銹蝕鋼筋壓屈承載力試驗研究及有限元分析

石泉彬，周桂香

（泰州職業技術學院建筑工程系，江蘇泰州 225300）

銹蝕鋼筋壓屈承載力試驗研究及有限元分析

石泉彬，周桂香

（泰州職業技術學院建筑工程系，江蘇泰州 225300）

在實驗室采用直流電源進行電化學加速銹蝕鋼筋，從而獲得不同直徑、長徑比和銹蝕率的銹蝕鋼筋試件，然后在萬能電子試驗機上進行壓屈試驗，獲得銹蝕鋼筋壓屈承載力曲線。經過統計分析，得到四種形態的銹蝕鋼筋壓屈承載力計算模型。應用大型有限元分析軟件ANSYS對銹蝕鋼筋壓屈承載力模型進行進一步驗證。

銹蝕鋼筋；壓屈承載力；試驗；有限元

在不利乃至惡劣環境的長期作用下，橋梁、海工、水工和工業廠房等建筑物的混凝土構件存在鋼筋銹蝕致使承載力降低的現象。對于銹蝕鋼筋混凝土柱，除了有縱向鋼筋銹蝕問題外，一般都有局部箍筋被銹斷，使縱筋側向約束間距增大而過早發生屈曲，且使柱承載力降低。在評估此類混凝土柱的承載力時，因為現行《混凝土結構設計規范》GB 50010-2002中的柱承載力計算公式是以縱向鋼筋僅發生強度破壞而不發生屈曲破壞這一假定為前提的，而在銹蝕鋼筋混凝土柱中，銹蝕縱筋已不滿足這個假定，使得規范中的計算公式不再適用[1]。為了能準確估算銹蝕鋼筋混凝土柱的承載力，則需要研究銹蝕縱筋的壓屈行為和壓屈承載力，以便提出適用于銹蝕鋼筋混凝土柱的計算理論和方法，從而為判斷結構加固處理的必要性和對照加固效果提供依據。混凝土構件配筋銹蝕導致受壓混凝土延性受損的危害將在另外課題中研究。

1 試驗介紹

試件采用上海寶山鋼鐵公司生產的HRB 335鋼筋制作，共計256根，其中部分留作材性試驗。鋼筋的規格分別為 φ18、φ20、φ22、φ12、φ20和φ12。如圖1所示，考慮相鄰箍筋銹斷2根至3根時的服役情況，取受壓標距為L=100㎜-600㎜，試件兩端預留其在試驗機中的夾持長度C=80㎜，圖中d c為鋼筋試件銹蝕后的平均直徑。

圖1 試件尺寸

為模擬真實結構中鋼筋的銹蝕環境，將鋼筋試件3根一組澆筑在混凝土條形塊中。混凝土條形塊尺寸：L×200㎜×100㎜，其中L分別取100㎜、200㎜、300㎜、400㎜、500㎜和600㎜。鋼筋試件在混凝土條形塊中的布置為：鋼筋每端伸出混凝土80㎜，保護層厚度為25㎜。混凝土標號設計為C 20，在施工現場澆筑，工地養護。28天后，運回試驗室放置在3%-5%的氯化鈉溶液中進行電化學加速銹蝕（見圖2）。

鋼筋銹損量采用 Fara DAy定律[2]進行估算而加以控制：

式中，△m為鋼筋銹蝕質量損失量（g）；A為銹蝕物的原子量，對于鋼材A=56；I為電流強度（A）；t為通電時間（s）；Z為反應電極化學價（＋2）；F為常數，一般可取F=96500A·s。

為了方便應用，取鋼筋密度為7.85×10-3g/mm3，將鋼筋銹蝕質量損失量用銹蝕率表

圖2 鋼筋銹蝕試驗裝置

式中，t為通電時間（h）；D為鋼筋直徑（mm）；L為混凝土中鋼筋長度（mm）；I為電流強度（A）；ηs為銹蝕鋼筋質量損失率（%），定義為試件銹蝕率，控制為0%、10%、20%和30%四種。

鋼筋壓屈試驗在同濟大學力學實驗中心進行，采用帶有液壓夾頭的CSS 44500萬能電子試驗機 （見圖 3） 加載。試驗加載速率設為1mm/min，由計算機自動采集試驗數據并屏幕顯示試件的軸向荷載-位移曲線，當鋼筋屈曲后承載力降為極限承載力的30%時結束加載。此后，通過酸洗稱重測定銹蝕試件的實際銹蝕率。示，同時將時間單位換算為小時（h），則可得鋼筋銹蝕時間估算公式：

圖3 試驗裝置

2 試驗曲線

壓屈試驗共獲得197根試件的軸向荷載-位移曲線。依據鋼筋試件受壓段長度L與銹蝕后的平均直徑D之比，試驗曲線大致可分為四種類型的壓屈行為。

2.1 A類曲線

當L/D≤8時，明顯的強化段在此類試驗曲線中呈現，表現出典型的強度破壞特征，與對應拉伸曲線形態相似。此類試件的L/D很小，可看成柱箍加密區箍筋未被銹斷的情況，如圖4所示。

2.2 B類曲線

當8＜L/D≤15時，該類試件的極限荷載Pu能與鋼筋屈服時對應的荷載接近。試驗曲線在達到Pu前大致呈線性，曲線達到Pu后呈線性緩慢降低而且無強化段。此類試件L/D較小，可看成柱箍非加密區箍筋未被銹斷的情況，如圖5所示。

圖4 A類試驗曲線

圖5 B類試驗曲線

2.3 C類曲線

當15＜L/D≤49時，此類鋼筋試件的極限荷載Pu通常明顯低于全截面屈服所對應的荷載。當荷載達到Pu前，曲線表現出較明顯的非線性特征，達到Pu后鋼筋試件的承載力陡然下降，此類試件L/D較大，可看成柱箍筋有銹斷的情況，如圖6所示。

圖6 C類試驗曲線

2.4 D類曲線

當49＜L/D時，此類鋼筋試件極限荷載Pu比其全截面屈服荷載降低很多，達到Pu前，試驗曲線表現出明顯的非線性，達到Pu后試件承載力呈平緩趨勢減小。試件L/D大，可看成柱端有多根箍筋發生銹斷的情況，如圖7所示。

3 承載力的物理模型和計算公式

3.1 物理模型

由以上的試驗曲線可歸納出銹蝕鋼筋壓屈的物理模型，如圖8a至d所示。

圖7 D類試驗曲線（φ12）

圖8 銹蝕鋼筋壓屈的物理模型

鋼筋試件四類曲線的物理模型中與壓屈應變εu相應的應力σu計算式可分別擬合為：

式中fy為鋼筋的屈服應力。

3.2 計算公式

依據上述銹蝕鋼筋壓屈物理模型，經過分析可以獲得銹蝕鋼筋應力σs與應變εs的計算公式分別為：

式中，Es為鋼筋的彈性模量。

4 有限元分析

為了驗證銹蝕鋼筋壓屈承載力計算模型，應用大型有限元分析軟件ANSYS對銹蝕鋼筋縱向壓屈行為進一步研究，編寫ANSYS命令流進行分析，選取鋼筋壓屈試驗中的4種直徑、不同銹蝕率的部分鋼筋試件，對其壓屈試驗曲線、A NS Y S分析曲線與計算模型曲線作對比（見圖9）。比較表明：（1）對于A類曲線，計算模型曲線與ANSYS分析獲得的曲線吻合較好，而與試驗曲線相比，計算模型和ANSYS分析都未考慮鋼筋屈曲后的強化段，而試驗曲線具有強化段；對于B類、C類和D類曲線本構模型，計算模型曲線、ANSYS分析曲線和試驗曲線三者能較好地吻合。（2）試件為非均勻銹蝕，而ANSYS分析模型為均勻“銹蝕”，兩者的承載曲線能較好地吻合，說明試件表面銹蝕的不均勻程度對試驗結果的影響不大。（3）計算模型曲線與試驗曲線和ANSYS分析曲線相比，其峰值相差約為2%-6%，可見，所述本構關系的計算精度可控制在90%以內。

圖9 四類曲線的試驗、分析與計算比較

5 確定ηs和L/D的方法

基于長期的調研和試驗研究，文獻[3]提出了不同銹蝕脹裂情況下鋼筋截面損失率的大致范圍（見表 1）[3]。

表1 構件銹脹狀態與鋼筋重量損失率（ηs）

在非破損條件下，依據縱筋裂縫測量寬度、保護層厚度、鋼筋直徑和混凝土強度這些參數，推算鋼筋銹蝕率，可采用文獻[4]所給出的關系公式:

（1） 位于角部的I級鋼筋（圓鋼）：

式中，ηs為鋼筋重量損失率（%）；d為鋼筋直徑（mm）；c為混凝土保護層厚度（mm）；fcu為混凝土立方體抗壓強度（MPa）；w為混凝土表面銹脹裂縫寬度（mm）[4]。

在現場，可采用R 71鋼筋位置和銹蝕測定儀（見 圖 10） ，檢測鋼筋混凝土內部鋼筋直徑、位置、分布，鋼筋的混凝土保護層厚度及鋼筋的銹蝕程度。通過專用數據處理軟件，可以獲得較為精確的縱筋銹蝕率ηs和長徑比L/D。依據工程應用情況，其誤差可控制在5%左右。

圖10 R71鋼筋位置和銹蝕測定儀

6 結語

本文通過銹蝕鋼筋系列化壓屈試驗研究，提出了銹蝕鋼筋壓屈承載力計算模型。所提出的四類曲線的計算公式，其承載力曲線能較好地與試驗曲線和ANSYS有限元分析結果吻合。依據試驗研究結果，可提出銹蝕鋼筋壓屈承載力降低系數κu，取κu＝σsu/fy，該系數用于修正現行規范中計算公式的鋼筋承載力項次，從而可準確估算銹蝕鋼筋混凝土柱的承載力退化情況。

[1]GB 50010-2002,混凝土結構設計規范[S].北京:中國建筑工業出版社,2002.

[2]蔣鳳昌.銹蝕鋼筋混凝土柱承載力試驗與研究[D].上海:同濟大學,2008.

[3]邸小云,周燕.舊建筑物的檢測加固與維護[M].北京:地震出版社,1992.

[4]惠云玲.混凝土結構中鋼筋銹蝕程度評估和預測試驗研究[J].工業建筑,1997,（6）:7-10+50.

Experimental Study and Finite Element Analysis of the Buckling Capacity of Corroded Reinforcements

SHI Quan-bin,ZHOU Gui-xiang
（Taizhou Polytechnic College,Taizhou Jiangsu 225300,China）

Corroded reinforcements,with various diameters,length-to-diameter ratios and corrosion rates,are obtained from the lab by using DC electrical sources to accelerate corrosion.The buckling capacity curves of corroded reinforcements are gained from electronic universal testing machine in the buckling test.The buckling capacity computational model of corroded reinforcement can be generalized in four types that are verified by the application of finite element analysis software ANASYS.

corroded reinforcement;buckling capacity;test;finite element analysis

TU 311，TU 375

A

1671-0142（2011）05-0043-05

石泉彬（1978-）,男,江蘇靖江人,講師.

（責任編輯李冠楠）