自然銹蝕鋼筋的疲勞試驗

李士彬，湯紅衛，張 鑫，孫 偉

（1.山東建筑大學 土木工程學院，山東 濟南 250101；2.山東建筑大學 山東省建筑結構鑒定加固與改造重點實驗室，山東 濟南 250101；3.東南大學 材料科學與工程學院，江蘇 南京 211189；4.東南大學 江蘇省土木工程材料重點實驗室，江蘇 南京 211189；5.山東大學 土建與水利學院，山東 濟南 250061）

橋梁是國家重要的交通基礎設施，是公路網、鐵路網的咽喉，是關系社會和經濟協調發展的生命線.在中國，混凝土橋梁約占橋梁總數的90%，截止到2011年底，僅公路橋梁就建造了68.9萬座，累計總長3 350萬米.

碳化或氯鹽引起的鋼筋銹蝕已被世界公認為混凝土橋梁的一大災害.目前，中國許多既有銹損混凝土橋梁急需進行耐久性評估與剩余疲勞壽命預測.在車輛、風載等交變疲勞載荷作用下，銹蝕鋼筋混凝土構件的破壞往往是由銹蝕鋼筋的疲勞斷裂所致［1－3］，因此，正確認識鋼筋銹蝕后其疲勞性能的退化規律，建立銹蝕鋼筋的疲勞曲線方程是科學預測并適當延長既有銹損混凝土橋梁使用壽命的前提.

曹建安等［4］研究發現，由于銹坑引起的應力集中及載荷歷史的影響，使既有鐵路橋梁構件中銹蝕鋼筋的疲勞壽命大大降低，疲勞極限應力現象趨于消失.張偉平、李士彬等［5－7］通過軸向拉伸疲勞試驗，建立了考慮銹蝕率影響的混凝土中自然銹蝕鋼筋及加速銹蝕鋼筋的疲勞曲線方程.筆者探討了自然裸露銹蝕變形鋼筋的疲勞性能，并從微觀上解釋了自然裸露銹蝕鋼筋疲勞壽命退化的機理.

本文在前期研究工作的基礎上，通過輕度、中度、重度自然銹蝕鋼筋的軸向拉伸疲勞試驗，進一步探討了自然銹蝕鋼筋疲勞壽命的退化規律，建立了考慮銹蝕率影響的輕度、中度和重度自然銹蝕鋼筋的疲勞曲線方程，并給出了50%保證率及不同預期疲勞壽命下自然銹蝕鋼筋容許應力幅值的建議值，為合理預測并適當延長既有銹損混凝土橋梁的使用壽命提供了理論依據.

1 試驗概況

1.1 試件制備

鋼筋自然銹蝕分大氣環境中裸露銹蝕和混凝土構件中自然銹蝕2種.針對既有混凝土橋梁工程，在濟南某高校服役40余年的鋼筋混凝土電線桿中截取自然銹蝕鋼筋試件.經檢測，該電線桿中鋼筋發生銹蝕的原因是混凝土碳化，銹前光圓鋼筋的工程直徑為10，12mm.清除銹蝕鋼筋上的混凝土后，用切割機截成長約400mm 的試件，共36根.經對其中6根基本未銹蝕鋼筋試件進行軸向拉伸試驗，得到其銹前的屈服強度、極限強度和彈性模量分別為389，460MPa和202GPa.隨后，在大氣環境下，對25根銹蝕鋼筋試件進行了軸向拉伸疲勞試驗.

1.2 鋼筋銹蝕評定

自然銹蝕鋼筋試件表面存在大量銹坑，且在靠近混凝土保護層的一側銹蝕較嚴重.依據GB／T 50082—2009《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗方法》，參照文獻［5］測定了銹蝕鋼筋試件的銹蝕率（ηs，質量分數，%）.

本文依據銹蝕率、銹坑大小及其分布初步將銹蝕鋼筋試件分為輕度（ηs≤5.00%）、中度（5.00＜ηs≤10.00%）和重度（ηs＞10.00%）銹蝕3種.

1.3 軸向拉伸疲勞試驗

銹蝕鋼筋試件的軸向拉伸疲勞試驗在山東大學力學工程測試中心的INSTRON 8502型疲勞實驗機上進行，如圖1所示.

圖1 銹蝕鋼筋的疲勞試驗Fig.1 Setup for fatigue test of corroded reinforcement

依據GB／T 3075—2008《金屬材料疲勞試驗軸向力控制方法》，試驗采用載荷控制，按正弦波施加等幅交變荷載，加載頻率為10Hz.考慮到實際運營的既有橋梁在服役過程中主要存在銹蝕損傷和超載損傷，應力水平（最大應力與銹前鋼筋屈服強度之比）取0.50～0.85，應力比（最小應力與最大應力的比值）取0.1.

銹蝕鋼筋試件的疲勞試驗參數與結果見表1（5根試件斷裂在夾持部位，數據無效，未列出），其中：Fmax為疲勞荷載上限；Fmin為疲勞荷載下限；Smax為按銹后截面面積計算的最大應力；f 為加載頻率.

由表1可見，試件的銹蝕率為1.99%～28.74%，輕度銹蝕5根，中度銹蝕9根，重度銹蝕6根.

表1 銹蝕鋼筋的疲勞試驗參數與結果Table 1 Fatigue test parameters and results of corroded steel bars

2 試驗結果及分析

2.1 自然銹蝕鋼筋的疲勞曲線

假定以疲勞壽命與應力幅值（最大應力與最小應力的差值）表示的自然銹蝕鋼筋的等幅疲勞曲線在雙對數坐標系下仍滿足線性關系，即lg N＝AmlgS，其中：S 為應力幅值（MPa）；N 為疲勞壽命（times）；A 和m 為與銹蝕程度有關的系數.

由試驗數據，經統計回歸，可分別獲得輕度、中度和重度自然銹蝕鋼筋疲勞曲線的A，m 及相關系數R，結果見表2.參照文獻［5］選定未銹蝕鋼筋疲勞曲線的系數.

表2 銹后鋼筋疲勞曲線的A，m 及相關系數RTable 2 Coefficients for fatigue curve of naturally corroded steel bars

由表2可見，R 均大于0.900 0，可以認為自然銹蝕鋼筋的疲勞壽命與應力幅值滿足對數線性關系（見圖2）.

圖2 自然銹蝕鋼筋的疲勞曲線Fig.2 Fatigue curves of naturally corroded steel bars

由圖2可見，隨銹蝕發生、發展，疲勞曲線的斜率越來越大.這表明，銹后鋼筋不但其截面面積減小，而且其疲勞強度也降低.

2.2 自然銹蝕鋼筋的疲勞壽命

根據表2，給定應力幅值就可預測50%保證率下自然銹蝕鋼筋的疲勞壽命.GB 50010—2010《混凝土結構設計規范》規定：在疲勞荷載作用下，固定應力比為0.1時，同等強度的未銹蝕HRB 335級鋼筋的容許應力幅值為162 MPa.依據輕度、中度、重度自然銹蝕鋼筋和未銹蝕鋼筋的疲勞曲線方程，表3 按實際應力幅值等于規范規定的容許應力幅值（162MPa）、超載20%和超載50%分別列出了隨銹蝕發生、發展，鋼筋的應力幅值和疲勞壽命.

表3 特定應力幅值下銹蝕對鋼筋疲勞壽命的影響Table 3 Influence of corrosion on fatigue life of steel bars under different stress amplitudes

由表3可見，由于截面積減小、疲勞性能退化，銹后鋼筋的疲勞壽命顯著降低，且應力幅值越大退化越明顯.當初始應力幅值為162，194，243 MPa時，輕度銹蝕鋼筋的疲勞壽命分別下降了30%，55%，75%，中度銹蝕鋼筋的疲勞壽命分別下降了74%，85%，92%，重度銹蝕鋼筋的疲勞壽命分別下降了87%，93%，96%.

若僅考慮截面積減小，不計疲勞性能退化，當初始應力幅值為194MPa時，輕度、中度、重度銹蝕鋼筋的疲勞壽命分別下降了14%，27%，48%，較55%，85%，93%低了許多.可見，銹后鋼筋的疲勞性能退化顯著.

2.3 自然銹蝕鋼筋的容許應力幅值

根據表2，給定預期疲勞壽命就可確定50%保證率下自然銹蝕鋼筋的容許應力幅值.表4列出了50%保證率的未銹蝕、輕度銹蝕、中度銹蝕鋼筋在不同疲勞壽命下的容許應力幅值建議值（應力比為0.1）.

由表4可見，銹后鋼筋的容許應力幅值明顯降低.當預期疲勞壽命為200萬次時，輕度、中度銹蝕鋼筋的容許應力幅值分別下降了23%，33%.研究［8］表明，當預期疲勞壽命為50萬次時，中度銹蝕（銹蝕率為9.70%）鋼筋混凝土梁的疲勞強度下降了27%.

表4 自然銹蝕鋼筋的容許應力幅值建議值Table 4 Suggested values for allowable stress amplitude of naturally corroded steel bars

3 對比分析

參照文獻［6］，結合GB 50010—2010《混凝土結構設計規范》，表5按預期疲勞壽命200萬次分別列出了中度銹蝕（銹蝕率為10.00%）混凝土中自然銹蝕鋼筋、加速銹蝕鋼筋在50%保證率下的容許應力幅值建議值（應力比為0.1）.

表5 不同銹蝕工況下容許應力幅值建議值Table 5 Suggested values of allowable stress amplitude under different corrosion conditions

由表5可見，未銹蝕光圓鋼筋與變形鋼筋的容許應力幅值分別為280，245 MPa，這可能是由于自然銹蝕光圓鋼筋的對比試件被精加工過［5］.可見，自然銹蝕對鋼筋疲勞性能的影響較加速銹蝕顯著，這主要是由于自然銹蝕與加速銹蝕的機理不同，自然銹蝕鋼筋的表面存在大量銹坑，導致應力集中，而加速銹蝕則比較均勻.

在考慮銹蝕和超載的情況下，本文將疲勞應力水平取較高值.為驗證試驗數據的可靠性，與文獻［5］進行了對比.本文的中度自然銹蝕鋼筋（銹蝕率10.00%）與 文 獻［5］中 的A15 系 列（銹 蝕 率15.00%）銹蝕情形相似.由于試件銹前工程直徑不同，使銹蝕率存在差異.當應力幅值為230.7，205.2，179.6，153.2MPa時，A15系列試件的疲勞壽命分別為652 047，1 082 585，2 637 046，4 234 567次，其疲勞曲線方程為：lg N ＝17.039－4.746lg S（相關系數為－0.988 4）.據此可推斷，當預期疲勞壽命為200 萬次時，其容許應力幅值建議值為183MPa（本文的建議值為188 MPa），這說明本文的試驗數據準確、可靠.

4 結語

（1）由于“銹坑”引起的應力集中現象，自然銹蝕鋼筋的疲勞性能顯著退化.輕度、中度、重度自然銹蝕鋼筋的疲勞壽命與應力幅值在對數坐標系下均保持線性關系.

（2）經統計回歸，分別建立了輕度、中度、重度自然銹蝕鋼筋的疲勞曲線方程，給出了50%保證率的預期疲勞壽命為200萬次輕度、中度自然銹蝕鋼筋容許應力幅值的建議值.

（3）當容許應力幅值為162 MPa時，中度自然銹蝕鋼筋（銹蝕率10.00%）的中值（保證率為50%）疲勞壽命較未銹蝕鋼筋下降了74%；當預期疲勞壽命為200 萬次時，中度自然銹蝕鋼筋（銹蝕率10.00%）的容許應力幅值下降了33%.

（4）直接由加速銹蝕鋼筋的疲勞性能預測既有服役老化混凝土橋梁的剩余疲勞壽命，往往偏于不安全.建議進一步開展銹蝕與疲勞耦合作用下自然銹蝕鋼筋疲勞性能方面的研究.

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［7］ZHANG Weiping，SONG Xiaobin，GU Xianglin，et al.Tensile and fatigue behavior of corroded rebars［J］.Construction and Building Materials，2012，34（1）：409－417.

［8］OYADO M，HASEGAWA M，SATO T.Characteristics of fatigue and evaluation of RC beam damaged by accelerated corrosion［J］.QR of RTRI，2003，44（2）：72－77.