第34卷第10期建 筑 结 构2004年10月*国家自然科学基金项目(50078074);陕西省教育厅专项基金(00JK241)资助项目。

锈蚀钢筋混凝土压弯构件抗震性能试验研究*牛荻涛 陈新孝 王学民(西安建筑科技大学土木工程学院 710055)[提要] 通过10根锈蚀钢筋混凝土压弯构件在低周反复荷载作用下的试验研究,分析了经过自然暴露、快速电腐蚀后,再经氯离子干湿交替环境下的锈蚀钢筋混凝土压弯构件在不同轴压比下的破坏规律,讨论了钢筋锈蚀量对试件承载力、刚度、延性及耗能能力等抗震性能的影响,并与以往的试验结果进行了对比。

试验表明,钢筋的锈蚀量和构件的轴压比是影响锈蚀钢筋混凝土压弯构件抗震性能的主要因素。

[关键词] 钢筋混凝土 压弯构件 钢筋锈蚀 抗震性能Based on the test re sults of ten RC membe rs under low cyc le reverse d loads,whic h are c orroded by exposing in natural e nvironment,ac celerated electrochem ical method,and alternating drying w etting in chloride case,the damaging rules of membe rs under differe nt axial c ompressive loads are studied.T he influence s of corrosive amount on the seismic be havior,such a s be aring capac ity,st iffness,ductility and e nergy dissipation,are disc ussed.K eyword s:reinforced c oncrete;reinforcement c orrosion;seismic perform ance一、引言近十几年来的几次中强地震震害经验[1]表明,经过抗震设计的钢筋混凝土结构因材料的老化、不利环境以及使用不当等会造成结构构件锈蚀度损伤,这些损伤的不断累积,导致了结构抗震性能的降低和震害[1]。

迄今人们在研究结构抗震问题时大多没有考虑结构在使用期受环境影响所造成的损伤[2,3]。

1999~2002年期间,西安建筑科技大学课题组先后进行了两批锈蚀钢筋混凝土压弯构件抗震性能的试验研究。

第一批试验主要探讨在同一轴压比下,钢筋的快速锈蚀对压弯构件抗震性能的影响[4];第二批试验是在第一批试验的基础上,讨论在不同的轴压比、不同锈蚀方式等因素下钢筋的锈蚀对压弯构件抗震性能的影响。

这里就第二批试验中各试件的破坏形态、极限承载力、滞回曲线和耗能等进行分析。

二、试验内容1.试件设计试验采用倒T 型钢筋混凝土试件,柱截面为正方形,基座截面为矩形。

柱主筋采用 级钢筋,对称配筋,配筋率为1.355%,箍筋采用 级钢筋,混凝土强度等级为C25,水灰比为0.55,普通硅酸盐水泥。

第二批试验共10个试件,编号为XZ 1~XZ 10。

试件尺寸及配筋见图1。

2.试件的锈蚀方法在第一批试验中,虽然试件钢筋的锈蚀量普遍较大,为6%~25%,但因在电化学腐蚀中有锈蚀产物析出,因而混凝土的锈胀开裂并不大。

另外,由于钢筋电图1 试件尺寸及配筋图2 试验加载装置化学腐蚀与自然锈蚀在锈胀裂缝上差异较大,所以,第二批试件以小锈蚀量为主,并在锈蚀方式上做了改进。

具体方法分为三步:首先当试件浇注完后,在室外自然环境下暴露三年;接着采用电化学方法使主筋快速锈蚀,即将试件放入3%~5%的NaCl 溶液中加电,通过控制电流来掌握钢筋的锈蚀程度,并尽量降低其锈蚀速度,其目的是使钢筋的电化学锈蚀和自然锈蚀尽可能地接近。

当观察到试件周围已出现一定量的絮状锈蚀产物,产生锈胀裂缝时,结束电化学锈蚀试验;最后,在自然干湿交替环境下将试件锈蚀一年,具体做法是将试件分别放入室外的两个水池中,每个水池放5个,先给一个水池注满3%~5%的NaCl 溶液,隔一周后用水泵将NaCl 溶液抽入另一水池中,如此反复,以模拟自然的干湿交替环境。

试件经过自然、电化学及干湿交替环境下的腐蚀,各试件表面均出现了明显的沿纵筋裂缝,大多数裂缝集中在试件的角部。

3.材料力学性能混凝土标准立方体强度为31 1MPa 。

浇注前用精度为0 002g 的天平对主筋称量,其单位长度重量为1260g/m;用万能拉力机实测主筋的屈服强度为415 6M Pa 。

试验结束后测定了主筋的锈蚀率,即钢筋截面损失率的平均值,见表1。

4 试验方法采用低周反复加载装置,如图2所示。

试件垂直荷载通过杠杆端部的砝码配重由液压千斤顶施加,从而保证了竖向力在试验过程中的恒定。

反复水平荷载由一台300kN 的液压水平千斤顶施加。

数据的采集使用7V07智能数据采集仪,水平荷载和位移由X Y 函数记录仪监控。

试验开始前先按理论计算所确定的轴压比施加竖向荷载,各试件的轴压比见表1。

待施加的竖向荷载稳定后,检查、校对所有仪器、仪表是否处于正常工作状态。

检查完毕,开始分级施加水平反复荷载。

加载制度为:试件屈服前用水平力控制,每级荷载增量为5kN,分级循环;试件屈服后用试件顶部的位移控制,每级位移增量为10mm 。

各试件的轴压比和主筋的锈蚀率表1试件编号XZ 2XZ 3XZ 4XZ 6XZ 7XZ 8XZ 9XZ 1XZ 5XZ 10轴压比n 00000 20 20 20 40 40 4锈蚀率(%)5 707 628 965 074 065 876 567 644 235 87三、试验结果及分析1 破坏过程在反复荷载的加载初期,各试件都表现出弯曲破坏的特征。

自试件的根部起大约高200mm 的范围首先出现1~3条水平裂缝,并沿水平方向开展,为典型的弯曲裂缝。

当荷载继续增大,这些水平裂缝和已有的锈蚀纵筋裂缝开始会合,呈交织网状,从而形成明显的塑性区。

随着荷载的不断加大和反复次数的增多,这些交织裂缝进一步加大、加宽。

当试件主筋屈服后,水平裂缝发展较少,而竖向裂缝相对于水平裂缝开始进一步加大、加宽,成为主裂缝。

最终破坏时,塑性区的混凝土保护层整块剥落,纵筋外露,受压纵筋向外屈曲,并伴有轻微的劈裂现象,表现出一定程度的脆性破坏的特征,特别是大轴压比试件尤为明显。

大轴压比试件的破坏程度要比小轴压比试件的严重。

2 滞回曲线与骨架曲线图3,4分别为各试件的滞回曲线和骨架曲线。

表2给出了各试件骨架曲线上特征点的具体数值。

其中屈服点按能量等效面积法确定[5];压弯构件的破坏点按最大荷载的85%确定,轴压比为0的试件按位移较大且试验无法进行时的荷载点为破坏点;延性比为极限位移与屈服位移之比;侧移角为试件顶端的特征位移与2倍试件有效高度之比。

从图3,4和表2可以看到下面几点特征。

各试件骨架曲线上特征点的取值表2试件编号开裂荷载(kN)屈服荷载P y (kN)屈服位移 y (mm)顶点荷载P m (kN )顶点位移 m (mm)极限荷载P u (kN )极限位移u (mm)延性比 u y y h u h XZ 22023 929 5528 0618 5925 8443 264 531/2091/46XZ 32022 8710 0627 4414 7827 1050 995 071/1991/39XZ 42024 239 8228 8913 2727 7448 794 971/2041/41XZ 62023 6611 6728 5617 0028 6651 324 401/1711/39XZ 72538 4313 4244 3223 2337 6755 394 131/1491/36XZ 82536 0810 1242 4516 8536 0947 184 661/1981/42XZ 92535 949 9141 6621 7137 6242 024 241/2021/48ZZ 12041 789 3250 1519 5042 6341 544 461/1931/48XZ 13042 0510 8449 5019 7542 0732 523 001/1851/62XZ 53044 4512 0451 3020 4043 6136 363 021/1661/55XZ 103046 3110 7755 7320 7047 3729 592 751/1861/68注:ZZ 1为第一批试验中未锈蚀试件,轴压比为0 27。

(1)各试件的滞回曲线基本上呈现捏拢梭形,轴压比越大,主筋锈蚀量越高,这种现象越明显。

(2)由于试件主筋的锈蚀量为4%~10%,属轻中度锈蚀。

同一轴压比下,试件的滞回曲线和骨架曲线都比较一致,且与未锈蚀试件的滞回曲线相类似,说明图3 反复荷载作用下各试件的滞回曲线钢筋锈蚀量较小时,试件的抗震能力降低的程度不大。

但从试件各阶段荷载特征值的比较可以看出,钢筋锈蚀量的增大是试件承载力降低的主要因素。

(3)从图3可知,随着试件轴压比和主筋锈蚀量的加大,滞回曲线的丰满程度和滞回环的面积在逐步缩小,特别是高轴压比下,试件的滞回圈数明显减少,表明试件的耗能能力和延性在降低。

另外,由于试件根部裂缝为纵横交织状,形成四方体混凝土块,这些块体在拉压作用下互相咬合,从而使滞回曲线出现局部不平滑现象,骨架曲线出现波动。

(4)钢筋混凝土结构在弹塑性状态下的变形计算结果是结构重要的抗震性能参数[6]。

可以计算出与各试件对应的屈服位移、极限位移和层间侧移角,如表2所示。

从表中可以看出,构件变形能力随钢筋锈蚀量增大而降低;高轴压比试件的变形能力明显要低于低轴压比试件的变形能力。

因此,对服役混凝土结构的弹塑性变形进行验算时,必须考虑钢筋锈蚀和轴压比这两个因素。

图4 各试件的骨架曲线图5 各试件刚度衰减曲线表3所示为每个试件的总滞回耗能(滞回环所包围面积的总和)和平均耗能(用总耗能除以滞回圈数)。

从表中可知,轴压比相同时,钢筋锈蚀量越大的试件耗能能力越差;主筋锈蚀量相同时,轴压比越大,试件的耗能能力越差。

3 刚度衰减规律用在反复荷载作用下每一级正、反方向荷载绝对各试件的耗能(kN mm)表3试件编号XZ 2XZ 3XZ 4XZ 6XZ 7XZ 8XZ 9XZ 1XZ 5XZ 10总耗能16604205732638025022138472252924610687346015307滞回圈数26 530 5303020 5262614 51113 5平均耗能626674879834675866946472418393值之和除以相应的位移绝对值之和,来表示每一级循环的平均刚度K i ,当试件初始刚度用K 0表示时,便可得到如图5所示的刚度衰减曲线。