锈蚀钢筋混凝土梁的结构性能退化模型袁迎曙　贾福萍　蔡　跃(中国矿业大学)摘　要　通过对锈蚀钢筋混凝土梁的试验,研究了结构性能退化机理。根据退化机理分析,锈蚀钢筋的力学性能退化以及锈蚀钢筋与混凝土粘结性能退化是导致钢筋混凝土锈蚀梁的结构性能退化的主要因素。通过锈蚀钢筋力学性能及其与混凝土的粘结性能的试验研究,建立了锈蚀钢筋的应力-应变关系和锈蚀钢筋与混凝土的粘结应力-滑移关系的退化模型。在基本力学性能研究基础上,建立锈蚀梁有限元模型,实现了锈蚀梁的有限元分析。关键词 钢筋　锈蚀　混凝土　退化模型　有限元分析中图分类号:TU32313;TB115 文献标识码:A

文章编号:1000Ο131X(2001)03Ο0047Ο06

在自然与工业环境侵蚀下,钢筋混凝土结构内钢筋发生锈蚀,造成混凝土开裂、剥落。混凝土梁内的钢筋锈蚀以后,梁的结构性能会产生一系列的变化。锈蚀钢筋的力学性能退化以及锈蚀钢筋与混凝土粘结性能退化将导致锈蚀钢筋混凝土梁的结构性能发生退化[1,4,5]。本文从锈蚀钢筋混凝土梁的结构性能试验入手,并对锈蚀钢筋力学性能及其与混凝土的粘结性能进行了试验研究,建立了锈蚀钢筋的应力-应变关系和锈蚀钢筋与混凝土的粘结应力-滑移关系的力学退化模型。根据基本力学退化模型,对锈蚀梁进行有限元分析,为现有结构可靠度评价打下基础。1　锈蚀钢筋混凝土梁试验111　试验梁设计三根钢筋混凝土试验梁,分别表示为BeamΟ1、BeamΟ2和BeamΟ3,试验梁尺寸为b×h×l=120×200×1900mm。采用简支梁形式,跨度117m,跨中施加两集中力,两集中力相距500mm。主筋混凝土保护层厚度为25mm,梁具体尺寸和配筋见图1所示。图1　试验梁BeamΟ1为不锈蚀梁,BeamΟ2、BeamΟ3受拉主筋分别锈蚀5%、10%。采用恒电流法[2]对混凝土内钢筋进行锈蚀,运用电化学理论原理,确定钢筋锈蚀量与电流强度、通电时间之间的数学关系。根据设计的锈蚀量,并设定电收稿日期:1999Ο04Ο23,收到修改稿日期:1999Ο09Ο18国家自然科学基金资助项目(编号:59778054)流强度I,通过计算确定所需的通电时间t。电流强度按需锈蚀钢筋的表面积大小而定,一般按0101～0102mAΠmm2确定电流强度。采取绝缘措施以保证电

流在所锈蚀的主筋内通过,确保钢箍不锈蚀。根据试验标定,采用通电时间控制的锈蚀量与实际锈蚀量基本一致。按锈蚀重量确定钢筋锈蚀率,由于钢筋锈蚀的不均匀性,文中所标锈蚀率均为平均锈蚀率。112　试验结果及分析试验记录了梁的荷载(P)Ο跨中挠度(f)曲线发展过程,如图2所示。

图2　试验梁的荷载(P)Ο挠度(f)曲线试验结果分析见表1。表1　试验梁结果梁编号锈蚀率(%)极限荷载(kN)延性比f

u/fy破坏形式

BeamΟ1054[1100]11512[1100]适筋延性破坏BeamΟ2547[0187]11332[0188]适筋延性破坏BeamΟ31040[0174]无延性脆性破坏

表中:fu—梁破坏时的跨中挠度,fy—梁屈服时跨中挠度[　]中为锈蚀后各参数值和没锈蚀梁的比

　第34卷第3期土　木　工　程　学　报Vol134　No13

　2001年6月CHINACIVILENGINEERINGJOURNALJune　2001由于混凝土梁内的钢筋锈蚀,使梁的力学性能发生了如下三点改变:

(1)梁的强度降低;锈蚀量为5%和10%的梁

,

其极限强度分别是没锈蚀梁强度的87%和74%。(2)梁的延性性能退化;锈蚀量为5%的梁,其

延性为没锈蚀梁延性的88%。(3)梁的加载全过程及破坏形态发生变化;随锈

蚀量增加,梁的垂直裂缝间距变大,接近支座处斜裂缝逐渐与沿受拉主筋方向的纵向裂缝连接,其破坏形态由适筋延性破坏转为钢筋粘结撕裂的脆性破坏。

2　锈蚀钢筋混凝土力学性能退化模型211　锈蚀钢筋的力学性能退化21111　钢筋锈蚀特征根据现场对大量锈蚀钢筋表面特征的观测结合钢筋锈蚀的电化学理论可知,钢筋锈蚀均由大量坑状锈锈斑组成,“均匀”锈蚀与坑状锈蚀之间无明显的界限。锈蚀量较小时,坑状锈斑的深度很浅,可视为“均匀”锈蚀;锈蚀量较大时,坑状锈斑的深度发生较大的差异,

部分坑状锈斑演变为锈坑,可视为坑状锈蚀。21112　锈蚀钢筋力学性能试验为了较系统地研究锈蚀对钢筋力学性能的影响,

钢筋试件通过以下三个途径获得:(1)现场采集;

(2)试验室恒电流法模拟锈蚀;(3)人工锈坑模拟

(采用机械方法模拟锈坑)。采用液压万能伺服试验机

进行钢筋的拉伸试验,钢筋变形测试标距为5d

(mm),在标距范围内,测得荷载(P)与变形(Δ)曲线。钢筋平均锈蚀率根据试件铁锈重量与无锈蚀钢筋重量之比计算。通过以上三个途径,采集钢筋试件90根。根据试验结果,部分试件的力学性能特征值如表2所示,部分试件的荷载(P)与变形(Δ)曲线如图2所示。

钢筋锈蚀对力学性能退化的影响表现在以下几个方面:

(1)延性:随锈蚀量增大,坑状锈蚀影响明显增大。

PΟΔ曲线的屈服平台减少,坑蚀越严重,钢筋颈缩越不明显,表现出锈蚀钢筋的延性随坑蚀量增大而减小。(2)名义强度:随锈蚀量增大,屈服与极限荷载下

降,名义屈服与极限强度也随之下降。在以后的锈蚀钢筋应力Ο应变曲线描述中,均采用名义强度进行标注。21113　锈蚀钢筋有限元分析为了研究锈蚀钢筋力学性能退化机理,利用AN2SYS有限元计算软件对锈蚀钢筋拉伸试验进行非线性模拟分析。

表2　试件力学性能特征值试件编号钢筋直径d(mm)截面锈蚀率(%)屈服荷载Py(kN)极限荷载Pu(kN)屈服荷载下降比例(%)极限荷载下降比例(%)延伸率(%)延伸率下降比例(%)名义屈服强度(MPa)

名义屈服强度下降比例(%)

K-e⊥○18010921814715010010161801036416010A-el⊥○182118810138154115191318171934518512A-e2⊥○1831487101351261114181219231234118613A-e3⊥○1871685161291371216131112331333613718K-a<1201033104510010010281801029118010B-a1<1251430184112617814271061327213617B-a2<121715261736141911221214164913236111911B-a3<122216251032152412271810186215221102413K-e⊥○18010921814715010010161801036416010C-e1⊥○18314911513519114719131461939413517C-e2⊥○1861590101311531210181217111833817712C-e3⊥○18816871012714613131611171817733011915

注:(1)为无锈蚀控制试件,AΟ3为现场采集,BΟ3为模拟锈蚀,CΟ3为人工锈坑模拟;(3)名义屈服强度为屈服荷载与名义钢筋面积之比。

图3　钢筋拉伸荷载与标距内钢筋变形关系钢筋试件以钢筋坑蚀形式建立模型。有限元网格划分采取适当的疏密分布,在坑蚀处周围的单元划分较细密。钢筋单元性能采用二折线各向同性强化的弹塑性模型。根据分析结果分析,随锈蚀率的增加,钢筋坑蚀现象越来越明显。锈蚀钢筋力学性能退化与锈蚀坑的深度有关,当锈蚀深度增大时,锈蚀坑附近钢筋单元存在明显的应力集中现象,应力集中导致锈坑附近单元提前达到屈取强度。图4表示了锈坑底部沿钢筋长度方向各单元的应力分布。曲线1表现了在锈坑范围内,钢筋试件JΟa9(平均锈蚀率为2510%)明显的应力集中;曲线2表现了KJΟa(无锈蚀试件)无应力集中现象产生;曲线3表现了JΟa1(平均锈蚀率为311%)一定程度的应力集中。

・84・土　木　工　程　学　报2001年图4　拉伸方向应力分布图21114　锈蚀钢筋σΟε曲线根据试验室钢筋拉伸试验与有限元模拟分析结果的统计分析,确定锈蚀钢筋名义应力(σ)Ο应变(ε)与锈蚀率之间的关系。假定:

(1)锈蚀钢筋的应力Ο应变曲线服从双折线形式

,

不考虑强化段;

(2)锈蚀前钢筋弹性模量与锈蚀后弹性模量相等。

(3)锈蚀钢筋的延伸率与极限应变的退化规律相

同。则锈蚀钢筋的应力Ο应变曲线表达式可按如下参数确定。

ε3y=σ3t/Es

当0<

η

s≤5%时;

σ3y=(11000-11608ηs)σyδ3=(11000-21480ηs)δ

ε3u=(11000-21480ηs)εu

(1)

图5　锈蚀钢筋应力应变曲线

当ηs>5%时;

σ3y=(01962-01848ηs)σy

δ3=(11088-31573ηs)δ

ε3u=(11088-31573ηs)εu

(2)

式中　σ3yδ3ε3u———分别为锈蚀钢筋名义屈服强度、

延伸率、极限应变;

σyδεu———分别为未锈蚀钢筋屈服强度、

延伸率、极限应变;

E

sεyηs———分别是钢筋弹性模量、屈服应

变、钢筋平均锈蚀率。212　锈蚀钢筋与混凝土粘结性能退化21211　试验研究锈蚀钢筋与混凝土粘结性能测定采取拔出试验方法,试件设计考虑钢筋保护层和钢箍的影响,为获到较均匀的粘结应力分布,钢筋与混凝土的粘接长度取215d(d为钢筋直径),试件详见图6。试验选用3种直径的Ⅱ级钢筋,其直径分别为14mm,18mm,20mm,相应的试件分别记为A组,B组,C组。每组试件浇制8块,每块试件中两根钢筋,分别进行拔出试验。试件钢筋平均锈蚀率是根据试件铁锈重量与无锈蚀钢筋重量之比计算。本试验所设计的钢筋平均锈蚀率分别为0%,1%,2%,3%,

4%,6%,8%,10%。钢筋锈蚀采用恒电流法进行加速锈蚀,采用通电时间与电流强度控制钢筋锈蚀,

并考虑箍筋与主筋的绝缘。21212　拔出试验结果分析试验记录了各试件钢筋拉力与相应钢筋端点的滑移量(荷载(P)Ο滑移(s)曲线)

。根据钢筋拉力

与混凝土粘结段的钢筋表面积算出粘结应力,即可得到相应的局部粘结应力(τ)Ο滑移(s)曲线。图7

表示了A组试件在不同锈蚀量下的试验结果。

图6　拔出试验试件详图

・94・　第34卷　第3期袁迎曙等・锈蚀钢筋混凝土梁的结构性能退化模型