銹蝕鋼混構件的抗力退化規律研究

賈大多 王延彬

1 南陽市建筑公司（473004） 2 河南四銘工程管理有限公司（473000）

銹蝕鋼混構件的抗力退化規律研究

賈大多1王延彬2

1 南陽市建筑公司（473004） 2 河南四銘工程管理有限公司（473000）

針對由氯離子侵蝕引起的銹蝕鋼混構件的抗力退化，首先分析了氯離子在混凝土中的擴散規律，然后考慮混凝土的抗壓強度隨時間變化，分析分構件類型對銹蝕構件抗力退化的機理，并給出了時變抗力R(t)的計算方法。

構件；銹蝕；抗力；退化

實際工程結構在建成后就不斷地發生老化,結構構件的抗力隨時間不斷衰減，應作為隨機過程（R(t)）來研究[1]。對于鋼筋混凝土結構來說，鋼筋銹蝕是導致結構構件抗力退化的主要因素之一，而氯離子侵蝕是導致銹蝕發生的主要原因之一[2]。因此，這里針對氯離子侵蝕對鋼混構件性能的影響，研究了銹蝕構件的抗力衰減規律。

1 氯離子在混凝土中的擴散規律

目前，普遍采用的討論氯離子擴散的理論基礎為Fick第二定律[3]:

其中:t——時間；x——距混凝土表面的距離；D——氯離子擴散系數；Ct——x處的氯離子總濃度，它包括自由氯離子濃度Cf和結合氯離子濃度Cb，定義氯離子結合能力

在水化齡期為t0（28d）時測定混凝土的擴散系數為D0，記t時刻混凝土的氯離子擴散系數為Dt，則存在以下關系[4]:

tmax——對擴散系數衰減的最大影響時間，一般取25～30年。

考慮到混凝土在使用過程中發生的性能劣化，定義K為氯離子擴散性能的劣化效應系數，擴散系數用等效擴散系數De＝KDt表示[5]。

得到氯離子擴散性能的計算方程為:

結合初始條件:t=t0，x＞0時，Cf＝C0；邊界條件:x= 0，t＞t0時，Cf＝Cs，得到混凝土中氯離子濃度的計算公式如下:

其中C0是t=t0時混凝土內的氯離子濃度；Cs是混凝土暴露表面的氯離子濃度；erf 為誤差函數，

2 銹蝕鋼混構件抗力的退化規律

2.1 混凝土抗壓強度的時變規律

混凝土的抗壓強度也在隨時間變化，根據現有研究成果，與時間的定量關系可描述為:

可取這兩式計算結果的平均值為選用值，即:

其中

2.2 鋼筋銹蝕對鋼混構件抗力的影響

鋼筋銹蝕對構件抗力的影響主要體現在三個方面:1）鋼筋銹蝕后體積膨脹，混凝土保護層將沿鋼筋產生縱裂，乃至脫落，鋼筋外圍混凝土被分割成未能良好連接的幾部分，造成參與受力的混凝土有效截面減少。對于軸心受壓和小偏心受壓來說，破壞是由于受壓混凝土達到其抗壓強度，故混凝土受壓面積的大小直接影響構件的承載力，因而幾何損傷對受壓構件承載力降低程度的影響很大[8]。2）銹蝕后鋼筋的截面損失和強度降低會直接影響到構件的承載能力。3）鋼筋銹蝕后的銹脹效應使其與混凝土之間的黏結作用受到影響，導致協同工作能力下降，構件的受力性能降低。

對于不同的構件類型，這一影響的效應具體體現為:

1）受彎構件

鋼筋銹蝕會使受彎構件的抗彎強度降低。試驗中構件抗彎極限承載力的最大降低值為23.5%，可見影響程度不容忽視。原因除了鋼筋本身截面減少這個因素外,還有就是由于銹蝕使黏結力降低，破壞區段內銹蝕構件的混凝土和鋼筋的平均應變大于正常構件，不能充分地進行應力應變重分布。

2）偏心受壓構件

對于大偏心的受壓銹蝕構件，開裂荷載與破壞荷載的比值明顯大于正常構件,構件延性明顯降低。在鋼筋剛屈服后不久，壓區混凝土即被壓碎，破壞荷載顯著低于正常的構件。

對于小偏心的受壓銹蝕構件，破壞前沒有明顯預兆，受拉鋼筋應力較小。當受壓區鋼筋屈服、混凝土達到抗壓強度時發生破壞，因此出現脆性破壞的性質。構件在同級荷載作用下的鋼筋和混凝土的應變及側向撓度均明顯大于正常構件。破壞荷載顯著低于正常構件。

2.3 銹蝕構件抗力退化規律的計算

對于鋼筋發生銹蝕的構件，當用正常構件的計算方法進行強度計算時，應根據銹蝕開裂和損傷程度的不同，分別考慮鋼筋截面損失、屈服強度損失，以及混凝土的截面損失和黏結應力的損失等所引起的構件強度降低。具體方法如下:

1）對于銹蝕較少，混凝土保護層尚未開裂的構件，可以不考慮黏結力損失引起的強度降低。

鋼筋直徑減小，導致鋼筋的截面積As減小:

式中:n為鋼筋根數；di（t）為第i根鋼筋t時刻的直徑。

鋼筋自身的抗拉強度也降低:

式中:fys為鋼筋降低后的抗拉強度；ρs為鋼筋截面損失率。

構件的彎曲抗力M和剪切抗力Vcs也減小，結合現行混凝土設計規范，構件的時變抗彎強度可按下式計算:

混凝土受壓區高度x由下式確定:

式中:f'c（t）為混凝土動態抗壓強度；fys、f'ys為縱筋抗拉、抗壓強度；h0為截面有效高度；b為截面寬度；a's為受壓區縱向鋼筋合力點到截面受壓邊緣的距離。

構件的時變抗剪強度可按下式計算:

式中:fyvs為箍筋銹蝕后的抗拉強度設計值；Asv（t）為箍筋截面積；s為箍筋間距。

2）對于保護層已經開裂的銹蝕受彎構件，還需要考慮黏結力損失造成的影響。黏結力損失引起的強度降低系數η，可按如下原則取值:

①當縱裂寬度W≤0.5mm時，取η=1.0；

②當0.5mm＜W＜2.0mm時，

③對于W＞2.0mm至保護層完全脫落的構件，η位于0.7～0.8之間。

3）對于保護層已經開裂的偏心受壓構件，也應考慮黏結力損失引起的強度降低，降低系數η的取值同上述受彎構件。此外還須考慮截面幾何損傷對承載能力的影響，考慮幾何損傷后的截面尺寸采用如下公式計算:

式中:h、b為截面原有高度和寬度(mm)；h′、b′為損傷后截面計算高度和計算寬度(mm)；α為幾何損傷系數；c1、c2是構件長度方向兩側保護層厚度(mm)；c3、c4為構件寬度方向兩側保護層厚度(mm)。

3 結語

這里研究了氯離子侵蝕下鋼混構件的抗力衰減規律問題，主要做了以下工作:

1）氯離子在混凝土中的擴散規律。

2）考慮了混凝土抗壓強度的時變性，分析了分構件類型對銹蝕構件抗力退化的機理并給出了時變抗力的計算方法。

[1]Y.S.Petryna,W.B.Kratzig.Computational framework for long-term reliability analysis of RC structures,Computermethods in Appliedmechanics and Engineering.2005,194: 1619～1639.

[2]Xianming Shi,Ning Xie,Keith Fortune,et al.Durability of steel reinforced concrete in chloride environments:An overview,Construction and Buildingmaterials,2012,30:125～138.

[3]Yung-Ming Sun,Ming-Te Liang,Ta-Peng Chang.Time/depthdependentdiffusion and chemical reactionmodel of chloride transportation in concrete,Appliedmathematicalmodelling,2012,36(3):1114～1122.

[4]Thomasmd A,Bamforth P B.Modeling chloridediffusion in concrete:Effect of fly ash and slag.Cement and Concrete Research,1999,29:487～495.

[5]Pigeonm,Garnier F,Pleau R.Influence ofdrying on the chloride ion permeability of HPC.Concr Int,1993,2:65～69.

[6]ACI 209，Prediction of creep,shrinkage and temperature effects:2.ACI Committee 209.SubcommitteeⅡ.Draft Report, ACI,Detroit,1978.

[7]張建仁,劉揚.混凝土橋梁構件服役期的抗力概率模型[J].長沙理工大學學報(自然科學版),2004,1(1):27～33.

[8]惠云玲,李榮,林志伸,全明研.混凝土基本構件鋼筋銹蝕前后性能試驗研究[J].工業建筑,1997,6:14～18.