重復(fù)拉伸荷載下銹蝕鋼筋力學性能及本構(gòu)關(guān)系探討

文/張偉鑫、夷靜 鹽城交通中等專業(yè)學校 江蘇鹽城 224000

重復(fù)拉伸荷載下銹蝕鋼筋力學性能及本構(gòu)關(guān)系探討

文/張偉鑫、夷靜 鹽城交通中等專業(yè)學校 江蘇鹽城 224000

在地震作用下，混凝土中的鋼筋會受到重復(fù)拉伸荷載的作用，本文對銹蝕鋼筋進行了重復(fù)拉伸荷載試驗，分析了銹蝕對鋼筋力學性能的影響，并以此為基礎(chǔ)建立了銹蝕鋼筋本構(gòu)關(guān)系模型，探討了銹蝕鋼筋的本構(gòu)關(guān)系。

重復(fù)拉伸荷載；銹蝕鋼筋；力學性能；本構(gòu)關(guān)系

前言：

鋼筋銹蝕是影響混凝土結(jié)構(gòu)耐久性的重要原因，混凝土結(jié)構(gòu)耐久性損傷后，其抗震能力會下降，在腐蝕作用和地震作用下，不僅會影響居住的舒適性，同時對混凝土結(jié)構(gòu)的安全性和耐久性也有著影響。當前對銹蝕鋼筋力學性能的研究主要集中在單調(diào)荷載方面，而在地震的作用下，混凝土中的鋼筋結(jié)構(gòu)可能會受到重復(fù)荷載的作用。基于以上，本文簡要探討了重復(fù)拉伸荷載下銹蝕鋼筋的力學性能及本構(gòu)關(guān)系。

1　重復(fù)拉伸荷載試驗

1.1制作試件

采用十二根直徑為16毫米的HRB400級鋼筋，其長度一致，銹蝕率分別為0、3%、6%、9%……33%。在實驗之前，實驗前對鋼筋進行稱重，將鋼筋澆筑在混凝土板內(nèi)，之后外加直流電源進行加速腐蝕，以此達到實際工程銹蝕條件。在銹蝕完成后去除銹蝕鋼筋，按照性能和耐久性實驗方法標準來計算鋼筋的銹蝕率，一般來說，截面損失最嚴重的部位會發(fā)生界面破壞，因此本文選取截面修飾率為主要研究對象。

1.2試驗方法

選取電液伺服材料試驗機以及數(shù)據(jù)自動采集儀為試驗設(shè)備，采用力控制加載的方式來進行重復(fù)拉伸加載試驗，在鋼筋達到屈服力以前，設(shè)定荷載的增幅為定值，在鋼筋達到屈服力之后，對荷載增幅進行較少，直到鋼筋破壞為止［1］。采用重復(fù)荷載加載機進行加載試驗，通過鋼筋實踐單調(diào)拉伸力學性能可以得出，沒有銹蝕的鋼筋其屈服力為89.1kN，其極限荷載為113.3kN，在受到銹蝕之后，其極限荷載會出現(xiàn)降低，因此設(shè)置如下加載機制：如果程序荷載比60kN小，設(shè)定加載增幅為20kN，加載到60kN后進行卸載，卸載到0kN之后加載，如果程序設(shè)定荷載超過了60kN時，將加載的增幅設(shè)定為5kN，當加載到設(shè)定荷載之后進行卸載，之后繼續(xù)加載，知道鋼筋拉斷為止，循環(huán)和在最大值及完全卸載處將持荷設(shè)定為6s，此時荷載處于穩(wěn)定，對鋼筋的應(yīng)變進行基隆路，并以銹蝕截面面積和荷載為基礎(chǔ)進行鋼筋試件彈性模量的計算，鋼筋試件拉斷之后用游標卡尺量取伸長量，計算鋼筋試件的伸長率［2］。

1.3結(jié)果分析

1.3.1形態(tài)破壞

在鋼筋試件斷裂之后，沒有出現(xiàn)銹蝕的鋼筋試件的斷面出現(xiàn)了頸縮現(xiàn)象，而對于出現(xiàn)銹蝕的鋼筋試件來說，隨著銹蝕率的提升，這種頸縮現(xiàn)象逐漸不明顯，鋼筋試件的破壞為脆性破壞狀態(tài)。隨著銹蝕程度的提升，混凝土板面會出現(xiàn)銹脹裂縫，這些裂縫分布均勻，這使得鋼筋試件出現(xiàn)不均勻的銹蝕，從而產(chǎn)生坑蝕，在加載的過程中，鋼筋試件所受的應(yīng)力集中，因此出現(xiàn)脆性破壞而導(dǎo)致斷裂。

1.3.2荷載與變形

不同銹蝕的鋼筋試件其荷載變形曲線是不盡相同的，通過鋼筋試件的滯回曲線能夠得出其荷載-位移曲線骨架線，根據(jù)鋼筋試件荷載-位移曲線骨架線可知，隨著銹蝕率的提升，鋼筋試件的變形能力降低，而鋼筋試件的極限荷載和屈服荷載則隨著銹蝕率的提升而逐漸減小，當銹蝕率達到20%左右的時候，屈服現(xiàn)象基本消失。

2　銹蝕鋼筋力學性能分析

根據(jù)鋼筋試件的力學性能匯總結(jié)果，對重復(fù)荷載下鋼筋力學性能進行分析，通過分析可知，在重復(fù)荷載下，隨著銹蝕程度的增加，鋼筋試件的屈服強度以、伸長率、彈性模量以及極限強度逐漸降低，其中鋼筋試件的實際屈服強度和極限強度隨銹蝕程度增加而降低的程度較小，但鋼筋的伸長率和屈服強度則隨著銹蝕程度的增加而快速退化，由此可見，在重復(fù)荷載下，銹蝕對鋼筋的延性有著較大的影響［3］。對其原因進行分析，在混凝土中，鋼筋的銹蝕分布并不均勻，有的區(qū)域還存在著坑蝕的現(xiàn)象，這種不均勻的分布以及坑蝕深度的增加使得鋼筋出現(xiàn)十分明顯的延性退化現(xiàn)象，此外，鋼筋的銹蝕會導(dǎo)致其內(nèi)部材料晶格出現(xiàn)一定程度的變化，這也是導(dǎo)致銹蝕鋼筋出現(xiàn)脆性破壞的重要原因之一。

3　重復(fù)荷載下銹蝕鋼筋本構(gòu)關(guān)系分析

在重復(fù)荷載實驗中，對沒有銹蝕的鋼筋試件進行單調(diào)拉伸試驗，將重復(fù)荷載骨架曲線與單調(diào)荷載骨架曲線進行對比，如圖1所示。

圖1鋼筋荷載-變形骨架曲線對比圖

由鋼筋荷載-變形骨架曲線對比圖可知，在彈性階段，重復(fù)荷載和單調(diào)荷載下的荷載位移曲線基本一致，二者強化段斜率基本一致，此外，相較于單調(diào)荷載下荷載位移曲線而言，重復(fù)荷載下的曲線更早的進入到強化階段，（如圖1中的實線所示），此外其屈服臺階段長度要更短以下，破壞位移也要更小以下，在重復(fù)荷載下，鋼筋試件的延展性有著一定程度的降低。銹蝕鋼筋在重復(fù)荷載下，如果采用單調(diào)荷載下的本構(gòu)關(guān)系進行計算，則可能出現(xiàn)結(jié)構(gòu)計算延性比實際值偏大的問題，從而影響了安全性。

根據(jù)上文中分析的重復(fù)荷載實驗力學性能變化可知，鋼筋在銹蝕之后，其力學性能出現(xiàn)退化是客觀存在的，銹蝕率越大，鋼筋的變形能力退化越嚴重，屈服平臺縮短，當鋼筋的修飾率達到20%的時候，屈服平臺消失。根據(jù)銹蝕鋼筋的這一個特征，建立三折線模型［4］。當鋼筋銹蝕率比20%低的時候，選取圖2所示的模型，當鋼筋銹蝕率比20%高的時候，選取圖3所示的模型。

圖2銹蝕率小于20%銹蝕鋼筋本構(gòu)關(guān)系模型圖

圖3銹蝕率大于20%銹蝕鋼筋本構(gòu)關(guān)系模型圖

當銹蝕率比20%小的時候，可以假設(shè)屈服平臺長度與鋼筋的銹蝕率成反比例線性變化，以此來確定屈服平臺長度，之后計算出強化應(yīng)變，20%則為屈服平臺消失的銹蝕率臨界點，沒有修飾鋼筋強化應(yīng)變?yōu)榍?yīng)變的四倍，屈服平臺應(yīng)變?yōu)榍?yīng)變的三倍，在鋼筋出現(xiàn)銹蝕之后，引入銹蝕率來分析銹蝕對鋼筋的影響。通過重復(fù)拉伸荷載試驗結(jié)果可知，在加載的過程中，鋼筋的應(yīng)變變化與鋼筋的伸長率變化的趨勢基本相同，對于沒有銹蝕的鋼筋來說，其極限應(yīng)變?yōu)榍?yīng)變的25倍，在鋼筋出現(xiàn)銹蝕之后，將銹蝕率引進來修正銹蝕對鋼筋的影響。

根據(jù)圖2及圖3的本構(gòu)關(guān)系模型，以上述特征參數(shù)確定方法為依據(jù)，可以得出鋼筋應(yīng)力-應(yīng)變曲線隨著銹蝕率變化的圖形，如圖4所示。

圖4銹蝕鋼筋應(yīng)力-應(yīng)變曲線圖

從銹蝕鋼筋應(yīng)力-應(yīng)變曲線圖中可知，當銹蝕率小于20%的時候，銹蝕率的增加會導(dǎo)致鋼筋變形性能降低，而屈服平臺則隨著銹蝕率的增加逐漸減小，在銹蝕率達到20%的時候，屈服平臺消失，這與重復(fù)拉伸荷載試驗的結(jié)果相同，此外，在銹蝕程度增加的過程中，屈服點會逐漸變得模糊，越來越不明顯，直到荷載達到鋼筋極限荷載的時候，鋼筋會出現(xiàn)脆性斷裂［5］。

結(jié)語：

本文以銹蝕鋼筋的重復(fù)拉伸荷載試驗為基礎(chǔ)，對銹蝕鋼筋的力學性能和本構(gòu)關(guān)系進行了分析，主要分析了銹蝕對鋼筋力學性能的影響，以及在銹蝕作用下，鋼筋本構(gòu)關(guān)系的變化，通過分析主要得出以下結(jié)論：

（1）在混凝土中的鋼筋，其出現(xiàn)的銹蝕分布并不均勻，混凝土中的部分區(qū)域可能會出現(xiàn)坑蝕的現(xiàn)象，這種不均勻的分布以及坑蝕的深度會對鋼筋的延性產(chǎn)生影響，分布的越不均勻，坑蝕深度越大，則鋼筋的延性退化表現(xiàn)的越明顯。此外，鋼筋銹蝕會使得其內(nèi)部材料晶格出現(xiàn)一定程度的變化，這也是導(dǎo)致修飾鋼筋出現(xiàn)脆性斷裂的一個重要原因。

（2）鋼筋銹蝕會影響其變形能力，且屈服平臺會縮短，在破壞的過程中，隨著屈服平臺的縮短，其頸縮現(xiàn)象逐漸不明顯，鋼筋的銹蝕率與其力學性能和彈性模量有著一定的關(guān)系，銹蝕率越大，銹蝕對鋼筋力學性能的影響越大，彈性模量降低的速度也越大，因此其對鋼筋延性的影響也就越大。此外，在重復(fù)拉伸荷載作用下，鋼筋銹蝕程度與其耗能性能有著一定的關(guān)系，隨著銹蝕程度的提升，鋼筋耗能性能會逐漸降低，這就使得結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)喪失存儲能量的能力，影響了其抗震性能，在地震發(fā)生的時候，鋼筋很可能出現(xiàn)脆性斷裂的情況。

（3）本文以重復(fù)荷載試驗為基礎(chǔ)，建立了銹蝕鋼筋的本構(gòu)關(guān)系模型，對鋼筋的本構(gòu)關(guān)系進行了分析，分析結(jié)果與銹蝕鋼筋的重復(fù)荷載試驗結(jié)果一致。

［1］羅小勇，梁巖，張艷芳.重復(fù)拉伸荷載下銹蝕鋼筋力學性能及本構(gòu)關(guān)系研究［J］.湖南大學學報（自然科學版），2014，（11）：81-86.

［2］周正祥.銹蝕鋼筋疲勞力學性能研究［D］.中南大學，2013.

［3］張艷芳.反復(fù)荷載作用下銹蝕鋼筋力學性能研究［D］.中南大學，2013.

［4］張偉平，顧祥林，金賢玉，等.混凝土中鋼筋銹蝕機理及銹蝕鋼筋力學性能研究［J］.建筑結(jié)構(gòu)學報，2010，（S1）：327-332.

［5］張偉平，李崇凱，顧祥林，等.銹蝕鋼筋的隨機本構(gòu)關(guān)系［J］.建筑材料學報，2014，（05）：920-926.