銹蝕鋼筋混凝土梁受彎承載力的計(jì)算分析

肖長(zhǎng)永，杜志云，郭 超，夏江波

（湖北工業(yè)大學(xué)土木工程與建筑學(xué)院，湖北 武漢430068）

近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)銹蝕后鋼筋混凝土梁的性能進(jìn)行了大量的研究，研究表明，銹蝕后的鋼筋混凝土梁結(jié)構(gòu)性能的退化主要表現(xiàn)在承載力和結(jié)構(gòu)延性的降低.目前針對(duì)銹蝕后鋼筋混凝土梁性能退化的研究主要集中在三個(gè)方面：

1）銹蝕后鋼筋的有效截面面積減少，鋼筋的力學(xué)性能退化，鋼筋截面損失和力學(xué)性能退化對(duì)構(gòu)件的承載力有很大的影響.

2）銹蝕后的鋼筋與混凝土間的粘結(jié)力會(huì)發(fā)生變化，從而影響鋼筋與混凝土的粘結(jié)性能，使鋼筋不能充分發(fā)揮其強(qiáng)度，這也會(huì)對(duì)構(gòu)件的承載力和剛度產(chǎn)生較大影響.

3）鋼筋銹蝕后體積膨脹，銹蝕量的增大會(huì)將混凝土保護(hù)層脹裂，產(chǎn)生順筋裂縫，直至使其保護(hù)層脫落，將外圍混凝土分割，使參與受力的混凝土截面面積減少.

本文綜合考慮銹蝕鋼筋的截面損傷和銹蝕鋼筋力學(xué)性能的改變、鋼筋與混凝土粘結(jié)性能的退化造成的鋼筋與混凝土協(xié)同工作系數(shù)的變化、以及構(gòu)件截面損傷三方面因素，并在現(xiàn)行規(guī)范的基礎(chǔ)上，通過(guò)理論推導(dǎo)得出銹蝕后鋼筋混凝土梁的抗彎承載力計(jì)算公式.

1 質(zhì)量銹蝕率（ηq）與截面銹蝕率（ηs）之間的關(guān)系

混凝土中鋼筋銹蝕后，重量減輕，截面減小，銹蝕率較小時(shí)可以認(rèn)為ηq與ηs相當(dāng)，當(dāng)銹蝕率較大時(shí)ηq與ηs離散較大，關(guān)于ηq與ηs之間的定量關(guān)系，王雪惠等［1］給出了在一定銹蝕率范圍內(nèi)兩者之間的換算關(guān)系：

2 銹蝕后鋼筋混凝土梁的抗彎承載力

2.1 銹蝕鋼筋截面損傷和力學(xué)性能的退化對(duì)承載力的影響

當(dāng)截面損失小于5%時(shí)，銹蝕程度輕，鋼筋銹蝕較均勻，銹蝕對(duì)鋼筋的力學(xué)性能影響不大，隨銹蝕程度的加大，鋼筋的坑銹越來(lái)越嚴(yán)重，不均勻銹蝕程度加大，鋼筋受力拉伸時(shí)，產(chǎn)生應(yīng)力集中，在截面削弱較大處（坑銹較深處）鋼筋提前屈服，此時(shí)其它截面鋼筋并未屈服，直至被拉斷，頸縮現(xiàn)象不明顯，鋼筋的伸長(zhǎng)率下降較明顯，塑性降低，張克波等［2］認(rèn)為銹蝕引起實(shí)際屈服強(qiáng)度和實(shí)際極限強(qiáng)度下降并不明顯，且實(shí)際極限強(qiáng)度（銹蝕后極限荷載／銹蝕后鋼筋截面面積）降低速度快于實(shí)際屈服強(qiáng)度（銹蝕后屈服荷載／銹蝕后鋼筋截面面積）降低速度.

由文獻(xiàn)［2］可得銹蝕后實(shí)際屈服強(qiáng)度（fycor）與初始屈服強(qiáng)度（fy）的關(guān)系

銹蝕后鋼筋截面積與初始截面積的關(guān)系式

2.2 鋼筋與混凝土粘結(jié)性能的退化對(duì)鋼筋與混凝土協(xié)同工作的影響

鋼筋銹蝕后在鋼筋與混凝土之間形成一層疏松的氧化物，使鋼筋與混凝土之間的膠結(jié)作用降低，鋼筋的銹蝕產(chǎn)物體積比未銹蝕的鋼筋體積增大，隨著銹蝕程度的加大，鋼筋的銹蝕產(chǎn)物體積膨脹，使混凝土保護(hù)層產(chǎn)生環(huán)向拉力，當(dāng)其環(huán)向拉力大于混凝土的抗拉強(qiáng)度時(shí)，混凝土保護(hù)層被脹裂，構(gòu)件沿鋼筋長(zhǎng)度方向產(chǎn)生順筋裂縫，使鋼筋與混凝土之間的約束作用減弱，粘結(jié)強(qiáng)度降低，鋼筋與混凝土之間產(chǎn)生滑移，從而影響著鋼筋強(qiáng)度的發(fā)揮，影響著鋼筋混凝土梁整體剛度，最終降低鋼筋與混凝土間的協(xié)同工作性能.

根據(jù)文獻(xiàn)［3］可得混凝土縱向裂縫寬度 （ω：mm）與截面銹蝕率（ηs）的關(guān)系式

整理可得

根據(jù)文獻(xiàn)［4］、［5］，同時(shí)結(jié)合式（7）可得不同裂縫寬度（ω：mm）下銹蝕鋼筋與混凝土的協(xié)同工作系數(shù)Ks

2.3 構(gòu)件截面損傷對(duì)承載力的影響

當(dāng)銹蝕量較少時(shí)，銹脹裂縫未出現(xiàn)，混凝土保護(hù)

λ為混凝土損傷相對(duì)高度，λ＝ （hp－0.75d）／d；hp為混凝土的損傷高度；d為混凝土受拉邊緣至受拉鋼筋形心的距離.層未脫落，鋼筋混凝土截面未損傷，故可不考慮截面損傷對(duì)構(gòu)件承載力的影響，鋼筋混凝土脫落銹脹裂縫出現(xiàn)后，隨鋼筋銹蝕程度的加深，混凝土保護(hù)層會(huì)脫落，鋼筋混凝土的截面會(huì)有不同程度的損傷，與未銹蝕構(gòu)件相比，混凝土的受力性能會(huì)發(fā)生較大改變，構(gòu)件已不符合平截面的假定，承載力降低.根據(jù)文獻(xiàn)［5］可將無(wú)損傷時(shí)的構(gòu)件乘以降低系數(shù)Km.

［7］知，同等質(zhì)量銹蝕率下，加速銹蝕對(duì)鋼筋力學(xué)性能退化的影響小于自然銹蝕對(duì)鋼筋力學(xué)性能退化的影響，因此，加速銹蝕對(duì)梁的承載力退化的影響小于自然銹蝕對(duì)梁的承載力退化的影響，故需要對(duì)加速銹蝕后的梁的承載力乘以修正系數(shù)1.05.最終得到經(jīng)修正后的鋼筋混凝土梁的抗彎承載力：

根據(jù)文獻(xiàn)［6］可得鋼筋銹蝕前鋼筋混凝土梁的抗彎承載力

2.4 對(duì)理論公式進(jìn)行驗(yàn)證

最后，通過(guò)文獻(xiàn)［7］中的試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)本文得到的銹后鋼筋混凝土梁的承載力公式進(jìn)行驗(yàn)證，使用了4個(gè)銹蝕率下（1.4%，2.2%，5.4%，6.0%）通過(guò)加速銹蝕得到的鋼筋混凝土梁的試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行驗(yàn)證，用Mj表示用公式（13）計(jì)算得到的理論計(jì)算值，Ms表示試驗(yàn)值，Mg表示用式（12）計(jì)算得到的規(guī)范值.把ηq代入（1）－（3）式可得ηs，把ηs代入（7）式可得ω，再把ω代入（8）－（9）式可得 Ks，最后根據(jù)式（13）可得理論計(jì)算值Mj，數(shù)據(jù)見(jiàn)表1.

表1 理論計(jì)算值、試驗(yàn)值及規(guī)范值結(jié)果對(duì)比表

通過(guò)文獻(xiàn)［8］可知鋼筋混凝土梁受彎承載力安全儲(chǔ)備系數(shù)a＝1.25，分析以上試驗(yàn)數(shù)據(jù)可知，當(dāng)銹蝕率小于6.0%時(shí)，用規(guī)范式（12）及（13）計(jì)算都滿足安全儲(chǔ)備要求，即 Ms／Mj＞1.25，Ms／Mg＞1.25，且用（13）式計(jì)算更接近試驗(yàn)承載力，達(dá)到66%以上時(shí)，用式（12）計(jì)算承載力即可；當(dāng)銹蝕率大于6.0%時(shí)，用規(guī)范式（12）計(jì)算承載力已不滿足安全儲(chǔ)備要求，即 Ms／MgMs／Mj＞1.25，計(jì)算值達(dá)到試驗(yàn)值的75%，此時(shí)用式（13）計(jì)算承載力可靠.

3 結(jié)論

本文結(jié)合銹蝕鋼筋截面損傷和力學(xué)性能的變化、銹蝕鋼筋和混凝土間粘結(jié)性能的退化、構(gòu)件截面的損傷，考慮不同銹蝕率下質(zhì)量銹蝕率和截面銹蝕率的換算關(guān)系，并通過(guò)現(xiàn)行規(guī)范得出了銹蝕后鋼筋混凝土梁的受彎承載力的計(jì)算式，但試驗(yàn)驗(yàn)證銹蝕率只在6.0%以內(nèi)，具有一定的局限性，因此還需要大量的試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)一步驗(yàn)證其可靠性，并進(jìn)一步進(jìn)行修正.

［ 參考文獻(xiàn) ］

［1］王雪惠，鐘鐵毅.混凝土中銹蝕鋼筋截面損失率與重量損失率的關(guān)系［J］.建材技術(shù)與應(yīng)用，2005，1（1）：4－6.

［2］張克波，張建仁，王 磊.銹蝕對(duì)鋼筋強(qiáng)度影響試驗(yàn)研究［J］.公路交通科技，2010，27（12）：59－66.

［3］王 深，張偉平，張 譽(yù).從混凝土縱向裂寬預(yù)測(cè)鋼筋截面損失的研究［J］.中國(guó)土木工程學(xué)會(huì)第九屆年會(huì)論文集，2000：353－356.

［4］惠云玲，李 榮，林志伸，全明研.混凝土基本構(gòu)件鋼筋銹蝕前后性能試驗(yàn)研究［J］.工業(yè)建筑，1997，27（6）14－18.

［5］陶 峰，王林科，王慶霖，劉建軍.服役鋼筋混凝土構(gòu)件承載力的試驗(yàn)研究［J］.工業(yè)建筑，1996，26（4）17－20.

［6］趙基達(dá)，徐有鄰，黃小坤，等.GB50010－2010混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范［M］.北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2010：39－40.

［7］張偉平，王曉剛，顧祥林，等.加速銹蝕與自然銹蝕鋼筋混凝土梁受力性能比較分析.東南大學(xué)學(xué)報(bào)［J］.2006，36（增刊）：139－144.

［8］金偉良，趙羽習(xí).銹蝕鋼筋混凝土梁抗彎強(qiáng)度的試驗(yàn)研究［J］.工業(yè)建筑，2001，31（5）9－11.

［9］葉列平，林旭川，馮 鵬.高強(qiáng)混凝土梁受彎承載力安全儲(chǔ)備及經(jīng)濟(jì)性分析［J］.建筑結(jié)構(gòu)，2006，36（6）：72－75.