化的影響的實(shí)驗(yàn)研究很少,特別是對(duì)于腐蝕嚴(yán)重的箍筋[3],腐蝕程度對(duì)柱子破壞模式的影響仍需進(jìn)一步探討。

基于此,本文對(duì)8根腐蝕RC柱進(jìn)行了低頻循環(huán)荷載試驗(yàn),研究了不同鋼筋腐蝕程度對(duì)RC柱抗震性能的影響。同時(shí),得到了腐蝕RC柱的滯回曲線、骨架曲線、剛度延性組成的抗震性能指標(biāo),并與未腐蝕RC柱進(jìn)行了比較。

1 試驗(yàn)方案

1.1 試驗(yàn)材料

為了研究不同鋼筋銹蝕程度(質(zhì)量分?jǐn)?shù))的鋼筋混凝土(RC)柱的抗震行為,設(shè)計(jì)并建造了8個(gè)全尺寸相同的試件,分別標(biāo)為Z1—Z8。Z1試件保持未腐蝕,Z2—Z4為僅有縱向鋼筋腐蝕的試件,相應(yīng)的目標(biāo)電化腐蝕率分別為5%,10%和15%。同時(shí),Z5—Z8試件為僅有箍筋腐蝕的鋼筋混凝土柱,箍筋的電化腐蝕率分別為8%,16%,24%和32%。RC柱試樣的基本參數(shù)在表1中給出。此外,RC柱試件的方形截面尺寸為300 mm×300 mm,每個(gè)試件的整體高度為1 525 mm,混凝土凈面為30 mm。所有試件的剪跨比和軸壓比分別為3.4和0.4。此外,每個(gè)試件的縱向鋼筋為8根直徑為14 mm的鋼筋,橫向鋼筋直徑為10 mm,間距為100 mm。

表1 鋼筋混凝土柱試件的基本參數(shù)

RC柱的設(shè)計(jì)強(qiáng)度等級(jí)為C40,28 d后測(cè)量的標(biāo)準(zhǔn)立方體的抗壓強(qiáng)度為42.3 MPa?；炷恋膹椥阅Ａ亢涂估瓘?qiáng)度分別為3.3×104MPa和3.1 MPa。8根HRB400 D14(直徑14 mm)鋼筋被作為每個(gè)試樣的縱向配筋。Z1—Z8的配筋率為1.36%,HPB300 D10光滑鋼筋的間距為100 mm,用作試樣的箍筋。縱向鋼筋由橫向鋼筋固定,以確保RC柱中的核心混凝土具有良好力學(xué)性能。根據(jù)GB/T 228.1—2010標(biāo)準(zhǔn),直徑為14 mm和10 mm的鋼筋屈服強(qiáng)度分別為525 MPa和390 MPa,抗拉強(qiáng)度為665 MPa和394 MPa。

1.2 加速腐蝕試驗(yàn)

在RC結(jié)構(gòu)的實(shí)驗(yàn)研究中,通電加速腐蝕試驗(yàn)一直是一種常見(jiàn)的腐蝕方法。因此,本研究采用了外部電流技術(shù),在合理的時(shí)間內(nèi)誘發(fā)試驗(yàn)試件的腐蝕,并在試驗(yàn)前獲得了所有試件的目標(biāo)腐蝕率和腐蝕時(shí)間。為了模擬RC柱中鋼筋的實(shí)際非均勻腐蝕狀態(tài),將28 d固化后的這些試樣浸泡在一個(gè)裝有質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%的NaCl溶液的容器中。在電化腐蝕試驗(yàn)前,對(duì)試驗(yàn)區(qū)域的鋼筋質(zhì)量進(jìn)行稱(chēng)重。在試驗(yàn)中,鋼筋籠中的縱筋或箍筋作為陽(yáng)極,而附著在試樣上的不銹鋼網(wǎng)則作為直流電源的陰極。為了防止縱向鋼筋被電腐蝕時(shí),箍筋受到腐蝕的影響,縱向鋼筋和箍筋的接觸位置被絕緣床墊隔開(kāi)。為了使鋼筋的腐蝕有一個(gè)合理的時(shí)間,Z2—Z4的縱筋和Z5—Z8的箍筋的電流密度分別設(shè)計(jì)為1.16 mA/cm2和2.56 mA/cm2。

2 結(jié)果與討論

2.1 滯回曲線和能量耗散能力

循環(huán)載荷-位移滯回曲線是通過(guò)柱頂?shù)牧臀灰苽鞲衅髦苯訙y(cè)量的。同時(shí),為了清楚地呈現(xiàn)腐蝕對(duì)RC柱試件循環(huán)響應(yīng)的影響,圖1分別繪制了未腐蝕試件(Z1)和每一個(gè)腐蝕試件的滯回曲線對(duì)比。從圖1可以看出,在加載初期,荷載隨位移線性增加,在試件屈服前[4],其滯回環(huán)所包圍的區(qū)域并不豐滿或明顯。隨著荷載的進(jìn)一步反復(fù)和增加,試樣的塑性變形已經(jīng)開(kāi)始出現(xiàn),剛度逐漸下降,試樣開(kāi)裂后滯回環(huán)的斜率下降。滯回環(huán)路所包圍的區(qū)域已經(jīng)形成并不斷發(fā)生較大變化。此外,觀察到試樣Z1的滯回曲線的捏合現(xiàn)象并不顯著,呈現(xiàn)出飽滿的梭形,具有較好的耗能能力。同時(shí)發(fā)現(xiàn),隨著鋼筋銹蝕程度的增加,滯回曲線的捏合現(xiàn)象逐漸增加,極限荷載后的滯回變得更加不穩(wěn)定。同時(shí),比較Z1和Z5—Z8試件,發(fā)現(xiàn)隨著箍筋腐蝕度的增加,滯回曲線的豐滿度先增大后減小,在極限荷載下,Z5的滯回環(huán)比試件Z1略大,如圖1(e)所示。但是隨著腐蝕程度的增加,Z6的能量耗散能力明顯下降,周?chē)^窄,如圖1(f)所示。因此,可以清楚地看到,對(duì)于腐蝕程度較低的箍筋的柱子,滯回曲線的豐滿度和試件的能量耗散能力略有增加,當(dāng)箍筋的腐蝕比達(dá)到15.2%時(shí)[5],滯回曲線的豐滿度和能量耗散能力明顯下降。這是因?yàn)楦g程度在8.9%以內(nèi)的箍筋產(chǎn)生了輕微的膨脹,加強(qiáng)了箍筋與混凝土的結(jié)合,通過(guò)對(duì)混凝土的有效約束,試件的力學(xué)性能和變形能力得到了提高,在一定程度上提高了試件的承載力和延性。鋼筋與混凝土之間出現(xiàn)了黏結(jié)滑移,隨著腐蝕程度的不斷增加,由于鋼筋截面的減少,出現(xiàn)了黏結(jié)劣化現(xiàn)象并明顯增加。同時(shí),一些裂縫進(jìn)一步發(fā)展和滲透,導(dǎo)致試樣的承載力和剛度隨著箍筋腐蝕程度的不斷增加而迅速下降。

2.2 骨架曲線

骨架曲線是低循環(huán)加載試驗(yàn)過(guò)程中所有循環(huán)峰值的包絡(luò)線,可以準(zhǔn)確反映強(qiáng)度、延性和變形的地震行為。所有試件的骨架曲線均由滯回曲線得到,并繪制在圖2中,其中圖2(a)為Z1—Z4試件的骨架曲線,圖2(b)為Z1,Z5—Z8試件的骨架曲線。從圖2中可以看出,所有試件的應(yīng)力-應(yīng)變過(guò)程都呈現(xiàn)出彈性、彈塑性和破壞階段。當(dāng)側(cè)向力小于50 kN時(shí),各試件的側(cè)向位移很小,骨架曲線的斜率基本恒定,所有試件的骨架曲線基本一致,說(shuō)明力與位移之間呈線性關(guān)系。同時(shí),可以得出結(jié)論,在彈性階段,鋼筋的銹蝕和混凝土的破壞對(duì)骨架曲線沒(méi)有明顯影響。然而,當(dāng)加載力超過(guò)50 kN時(shí),可以觀察到在鋼筋屈服之前,各試件的骨架曲線差異逐漸增大。

隨著縱向鋼筋銹蝕程度的增加,試件的屈服荷載、峰值荷載和極限荷載隨著縱向鋼筋銹蝕程度的增加而逐漸下降,分別下降了9.7%,15.3%和14.5%。如圖2(b)所示,試件的承載力隨著縱筋和箍筋的腐蝕程度增加而明顯下降,最大降幅分別達(dá)到15.3%和19.8%。同時(shí)發(fā)現(xiàn),腐蝕比為15.2%的Z6試件的屈服荷載、峰值荷載和極限荷載均小于腐蝕比為9.55%的Z3縱筋試件,但二者的差異很小,只有5.1%。腐蝕度為28.6%的箍筋的Z8試件的承載力小于Z3試件,下降了11.8%。這表明,混凝土損傷和鋼筋銹蝕對(duì)試件骨架曲線的影響已經(jīng)開(kāi)始顯現(xiàn)[6-7]。因此,鋼筋銹蝕和混凝土對(duì)縱筋屈服后試件的力學(xué)性能有顯著影響,尤其是對(duì)這些箍筋銹蝕嚴(yán)重的試件。當(dāng)試件接近破壞階段時(shí),混凝土覆蓋層完全失去作用,混凝土和鋼筋之間發(fā)生黏結(jié)滑動(dòng)。

2.3 延性分析

為了研究鋼筋銹蝕程度對(duì)試件延性系數(shù)的影響,將延性系數(shù)與縱向鋼筋和箍筋腐蝕率的關(guān)系曲線繪制在圖3中。從圖3中可以看出,縱向鋼筋的延性系數(shù)與箍筋試件相比,分別下降了1.2%,6.3%和13.4%。因此,可以得出結(jié)論:隨著縱筋腐蝕程度的增加,試件的延性系數(shù)逐漸下降。但對(duì)于箍筋試件,與縱向鋼筋試件相比,試件的位移延性系數(shù)分別增加了1.1%,-20%,-17.1%和-18.7%,說(shuō)明隨著箍筋腐蝕程度的增加,試件的延性系數(shù)有先增加后減少的趨勢(shì)。此外,值得注意的是,箍筋腐蝕對(duì)試件的位移延性系數(shù)有較明顯的影響,對(duì)于箍筋腐蝕程度為15.2%的試件,約減少20%。這是因?yàn)楫?dāng)箍筋腐蝕達(dá)到一定程度時(shí),試件的破壞模式由延性彎曲破壞變?yōu)檠有暂^差的脆性剪切破壞。當(dāng)箍筋腐蝕率超過(guò)15.2%時(shí),試件的位移延性系數(shù)明顯下降。且隨著腐蝕程度的進(jìn)一步增加,混凝土中鋼筋表面的膨脹和脫落現(xiàn)象急劇產(chǎn)生與發(fā)展[8]。腐蝕破壞的鋼筋相當(dāng)于鋼筋截面面積的減少,鋼筋籠在塑性鉸接區(qū)對(duì)核心混凝土的約束作用明顯減弱。同時(shí)可觀察到縱向鋼筋銹蝕程度在14.7%以內(nèi)的試件延性系數(shù)大于箍筋銹蝕程度在15.2%以內(nèi)的試件,而在縱向鋼筋銹蝕程度為20%的延性系數(shù)比箍筋的延性系數(shù)提高了23.3%。

2.4 初始剛度

同時(shí),為了進(jìn)一步揭示縱向鋼筋和箍筋腐蝕對(duì)試件初始剛度的影響,圖4為初始剛度與鋼筋腐蝕率的關(guān)系曲線。從圖4中可以看出,與縱向鋼筋試件相比,箍筋的初始剛度分別增加了9.1%。研究發(fā)現(xiàn),當(dāng)縱筋的腐蝕比小于9.6%時(shí),通過(guò)提高腐蝕比可以在一定程度上改善試件的初始剛度。然而,當(dāng)縱筋的腐蝕比大于9.6%時(shí),試件的初始剛度迅速下降。在荷載達(dá)到峰值位移后,縱筋腐蝕的試件的剛度退化幅度略大于箍筋的試件。此外,在整個(gè)加載過(guò)程中,縱筋嚴(yán)重銹蝕的試件的剛度退化幅度要大于箍筋的剛度退化幅度。此外,從圖4中還可以明顯看出,與縱向鋼筋相比,箍筋的初始剛度分別增加了18.5%。為此,可以得出結(jié)論,腐蝕率在14.7%以內(nèi)的縱向鋼筋試件的性能劣化要比15.2%的箍筋腐蝕的試件要小。

3 結(jié)論

1)腐蝕破壞對(duì)RC柱的延性、承載力、剛度能力有很大影響。隨著鋼筋腐蝕率的增加,柱子的滯回曲線飽滿度、剛度和塑性變形性能逐漸降低,滯回曲線的捏合現(xiàn)象明顯增加。箍筋銹蝕對(duì)柱子抗震性能的影響比縱向鋼筋銹蝕的影響大。與未腐蝕的柱子相比,縱向鋼筋腐蝕率為14.7%的柱子,其延性系數(shù)降低了13%。然而,隨著箍筋的進(jìn)一步腐蝕,腐蝕比為15.2%的柱子的延性明顯下降,分別減少了20%。

2)輕微腐蝕的箍筋對(duì)試件的延性和剛度影響不大,甚至改善了混凝土柱的抗震性能,腐蝕對(duì)鋼筋與混凝土之間的黏結(jié)有增強(qiáng)效果。嚴(yán)重腐蝕的箍筋對(duì)柱的抗震性能有顯著影響,當(dāng)箍筋腐蝕比超過(guò)15.2%時(shí),柱的抗震行為明顯降低,在結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計(jì)中應(yīng)謹(jǐn)慎考慮這種不利影響。