重復拉伸荷載下銹蝕鋼筋力學性能及本構關系研究*

羅小勇，梁 巖，張艷芳

(中南大學 土木工程學院,湖南 長沙 410075)

混凝土結構中鋼筋銹蝕是導致其耐久性失效的主要原因之一.MEHTA P K教授指出：“當今世界，混凝土結構由于耐久性損傷引起結構破壞的原因按重要性遞減順序依次是：鋼筋銹蝕、寒冷地區的凍害、侵蝕環境的物理化學作用”[1].當結構耐久性損傷后首先面臨的問題可能是結構抗震能力的不足.鋼筋混凝土結構在腐蝕與地震作用下的動力響應，不僅影響居住者的舒適性，而且影響結構的安全性和耐久性[2].

由文獻[3-6]可知銹蝕鋼筋的研究對地震區的建筑結構分析很有意義.目前對銹蝕鋼筋力學性能的研究主要以單調荷載試驗研究為主[7-15]，也有對其進行有限元分析[16]，通過對不同銹蝕程度的鋼筋進行單調拉伸試驗,分析銹蝕對其力學性能的影響[7-11],研究其本構關系[12],少數文獻研究了銹蝕鋼筋的疲勞性能[13-16]以及鋼筋銹蝕過程[17]和鋼筋銹蝕對結構破壞模式的影響[18].在地震作用下，剪力和彎矩交替作用在結構上，這種循環作用逐漸的擠壓和分離保護層混凝土，最終導致鋼筋成為唯一的承重構件[19].地震作用下鋼筋可能承受重復荷載作用，但目前未見有關銹蝕鋼筋重復荷載作用力學性能研究的報道，本文則通過試驗研究重復荷載下銹蝕對鋼筋力學性能及本構關系的影響.

1 試驗方法

1.1 試件制作

試驗采用HRB400級鋼筋，直徑16 mm，共12根，長度均為500 mm，設計銹蝕率分別為：0，3%，6%，…，33%.試驗前首先用天平秤取每根鋼筋初重，為使得鋼筋銹蝕與實際工程混凝土中鋼筋的銹蝕相似，將其澆入混凝土板內，利用鋼筋外加直流電源加速鋼筋銹蝕.

混凝土板尺寸為550 mm×500 mm×100 mm，為了防止鋼筋加載端部發生破壞，對鋼筋端部采用蠟封方式進行絕緣處理.電流密度為100 μA·mm-2，當鋼筋混凝土板達到預定通電時間后，關閉電源，拆除導線，通電完成后混凝土板如圖1所示.將其破型后從板中取出銹蝕鋼筋，如圖2所示，按《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗方法標準》(GB/T 50082-2009)計算銹蝕率，截面銹蝕率取游標卡尺測得的最大截面銹蝕率，見表1.試驗中試件破壞截面往往發生在截面損失最嚴重部位，因此本文分析中所采用的銹蝕率指截面銹蝕率.

圖1 銹蝕鋼筋混凝土板

圖2 銹蝕試件

1.2 重復拉伸荷載試驗

試驗根據《金屬材料室溫拉伸試驗方法》(GB/T 228-2002)進行，試驗設備采用電液伺服材料試驗機及數據自動采集儀，如圖3所示.

重復拉伸加載試驗所采用加載機制為力控制加載，即每種鋼筋屈服力之前，荷載增步為一定值，在達到屈服力以后，減少荷載增量，直至破壞.重復荷載加載機制見圖4.通過對試件單調拉伸力學性能可知，未銹蝕試件的屈服荷載為89.11 kN，極限荷載113.3 kN.考慮鋼筋銹蝕后試件極限荷載降低，試驗程序設定重復加載機制為：當程序設定荷載小于60 kN時，加載步長設定為20 kN，每次加載到設定荷載后卸載到0 kN，繼續加載；超過60 kN時，加載步長設定為5 kN，每次加載到設定荷載后卸載到0 kN，繼續加載，直至試件拉斷.每級循環荷載的最大值和完全卸載處，程序設置持荷6 s，此時荷載基本穩定，記錄下鋼筋應變，并根據荷載和銹蝕最嚴重截面面積計算各試件彈性模量，見表1.試件拉斷后，用游標卡尺量取斷裂面左右5 d標距范圍內的斷后伸長量，計算試件的伸長率，見表1.

圖3 試驗加載裝置

2 試驗結果

2．1 破壞形態

試件斷裂后發現，未銹蝕試件斷裂面有頸縮現象，銹蝕試件隨銹蝕率的增大，頸縮愈不明顯，鋼筋表現為脆性破壞.主要原因是隨著銹蝕程度的提高，混凝土板表面逐漸產生銹脹裂縫，且均勻分布，導致鋼筋銹蝕并不均勻，出現坑蝕現象，使得試件在其加載過程中應力集中，導致脆斷.

2.2 荷載-變形曲線

各銹蝕試件的荷載變形曲線見圖5.由各試件重復荷載下的滯回曲線可得各試件荷載-位移曲線骨架線，見圖6.由圖6可知，隨著銹蝕率的增大銹蝕鋼筋變形能力逐漸降低，屈服荷載和極限荷載逐漸減小，銹蝕率在20%左右時，屈服平臺逐漸消失，甚至無明顯屈服現象.

加載次數

表1 銹蝕鋼筋試驗成果

圖5 銹蝕鋼筋荷載-變形滯回曲線

位移/mm

3 銹蝕鋼筋力學性能退化分析

對各試件力學性能匯總見表1.根據試驗結果，對重復荷載下銹蝕鋼筋力學性能退化進行分析見圖7，銹蝕鋼筋實際屈服強度fyc、極限強度fuc、伸長率δsc以及彈性模量Esc隨截面銹蝕率ρ之間的關系，見式(1)～(4)，本文中所采用實際屈服強度和實際極限強度取屈服荷載和極限荷載與最大銹蝕截面面積比值.

fyc=(1-0.339ρ)fy，

(1)

fuc=(1-0.075ρ)fu，

(2)

δsc=e-4.775ρδs，

(3)

Esc=(1-1.166ρ)Es．

(4)

上式中：fy,fu,δs以及Es分別為未銹蝕鋼筋實際屈服強度、極限強度、伸長率以及彈性模量.

銹蝕率/%

銹蝕率/%

銹蝕率/%

銹蝕率/%

由圖7可知：重復荷載下鋼筋隨著銹蝕程度的增加，其實際屈服強度、極限強度、伸長率及彈性模量逐漸降低；其中，實際屈服強度及極限強度變化較小，但伸長率及屈服強度退化速度相對較快，說明重復荷載下銹蝕對鋼筋延性影響較大.主要原因是由于鋼筋在混凝土中銹蝕不是非均勻分布，部分區域出現坑蝕現象，坑蝕的不均勻分布及坑蝕深度越大，鋼筋延性退化越明顯；另外，鋼筋銹蝕后，鋼筋內部材料晶格發生一定程度的改變[19]，也可能導致銹蝕鋼筋脆性斷裂破壞.

4 重復荷載下銹蝕鋼筋本構關系

4.1 本構關系模型

重復荷載試驗前對未銹蝕試件進行單調拉伸試驗，將未銹蝕試件重復荷載骨架曲線與單調荷載曲線進行對比結果見圖8.

位移/mm

由圖8可看出，彈性階段重復荷載下的荷載位移曲線與單調拉伸荷載下曲線一致，重復荷載下強化段與單調荷載下強化段斜率接近；另一方面，在重復荷載作用下，荷載-位移曲線較早進入強化段，其屈服臺階長度要比單調荷載作用下短，其破壞位移要比單調荷載作用下小，重復荷載下試件延性有所降低.結構在重復荷載作用下，若使用材料單調荷載下的本構關系，則可能導致結構計算延性偏大，偏于不安全.

根據銹蝕鋼筋重復荷載下的實驗結果及力學性能退化分析可知，銹蝕鋼筋力學性能發生退化，隨著銹蝕率的增大鋼筋變形能力降低，屈服平臺逐漸縮短，當銹蝕率達到20%時屈服平臺消失.

基于這一特征，本文采用圖9所示的銹蝕鋼筋應力-應變本構關系模型——三折線模型[12].當鋼筋銹蝕率低于20%時，取模型圖9(a)；當銹蝕率超過20%時，屈服平臺消失，取模型圖9(b).

(a)銹蝕率<90%

(b)銹蝕率>20%

4.2 特征參數的確定

fyc及fuc可由式(1)及式(2)確定，屈服應變εyc可由式(5)確定：

(5)

當銹蝕率小于20%時：對于屈服平臺長度變化可近似地假設屈服平臺長度隨鋼筋銹蝕率的增大按線性規律退化，強化應變εhc可以按式(6)確定.其中，ρcr為屈服平臺消失時的臨界銹蝕率，取為20%；未銹蝕鋼筋強化應變取屈服應變的4倍[20]，則屈服平臺段應變可取屈服應變的3倍，銹蝕后通過引入銹蝕率進行修正來考慮銹蝕對其的影響.

(6)

由試驗結果可知，加載過程中鋼筋伸長率與應變變化趨勢基本一致，故極限應變εuc取值可參考伸長率退化模型，見式(7).其中，未銹蝕鋼筋極限應變，可取屈服應變的25倍[20]，銹蝕后通過引入銹蝕率進行修正來考慮銹蝕對其影響，見式(7).

(7)

根據以上本構模型及特征參數的確定方法，隨著銹蝕率的變化，鋼筋應力-應變曲線見圖10，由圖10可知：鋼筋未銹蝕直至銹蝕率達到20%時，隨著銹蝕率的增大鋼筋變形性能逐漸減小，屈服平臺逐漸縮短直至消失，這與試驗結果一致；另外，隨著銹蝕程度的增大，屈服點變得愈加不明顯當荷載達到極限荷載時，鋼筋突然斷裂.

應變/(10-5)

5 結 論

基于銹蝕鋼筋重復拉伸荷載試驗，分析了銹蝕對鋼筋力學性能影響以及本構關系的變化，得出的主要結論如下：

1)由于鋼筋在混凝土中的銹蝕不是均勻分布，部分區域發生坑蝕現象，坑蝕的不均勻分布及坑蝕深度越大，鋼筋延性退化越明顯；鋼筋銹蝕后，鋼筋內部材料晶格發生一定程度的改變，導致了銹蝕鋼筋脆性斷裂破壞.

2)銹蝕使得鋼筋變形能力降低，屈服平臺逐漸縮短，破壞時頸縮愈不明顯；隨著銹蝕率的增大，鋼筋力學性能逐漸降低，其中彈性模量降低更為迅速，銹蝕對鋼筋延性影響較大，另外，重復拉伸荷載作用下鋼筋隨著銹蝕程度的增加，耗能性能降低，導致結構能量存儲能力不足，抗震性能下降，在地震時發生脆性破壞.

3)基于試驗結果本文建立了銹蝕鋼筋應力-應變本構關系模型，研究結果可為銹損結構耐久性、殘余承載力及抗震性能評估提供技術依據.

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