配置不銹鋼鋼筋結構的研究現狀及趨勢

朱愛萍，付瑞佳，楊健彬，郝欣

（1中國建筑科學研究院有限公司，北京 100013；2山地城鎮(zhèn)建設與新技術教育部重點實驗室（重慶大學），重慶 400045；3重慶大學 土木工程學院，重慶 400045）

0 引言

鋼筋混凝土結構具有堅固、耐久、防火性好、成本低等特點，在世界范圍內得到廣泛使用。然而鋼筋銹蝕卻是影響鋼筋混凝土結構耐久性的一個重要問題，尤其是對于處于侵蝕較為嚴重環(huán)境中的結構，如橋梁結構、港灣結構、島礁結構等，鋼筋銹蝕造成的工程問題已帶來了巨大的損失[1-2]。在正常使用條件下，混凝土結構的使用年限應達50~120年，但實際工程中許多混凝土結構卻遠未達到使用年限。我國上世紀六七十年代建造的許多碼頭、港口、工業(yè)廠房等建筑物，由于混凝土質量不夠優(yōu)良，施工質量存在缺陷，使用壽命不到30年已破壞嚴重，維修或修復費用及停止生產營運造成的經濟損失十分巨大。交通部的統(tǒng)計資料表明，海工鋼筋混凝土結構通常在10～15年，短則5~8年就會發(fā)生鋼筋銹蝕破壞。我國寧波北侖港10萬噸級礦石碼頭，使用不到10年就出現嚴重銹蝕而損壞。連云港、湛江海港碼頭以及華南地區(qū)的許多海港碼頭建成后不久就出現鋼筋銹蝕和不同程度的損壞。盡管目前解決鋼筋銹蝕問題的方法有很多，如加大混凝土保護層厚度、在鋼筋表面涂刷抗銹蝕材料、陰極保護等等，但是這些方法都只能略微延緩鋼筋的銹蝕，并不能徹底解決鋼筋的銹蝕問題[3]。而不銹鋼鋼筋中含有較多的鎳和鉻，能從根本上解決鋼筋的銹蝕問題[4]。

從上個世紀開始，墨西哥、美國、加拿大等國家已經相繼將不銹鋼鋼筋應用于實際工程中，并且已有專門的設計手冊[5]。在國內，我國于2004年5月頒布的“混凝土結構耐久性設計與施工指南”[6]是對不銹鋼鋼筋應用的首次許可。但是目前國內外對不銹鋼筋的研究大多是在抗腐蝕性能方面，而對不銹鋼鋼筋的力學性能以及對配置不銹鋼鋼筋構件及結構的受力性能研究仍顯不足[3]。雖然2016年9月27日正式貫通的港珠澳大橋采用了國產不銹鋼鋼筋，但仍缺乏對國產不銹鋼鋼筋結構及構件進行更深入的試驗和研究。

為此，本文總結了國內外不銹鋼鋼筋混凝土的研究現狀，包括不銹鋼鋼筋的抗腐蝕性能研究、不銹鋼鋼筋的基本力學性能研究以及不銹鋼鋼筋混凝土試件力學性能研究。在此基礎上，本文分析了研究現狀中存在的問題和不足，并且提出了目前對于不銹鋼鋼筋混凝土亟需研究的內容和問題，為以后不銹鋼鋼筋的研究提供參考。

1 國內外研究現狀

1.1 不銹鋼鋼筋抗腐蝕性能研究

不銹鋼鋼筋的合金成分包括鉻、鎳、銅、鋁、硅、鉬等，其中主要的兩種合金成分為鉻和鎳，這使得不銹鋼鋼筋在氧化介質中能夠生成致密堅固的鈍化膜，從而具有很好的化學穩(wěn)定性。而且當鉻的含量大于11.7%時，不銹鋼鋼筋的電極電位明顯升高，從而能進一步防止不銹鋼鋼筋的腐蝕[7]。

從上個世紀下半葉開始，國內外學者就對不銹鋼鋼筋的抗腐蝕性能開展了很多研究[8-14]：佐勃等人在1985年對304不銹鋼鋼筋進行了抗腐蝕性研究，研究發(fā)現不銹鋼鋼筋在普通鋼筋開始腐蝕的7～10倍的氯離子濃度下依然沒有明顯的腐蝕；考克斯和弗林在1987年將配有不銹鋼鋼筋和普通低碳鋼筋的試件放在海水中進行抗腐蝕性試驗，結果顯示當普通低碳鋼筋發(fā)生嚴重腐蝕且強度大幅下降時，不銹鋼鋼筋只發(fā)生局部腐蝕且鋼筋強度不受影響；希威特等人也是將配有不銹鋼鋼筋和普通低碳鋼筋的試件放在海水中進行試驗，一年后取出，發(fā)現普通低碳鋼筋試件出現裂縫而不銹鋼鋼筋試件沒有出現裂縫，普通低碳鋼筋出現銹蝕而不銹鋼鋼筋未銹蝕；墨西哥于1937年將AISI304不銹鋼鋼筋應用于ProgresoPier大橋的橋墩部位，該橋墩從建成至今沒有經過一次維修，而且查看發(fā)現鋼筋沒有明顯劣化跡象[15-16]。

1.2 不銹鋼鋼筋基本力學性能

不銹鋼材料一般可以分為以下五種：鐵素體不銹鋼、奧氏體不銹鋼、奧氏體-鐵素體雙相不銹鋼、沉淀硬化不銹鋼、馬氏體不銹鋼。由于不銹鋼鋼筋要用于建筑結構中，所以要求有足夠的強度、較低的硬度、良好的塑性性能。目前建筑結構中常用不銹鋼鋼筋及力學性能見表1[17]。

表1 建筑結構常用不銹鋼鋼筋及力學性能

不銹鋼鋼筋由于添加了合金元素導致其力學性能與普通鋼筋有較明顯的區(qū)別：

（1）不銹鋼鋼筋與普通碳素鋼鋼筋相比，應力應變曲線沒有明顯的屈服平臺；

（2）不銹鋼鋼筋的非線性特征比普通

鋼筋明顯，普通鋼筋的比例極限約為屈服強度的70%，而不銹鋼鋼筋在36%～60%之間[17]；

（3）不銹鋼鋼筋還存在一定的各向異性，其壓縮和拉伸的應力應變曲線不對稱[18]；

（4）國外不銹鋼鋼筋的彈性模量比普通碳素鋼筋的彈性模量略低，但是比較穩(wěn)定，約為190GPa[19]，國產不銹鋼鋼筋的彈性模量比國外不銹鋼鋼筋的彈性模量更低且不穩(wěn)定，其值在1.2～1.8GPa之間，表2中列出了部分國產不銹鋼鋼筋的力學性能測試值[20]；

表2 部分國產不銹鋼鋼筋力學性能測試值

（5）不銹鋼鋼筋的延伸率是普通鋼筋的2倍并且具有良好的應力強化效應，因此具有良好的塑形和延性，同時還具有良好的抗沖擊性和抗疲勞性；

（6）試驗證明不銹鋼鋼筋在高溫和低溫環(huán)境下都具有良好的力學性能，不銹鋼鋼筋在600℃時依然能夠具有有效的強度[17]。

兩種鋼筋的應力-應變曲線對比如圖1，不銹鋼鋼筋的屈服強度一般采用殘余應變?yōu)?.2%對應的條件屈服強度。對于不銹鋼鋼筋的本構模型，Eurocode3建議采用修正Ramberg-Osgood連續(xù)本構關系模型[21]如公式（1）-（3）：

當σ≤fy時,

當 fy≤σ≤fu時,

公式中，n為材料系數，介于3和10之間，fy=σ0.2，是殘余應變?yōu)?.2%時對應的應力，Es是應力應變曲線σ-ε中屈服強度點的切線模量，可以表示為：

圖1 不銹鋼鋼筋和普通鋼筋的應力-應變曲線對比

1.3 不銹鋼鋼筋混凝土結構構件的研究現狀

國內外學者已經相繼進行了一些配置不銹鋼鋼筋的試件的力學性能研究，主要是關于粘結錨固、裂縫撓度、板梁柱抗震性能與疲勞性能等方面的研究。

（1）不銹鋼鋼筋粘結錨固性能研究

美國密西根理工大學的Theresa M.Ahlborn做了191根配置不銹鋼鋼筋混凝土梁的梁端粘結試驗[21]，試驗結果顯示對于粘結長度為10.16～25.4cm的一組構件，其粘結強度與普通鋼筋混凝土的粘結強度相似，而對于粘結長度為13.97～30.48cm的一組構件，其粘結強度低于普通鋼筋混凝土的粘結強度；美國的AASHTO規(guī)范指出，不銹鋼鋼筋混凝土的粘結強度要低于普通鋼筋混凝土的粘結強度[22]，因此對于不銹鋼鋼筋混凝土需要加大錨固長度；張國學等[23]采用國外不銹鋼鋼筋做了27個粘結強度拔出試驗，得出的試驗結論是在表面形狀相同的情況下，不銹鋼鋼筋和普通鋼筋的粘結強度基本相同，可以采用與普通鋼筋相同的錨固長度；李承昌等[24]采用國產不銹鋼鋼筋做了12個粘結性能的試驗并用HRB335的鋼筋做了9個對比試驗。試驗表明兩種鋼筋與混凝土的平均粘結應力沒有明顯差異，而且兩者與混凝土的粘結應力分布規(guī)律基本相同。所以建議不銹鋼鋼筋與混凝土的粘結應力分布規(guī)律以及平均粘結應力可以參照普通鋼筋的進行計算，但是又提出由于不銹鋼鋼筋的強度與普通鋼筋的強度有所差別，所以應該根據不銹鋼鋼筋的強度對其錨固和搭接尺寸進行相應的調整。

（2）鋼筋裂縫及撓度研究

由于不銹鋼鋼筋的延伸率很大而彈性模量較小，所以配置不銹鋼鋼筋構件的裂縫寬度和撓度是需要注意的問題。梁愛華等[25]對配置了Type304不銹鋼鋼筋的梁進行了裂縫寬度試驗，并將裂縫的試驗值與美國混凝土學會試驗標準方法ACI318-89以及英國混凝土結構規(guī)范BS8110提出的裂縫計算公式的計算值相比較。試驗結果表明，當不銹鋼鋼筋的應變小于0.1%時，試驗值與計算值基本符合，而當不銹鋼鋼筋的應變大于0.1%時，試驗值大于計算值，說明不銹鋼鋼筋也具有屈服流限；張國學等[26]采用日本的SUS304不銹鋼鋼筋進行了梁的受彎性能試驗，對梁的裂縫和撓度進行了研究，試驗得出在各級荷載下不銹鋼鋼筋混凝土梁的裂縫寬度和撓度都大于普通鋼筋混凝土梁，梁的裂縫寬度實測值與中國規(guī)范公式的計算值相似，而試驗梁的撓度實測值要大于中國規(guī)范公式的計算值；李承昌等[27]采用國產不銹鋼鋼筋進行了梁的受彎性能試驗，但是由于采用HRB335級鋼筋的對比試驗梁和不銹鋼鋼筋試驗梁并不是等強配筋，所以裂縫寬度和撓度不便對比，只得出不銹鋼鋼筋混凝土梁的裂縫和撓度的發(fā)展以及梁的破壞過程與普通鋼筋混凝土梁相似，不銹鋼鋼筋混凝土梁破壞時的撓度大于普通鋼筋混凝土梁等結論。

（3）板、梁、柱受力性能研究

國內外學者還對不銹鋼鋼筋做了許多梁、板、柱的試驗：S.Alih做了不銹鋼鋼筋混凝土梁的靜力試驗，并將試驗結果與Abaqus軟件的分析結果進行比較，兩者的結果比較接近[28]；張國學、徐永生等[29]進行了不銹鋼鋼筋混凝土梁的靜載試驗，對梁的裂縫寬度、撓度、極限承載力等力學性能進行了試驗研究和理論分析；趙峰、張志浩等[30-31]進行了不銹鋼鋼筋混凝土梁和柱的低周反復加載試驗，試驗結果表明配置不銹鋼鋼筋的梁和柱具有良好的抗震性能；黃嘉偉和張穎等[32，33]進行了不銹鋼鋼筋混凝土梁和板的疲勞試驗，試驗結果表明不銹鋼鋼筋混凝土梁板抗疲勞性良好；李承昌、耿會濤等[34]對配置國產不銹鋼鋼筋的混凝土梁進行靜載試驗，對梁的撓度、開裂彎矩、極限承載力等力學性能進行了試驗研究和理論分析。

2 目前亟待解決的問題

國內外學者雖然對不銹鋼鋼筋混凝土開展了一定數量的研究，但是目前進行的研究工作主要集中在配置國外不銹鋼鋼筋構件上，對上述有明顯特點的國產不銹鋼鋼筋構件的性能研究還不夠充分，仍存在以下急需解決的主要問題：

（1）不銹鋼鋼筋混凝土的粘結性能方面。雖然目前國內外已經完成了一定數量的試驗研究，但是對不銹鋼鋼筋的粘結強度以及粘結錨固機理還沒有得出成熟的結論，還需要對鋼筋的粘結錨固性能進一步深入研究。

（2）不銹鋼鋼筋混凝土的裂縫和撓度方面。目前國產不銹鋼鋼筋的彈性模量明顯偏小（表2），需對配置國產不銹鋼鋼筋混凝土受彎構件的裂縫寬度和撓度開展重點研究，而目前對不銹鋼鋼筋混凝土構件裂縫寬度和撓度的研究非常少，需建立基于不銹鋼鋼筋構件的正常使用狀態(tài)下的裂縫寬度和撓度計算方法。

（3）配置不銹鋼鋼筋的板梁柱的力學性能研究方面。雖然張國學等[29-33]采用國外不銹鋼鋼筋做了板梁柱的試驗研究，但是由于試驗數量有限，不能夠充分考慮混凝土強度、配筋率、配箍率、軸壓比等對試驗構件的影響，所以仍然需要進一步對國產不銹鋼筋梁板柱開展深入的試驗研究。

（4）配置不銹鋼鋼筋整體結構的受力及抗震性能。目前對不銹鋼鋼筋的研究還停留在構件層面，缺乏對不銹鋼鋼筋整體結構的受力及抗震性能的研究。研究與配置普通HRB熱軋鋼筋結構在大震作用下結構非線性動力反應的差異，以及對梁、柱、墻、節(jié)點抗震性能需求的差異即限值等。

（5）對不銹鋼鋼筋結構工程開展工程建設標準編制工作。

3 結論與展望

不銹鋼鋼筋具有良好的抗腐蝕性能，隨著對海洋空間以及地下空間的開發(fā)，不銹鋼鋼筋將會得到越來越多的應用，同時對不銹鋼鋼筋性能研究的需求也會越來越迫切。但是由于不銹鋼鋼筋和普通鋼筋的力學性能具有一定的差異，所以不銹鋼鋼筋的工程應用需要有充足的理論研究作為支撐，尤其是對國產不銹鋼鋼筋及結構的研究更是缺乏，需要國內研究人員及工程技術人員開展更加深入系統(tǒng)的研究工作。

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