腐蝕鋼筋混凝土構件承載力模型評述

關華深，林剛（.廣東電網有限責任公司江門供電局，廣東 江門59000；.中國能源建設集團廣東省電力設計研究院，廣州 50663）

腐蝕鋼筋混凝土構件承載力模型評述

關華深1，林剛2
（1.廣東電網有限責任公司江門供電局，廣東 江門529000；2.中國能源建設集團廣東省電力設計研究院，廣州 510663）

混凝土中鋼筋腐蝕后，會導致鋼筋橫截面面積減少，鋼筋力學性能退化；受壓區鋼筋腐蝕，產生銹脹壓力，使受壓區混凝土處于雙向應力狀態，混凝土抗壓強度降低；混凝土保護層開裂、脫落、混凝土與鋼筋黏結強度退化，腐蝕鋼筋混凝土構件承載力降低。論文從試驗、有限元計算和理論模型三方面總結了當前腐蝕鋼筋混凝土構件承載力模型，并對腐蝕鋼筋混凝土構件承載力模型進行了展望。

腐蝕；鋼筋；承載力模型

【DOI】10.13616/j.cnki.gcjsysj.2016.11.002

1　引言

混凝土中鋼筋腐蝕對混凝土結構承載力影響機理如圖1所示：鋼筋腐蝕后，會導致鋼筋橫截面面積減少，鋼筋力學性能退化；受壓區鋼筋腐蝕，產生銹脹壓力，使受壓區混凝土處于雙向應力狀態，混凝土抗壓強度降低；混凝土保護層開裂、脫落、混凝土與鋼筋黏結強度退化，使鋼筋與混凝土不能協調工作、共同承受載荷。

腐蝕鋼筋混凝土構件的承載力受很多因素的影響，如構件形狀、剪跨比、混凝土強度、保護層厚度、配筋率、鋼筋腐蝕程度等，因此腐蝕鋼筋混凝土構件承載力的計算是個非常復雜的問題，一個模型很難考慮所有因素。目前，對腐蝕鋼筋混凝土構件承載能力的研究，按照研究方法分類，大致可以分為以下3類：(1)試驗研究；(2)基于試驗基礎的有限元分析；(3)建立力學模型進行理論分析。

圖1　腐蝕影響混凝土結構承載力機理

2　試驗研究

Uomoto和M isra[1]研究了海洋混凝土結構承載力與腐蝕程度的關系，指出鋼筋腐蝕所產生的縱向順筋裂縫大大降低了結構的強度和延性，并指出當結構出現順筋裂縫時，必須對結構進行修復。Yoon等[2]通過加速腐蝕試驗，對不同腐蝕程度的鋼筋混凝土梁進行研究，發現腐蝕程度大于3%時，黏結力退化是結構抗彎承載力下降的主要原因，并且隨著腐蝕程度的加深，梁的破壞模式由抗彎破壞轉變為剪切破壞。Rodriguez等[3]對6類不同腐蝕程度的鋼筋混凝土梁進行了承載力測試，并考慮腐蝕鋼筋截面積減少、力學性能退化、腐蝕鋼筋與混凝土間黏結性能的變化等因素建立腐蝕鋼筋混凝土梁的抗彎和抗剪承載力預測模型。Huang和Yang[4]通過對32根鋼筋混凝土梁電化學腐蝕，測試了不同腐蝕程度梁的承載力，發現對高強度混凝土梁和有初始缺陷的梁而言，在鋼筋腐蝕程度比較小的情況下，承載力也有明顯的下降。Mangat和Elgarf[5]通過四點彎曲試驗對不同腐蝕程度的鋼筋混凝土梁承載力進行了研究，發現當鋼筋腐蝕程度較低時，極限抗彎承載力影響很小，而當腐蝕程度增加到一定程度時，承載力急劇下滑，將其主要歸因于鋼筋與混凝土黏結強度的降低，同時研究發現，在相同腐蝕程度時，鋼筋腐蝕速率越快，極限承載力下降越多。易偉建和趙新[6]設計的一套試驗裝置，對腐蝕鋼筋混凝土梁進行了準長期靜力荷載試驗，發現腐蝕梁剛度下降，并且可以通過模態識別的方法識別腐蝕梁的剛度。袁迎曙等[7]對三根腐蝕鋼筋混凝土梁的結構性能進行了試驗研究，指出腐蝕鋼筋力學性能退化和腐蝕鋼筋與混凝土間黏結性能的降低是導致鋼筋混凝土梁承載力下降的主要因素。惠云玲等[8]對30多個腐蝕前后的混凝土構件進行受彎和受壓的試驗研究,分析了腐蝕后構件的受力性能和破壞形態。金偉良和趙羽習[9]試驗研究了不同腐蝕程度的鋼筋混凝土梁的抗彎承載力，并給出了相應的經驗公式。牛荻濤等[10]對自然暴露10a的鋼筋混凝土梁按照腐蝕程度進行分類，測試了其剩余承載力。張偉平等[11]對自然腐蝕與外加電流加速腐蝕兩種條件下的腐蝕鋼筋及腐蝕鋼筋混凝土梁進行了對比試驗研究。陶峰等[12]對一批老化（使用了36a）的混凝土構件進行了承載力測試，研究了腐蝕構件的受力性能和破壞形態。黃振國等[13]對在實際化工腐蝕環境中服役十年以上的構件進行了試驗研究，并給出了相應的腐蝕鋼筋混凝土梁承載力的計算方法。

3　有限元模型

基于試驗基礎的有限元分析是腐蝕鋼筋混凝土構件承載力研究的另一方面。Coronelli和Gambarova[14]利用非線性有限元程序研究了腐蝕鋼筋混凝土梁在正常使用狀態和極限狀態的承載力，在其數值模型中，采用分離式模型來模擬鋼筋與混凝土，并通過界面單元考慮腐蝕后鋼筋與混凝土的黏結滑移。Lee等[15]利用非線性有限元程序分析了腐蝕鋼筋混凝土結構的承載力，在其數值模型中，利用彈簧單元模擬鋼筋與混凝土之間的滑移并考慮了腐蝕鋼筋屈服強度的下降。袁迎曙等考慮了腐蝕鋼筋的應力-應變關系和腐蝕鋼筋與混凝土的黏結應力-滑移關系，并在此基礎上建立了腐蝕鋼筋混凝土梁的數值模型，對腐蝕鋼筋混凝土梁進行了計算分析，繪出了相應的荷載變形曲線。惠卓等[16]應用三維有限元分析腐蝕鋼筋混凝土構件承載能力。曾珂等[17]考慮腐蝕鋼筋混凝土構件混凝土和鋼筋之間的相對滑移，運用非線性彈簧單元剛度的變化模擬混凝土和鋼筋之間黏結能力退化，建立了腐蝕鋼筋混凝土構件有限元分析模型。Ster等[18]利用CASTEM 2000對均勻腐蝕和局部腐蝕的鋼筋混凝土抗彎承載能力進行了有限元分析。

4　力學模型

建立力學模型對腐蝕鋼筋混凝土構件的承載力進行理論預測很有意義。周燕[19]，Nowak[20]直接用腐蝕后鋼筋面積代替未腐蝕時鋼筋面積，腐蝕后鋼筋實測屈服強度代替未腐蝕時鋼筋屈服強度，利用現有的規范對腐蝕鋼筋混凝土抗彎承載能力進行計算，未考慮腐蝕后鋼筋與混凝土黏結強度降低對結構承載力影響。為了體現黏結強度降低對構件抗彎承載力影響，陶峰等，惠云玲等對不考慮黏結強度降低計算的抗彎強度乘以黏結強度折減系數來考慮黏結強度降低對承載力影響，其中黏結強度折減系數為裂縫寬度函數。金偉良和趙羽習也用類似辦法考慮黏結強度降低對承載力影響，不同的是黏結強度折減系數為鋼筋腐蝕程度的函數。錢稼茹等[21]提出了用鋼筋作用系數反映黏結強度降低對鋼筋混凝土簡支橋面梁受彎承載力的影響。Wang等[22]認為腐蝕鋼筋混凝土梁力學性能介于完全黏結梁和完全無黏結梁之間，根據完全黏結梁、完全無黏結梁和腐蝕梁的平均極限黏結強度之間的關系推導了腐蝕梁的變形協調關系，建立了兩集中力作用下腐蝕鋼筋混凝土梁的抗彎承載力模型。金偉良等[23]考慮腐蝕鋼筋混凝土梁中材料性能的退化和鋼筋與混凝土黏結性能的退化，建立了腐蝕鋼筋混凝土梁承載力的計算模型。受壓區鋼筋腐蝕導致混凝土處于雙向應力狀態，混凝土抗壓強度降低。Capozucca和Cerri[24]研究了受壓區鋼筋腐蝕對鋼筋混凝土結構承載力的影響，提出了用受壓區損傷因子表征混凝土抗壓強度的降低，并利用模態識別的方法識別了受壓區鋼筋不同程度腐蝕時的損傷因子。吳瑾考慮混凝土受壓區鋼筋腐蝕抗壓強度降低，建立了腐蝕鋼筋混凝土構件承載力評估模型。張喜德等[25]通過試驗研究了受壓區鋼筋腐蝕量與混凝土抗壓強度的關系，給出了受壓區鋼筋腐蝕混凝土梁抗彎強度的計算方法。

5　結語

總之，以上研究大多以平截面假定為依據，采用協同工作系數近似考慮黏結性能降低對結構承載力影響，沒有很好地解決腐蝕鋼筋混凝土梁平截面假定不成立情況下抗彎強度的計算。雖有少數文獻推導了腐蝕鋼筋混凝土梁的變形協調條件，建立了腐蝕梁抗彎承載力模型，但其模型只適用特定加載條件。因此很有必要對腐蝕鋼筋混凝土梁進行抗彎承載力分析，建立不滿足平截面假定下的抗彎強度計算方法。

【1】Uomoto T,M isra S.Behavior of concrete beams and columnsin marineenvironmentwhencorrosionofreinforcingbarstakes place[J]. ACISpecialPublication,1988（109）:127-146.

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【4】HuangR,Yang CC.Condition assessmentof reinforced concrete beams relative to reinforcement corrosion[J].Cement&Concrete Composites,1997,19(2):131-137.

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【6】易偉建,趙新.持續荷載作用下鋼筋銹蝕對混凝土梁工作性能的影響[J].土木工程學報,2006,39(1):7-12.

【7】袁迎曙,賈福萍,蔡躍.銹蝕鋼筋混凝土梁的結構性能退化模型[J].土木工程學報,2001,34(3):47-52.

【8】惠云玲,李榮,林志伸,等.混凝土基本構件鋼筋銹蝕前后性能試驗研究[J].工業建筑,1997,27(6):14-18.

【9】金偉良,趙羽習.銹蝕鋼筋混凝土梁抗彎強度的試驗研究[J].工業建筑,2001,31(5):9-11.

【10】牛荻濤,翟彬,王林科,等.銹蝕鋼筋混凝土梁的承載力分析[J].建筑結構,1999(8):23-25.

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【13】黃振國,李健美,郭樂工,等.受腐蝕鋼筋砼材料基本性能與受彎構件的試驗研究[J].建筑結構,1998(12):18-20.

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【23】金偉良,夏晉,蔣遨宇,等.銹蝕鋼筋混凝土梁受彎承載力計算模型[J].土木工程學報,2009,42(11):64-70.

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【25】張喜德,韋樹英,彭修寧.鋼筋銹蝕對混凝土抗壓強度影響的試驗研究[J].工業建筑,2003,33(3):5-7.

The Reviews on Load Capacity of Corrode Reinforcement Concrete Component

GUAN Hua-shen1,LIN Gang2
（1.JiangmenPowerSupply Bureau of GuangdongPowerGridCo.Ltd.,Jiangmen 529000,China；2.GuangdongElectricPowerDesign Institute,ChinaEnergyEngineeringGroupCo.Ltd.,Guangzhou 510663,China）

Reinforcement corrosion in concrete has been identified as one of the most predom inant degradation mechanisms in reinforced concrete(RC)structures,which leads to series of structural degradations,such as reduction of the cross-section area of reinforcement,cracking,spallingand delaminatingofconcretecoverand lossofconcrete-steelbond strength,and thusseverely reduces the load-carrying capacityofconcretestructures.In thispaper load capacitymodelsofcorrode reinforcementconcretecomponenthave been reviewedaccording toexperimental、FEA and theoreticalmodels.A lso theprospectof the load capacitymodelhasbeenmadebased on thereviewsabove.

corrosion;rebar;load capacitymodel

TU501；TU528.571

B

1007-9467（2016）11-0022-03

關華深（1977～），男，廣東新會人，高級工程師，從事工程技術研究。

2016-05-24