基于加速銹蝕試驗的RC梁抗彎性能劣化研究

孫 馬，周建庭，徐略勤，高 鵬，陽珊清

(重慶交通大學 土木工程學院，重慶 400074)

0 引 言

鋼筋混凝土梁(RC梁)是橋梁結構中使用最廣泛的橋跨類型之一。由于橋梁結構長期暴露在大氣環境中，在碳化、氯離子侵蝕等因素的持續作用下，鋼筋表面的氧化膜被破壞，引發銹蝕，并在鋼筋周圍產生大量氧化物和堿等。這些銹蝕產物的體積是原始成分的2～6倍[1]，導致鋼筋周圍的混凝土輻射狀開裂甚至剝離。鋼筋有效面積的減小以及鋼筋-混凝土黏結強度的下降則進一步削弱了RC梁的承載能力，誘發結構破壞。由于RC梁是橋梁結構的主要承重構件，一旦破壞，后患無窮，因此掌握RC梁抗彎性能的劣化規律對橋梁工程的運營管理和維修加固策略十分重要。

對銹蝕RC梁抗彎性能的研究目前大都集中于抗彎承載能力的計算模型上，如金偉良等[1]提出的考慮鋼筋銹蝕的綜合折減系數；孫彬等[2]通過銹后無黏結RC梁試驗結果提出的銹蝕鋼筋強度利用系數計算公式；張建仁等[3]通過回歸得到的受拉區鋼筋與混凝土的應變關系函數；高向玲等[4]采用試驗數據反推得到的鋼筋應變滯后系數等，這些模型均可在不同范圍內提高銹蝕RC梁抗彎承載能力的預測精度。但現有研究對銹蝕RC梁整體抗彎性能(包括承載能力、塑性變形、破壞模式等)劣化規律的研究仍有不足，邢國華等[5]基于平截面假定推導了低銹損率RC梁的抗彎性能分析模型，但重點不在于劣化規律；陽逸鳴等[6]基于隨機場理論所建立的銹蝕RC梁抗彎承載力時空退化模型對劣化規律有所側重，但模型過于復雜，且沒有試驗驗證。首先開展了12根加速銹蝕RC梁的彎曲破壞試驗，基于試驗全面探討了RC梁抗彎性能隨銹蝕發展的劣化規律，然后在現有抗彎承載模型適用性評估基礎上，提出了RC梁抗彎能力的時變劣化分析模型，以期為在役橋梁的運營管理決策提供參考。

1 試驗概況

1.1 試件設計

試驗梁按照縱筋直徑分為3組，每組分別包含0%、2%、4%、8% 4個目標縱筋銹蝕率，共計12片試驗梁，如表1。試驗梁的寬×高×長為120 mm×180 mm×1 600 mm，混凝土設計強度等級為C30，保護層厚度為20 mm?；炷敛牧系呐浜媳人唷盟蒙埃核槭癁?∶0.51∶1.23∶2.70，水膠比為0.51。受拉鋼筋分別為2根12、14、16 mm HRB335鋼筋，受壓區鋼筋為2根10 mm HPB235鋼筋，箍筋為6 mm HPB235鋼筋，如圖1。在綁扎前，對箍筋和受拉鋼筋進行初銹、稱重和編號。在綁扎時，采用絕緣膠帶和環氧對箍筋和受拉鋼筋進行絕緣處理。

表1 試件設計參數

(1)

根據面積銹蝕率ρA，按式(2)可計算得到縱筋的理論銹蝕深度Xc，其結果列于表1。

(2)

式中：d0為鋼筋未銹時的初始直徑。

1.2 加載測試方案

利用分配梁使試驗梁跨中500 mm范圍成為純彎段，然后采用液壓千斤頂對分配梁施以跨中集中力。為控制加載，在千斤頂上安放壓力傳感器，并與事先標定好的應變儀對接。混凝土應變片粘貼在試驗梁跨中兩側面和跨中頂面，每一側粘貼6片，頂面粘貼1片。鋼筋應變片貼在預留孔中的縱筋表面，粘貼前對銹蝕縱筋進行除銹。為了防止應變片失效，每根縱筋粘貼2片。電子位移計分別安裝在支承點、加載點和跨中等5處。采用分級加載制度，每級荷載5 kN，直到試驗梁達到其承載能力極限狀態，然后轉向持續加載方式，直至試驗梁完全破壞。加載布置如圖2，加載過程產生的試驗數據由電腦同步采集。

2 試驗結果

2.1 試驗梁破壞形態

圖3為3組試驗梁的典型破壞形態。3組梁(B12、B14和B16)的裂縫發展過程具有一定的相似性，即第1條裂縫出現在試驗梁的純彎段，隨著荷載的增加，新裂縫不斷產生，且伴隨著豎裂縫和斜裂縫的延伸和擴展；豎主裂縫持續開展，直至梁頂附近，而斜主裂縫主要朝加載點附近發展；在破壞階段，純彎段靠近加載點附近的受壓區混凝土被壓碎，受拉區混凝土裂縫最大寬度超過2 mm。但3組梁的破壞形態也存在明顯差異，B12組中的B12-0～B12-4 3片梁以豎裂縫為主裂縫，在破壞過程中表現出良好的塑性特征，而B12-8以斜裂縫為主裂縫，塑性水平則明顯下降；同理，B14組的B14-0和B14-2以及B16組的B16-0 3片梁也表現出一定的塑性特征，而這兩組試件中的其他試驗梁均以斜裂縫為主裂縫，破壞模式已由塑性彎曲破壞演化為脆性剪切破壞。由此可見，隨著縱筋銹蝕率的增大，RC梁的塑性變形特征逐漸下降直至消失，破壞模式也可能發生明顯的轉變，這與文獻[9]的研究結論一致。

2.2 正截面混凝土應變分布規律

加載過程中，試驗梁跨中截面的混凝土應變沿梁高的分布規律如圖4。由于裂縫和撓度的持續增大，加載過程中不斷有應變片損壞，因此圖4的應變數據并不完整。由圖可知，當荷載較小時，正截面上混凝土應變沿梁高呈線性分布；隨著荷載的增大，截面中和軸逐漸上移，對于銹蝕率較低的試驗梁，混凝土應變沿梁高基本仍呈線性分布，而對于銹蝕率較高的試驗梁，受壓區混凝土應變的增速高于受拉區混凝土，導致應變的線性分布規律逐漸被打破，平截面假定受到挑戰。對比不同銹蝕率的影響可以看到，在相同荷載等級下，隨著縱筋銹蝕率的提高，跨中截面中和軸的上移幅度更大，混凝土應變非線性分布規律也更明顯，反映出截面的抗彎儲備逐漸被削弱，梁體的抗彎性能明顯下降。

2.3 荷載-撓度曲線

由圖5所示的荷載-跨中撓度曲線可以看到，隨著銹蝕率的增大，RC梁的抗彎承載能力、塑性變形能力均不斷下降，但初始抗彎剛度僅在B14組中表現出較明顯的下降。從曲線趨勢來看，B12組中的前3片梁均具有穩定的承載平臺，塑性水平較高，而銹損最嚴重的B12-8梁則表現出明顯的脆性特征；B14和B16兩組梁的曲線對比規律類似，即未銹梁的曲線具有一定的塑性發展過程，而其余3片銹蝕梁的曲線在達到最大承載能力之后迅速下降，幾乎沒有塑性發展過程，這與圖3的試驗梁破壞形態基本吻合。從極限荷載來看，在B12組中，4片梁的最大荷載分別為69.1、63.0、57.8、51.0 kN，相比未銹梁B12-0的69.1 kN，3種銹蝕率下的B12-2、B12-4和B12-8分別下降了8.83%、16.35%和26.19%；在B14組中，以未銹梁B14-0為基準，3種銹蝕率下的B14-2、B14-4和B14-8分別下降了9.35%、16.19%和20.30%；而在B16組中，3片銹蝕梁B16-2、B16-4和B16-8的極限荷載相比未銹梁B16-0分別下降了-4.59%、6.99%和11.59%。由此可見，由銹蝕所導致的RC梁承載能力和塑性變形能力的下降不可忽視。

3 抗彎承載能力劣化分析

3.1 抗彎承載能力評估

對于銹蝕RC梁的抗彎承載能力評估，目前國內外已有較多分析模型[1-5]。本節從中選取4個典型的模型進行適用性分析，分別是金偉良模型[1]、孫彬模型[2]、張建仁模型[3]和高向玲模型[4]，對比結果如圖6。

由圖6可知，在B12組4片梁中，實測彎矩均高于各模型的理論計算彎矩。其中，孫彬模型的計算誤差和離散性均最小，其最大計算誤差為-11.05%(試驗梁B12-0)，最小誤差為-3.99%(試驗梁B12-4)，平均誤差為-7.42%；而其余3個模型的平均計算誤差均超過-10%。在B14組的4片梁中，金偉良和孫彬模型的計算精度都比較高，前者平均計算誤差為-5.73%，后者僅為0.99%，但金偉良模型的計算離散性較大，誤差范圍為-1.87%～-20.67%，而孫彬模型僅為-0.57%～4.63%；其余兩個模型的平均計算誤差均超過-20%。在B16組的4片梁中，計算精度最高的仍是孫彬模型，誤差分布范圍為-10.30%～4.52%，平均誤差僅-5.47%；而其余3個模型的平均計算誤差均超過-10%，張建仁和高向玲模型的平均誤差超過-30%。圖6的結果表明，對于文中的12片試驗梁來說，孫彬模型可獲得最滿意的計算精度。實際上，上述模型均在某特定假設前提下借助于數學統計方法得到，實用性較強，但對于揭示銹蝕梁抗彎性能退化機理方面仍存在一定的不足。相對來說，孫彬模型的物理意義更加突出一些，因此后文將采用該模型做進一步的研究。

3.2 抗彎承載能力劣化分析方法

根據3.1節的分析結果，本節采用孫彬模型來建立矩形RC梁抗彎承載能力的劣化分析方法。為了得到RC梁承載能力的劣化規律，首先必須建立材料和構件物理和力學屬性的時變分析模型。以氯離子侵蝕環境為例，鋼筋的時變殘余截面積As(t)可按式(3)、式(4)計算：

(3)

(4)

式中：ds(t)和ds0分別為鋼筋服役t年時的殘余直徑和初始直徑；tini為鋼筋初始銹蝕時間；λ為鋼筋銹蝕速率，前者可根據DuraCrete模型得到，后者可根據Stewart的研究[10]得到，分別為：

(5)

(6)

式中：c為保護層厚度；ke、kt、kc分別為環境、試驗方法、養護條件的修正系數；D0為混凝土齡期為t0時的參考氯離子擴散系數；n為時間衰減系數；Cs為混凝土表面的氯離子濃度，其計算公式為Cs=αs(w/h)+βs，w/h為水膠比，αs和βs分別是與環境相關的系數；icor為銹蝕電流密度，可按式(7)計算：

(7)

fy(t)=[1-βyηs(t)]fy0

(8)

式中：βy為鋼筋強度折減系數，根據文獻[10]可取為0.004 9；fy0為鋼筋初始屈服強度。

鋼筋銹蝕產生體積膨脹，造成混凝土內部微裂縫的發展，導致混凝土的強度下降。此外，保護層混凝土也因為鋼筋體積膨脹而沿著鋼筋脹裂，引起RC梁的幾何損傷?；炷烈騼炔课⒘芽p的開展而引起的時變抗壓強度fc(t)可按式(9)計算[11]：

(9)

式中：fck為混凝土抗壓強度標準值；K為鋼筋表面粗糙程度和直徑的相關系數，取K=0.1；ε0為混凝土抗壓強度對應的壓應變，取ε0=0.002；ε1(t)為混凝土開裂后的廣義平均拉應變，一般應小于0.01，可按式(10)計算[11]：

(10)

式中：b0、b(t)分別為RC梁原始及銹蝕后的截面尺寸。其中，b(t)可按式(11)計算[11]：

b(t)=b0+n·wcr=b0+2π(χrs-1)Xc

(11)

式中：n為銹蝕RC梁的縱筋數量；wcr為銹蝕深度為Xc時RC梁裂縫總寬度；χrs為鋼筋銹蝕氧化物體積與未銹蝕時對應的材料體積之比，一般可取χrs=2.0。

根據上述材料和構件物理和力學屬性的時變分析模型，結合孫彬模型，即可建立銹蝕RC梁在氯離子侵蝕環境下抗彎承載能力的劣化分析流程，如圖7。

采用圖7所示的流程計算3組試驗梁抗彎承載能力隨時間的劣化規律，如圖8(a)。由圖可知，隨著鋼筋初銹時間的出現，試驗梁的抗彎承載能力開始不斷下降，早期下降速度較快，后期逐漸趨緩。試驗結果與曲線趨勢基本吻合，表明圖7的分析方法是合理的。

圖7的分析流程是針對試驗梁在氯離子侵蝕環境下的劣化規律提出的，但該分析流程并不僅局限于試驗梁和氯離子環境。在T梁、小箱梁和空心板等橋梁上部結構銹蝕抗彎承載能力的基礎上，結合不同服役環境特點，考慮構件和材料物理和力學性能的時變規律，同樣可以建立這些典型橋梁上部結構的承載能力劣化分析方法。圖8(b)根據牛荻濤提出的一般大氣環境下的材料劣化規律[12]，采用相同的流程，得到了試驗梁在一般大氣環境下的劣化曲線，限于篇幅僅給出結果。由圖可知，在一般大氣環境下，RC梁的抗彎承載能力可維持一段較長時間的穩定，然后才開始逐漸下降。相比氯離子侵蝕環境，一般大氣環境下RC梁抗彎承載能力下降的初始時間更晚，下降的幅度和速度也更小。這與現有工程認知是吻合的，也進一步證明筆者的分析方法可作為RC梁抗彎承載能力劣化的一種實用估算手段，給在役橋梁工程的養護管理決策提供參考。

4 結 論

開展了銹蝕RC梁的抗彎性能試驗，研究了鋼筋銹蝕對RC梁抗彎性能的影響規律，在現有理論模型適用性評估的基礎上，結合氯離子侵蝕環境下的材料時變模型，提出了RC梁抗彎承載能力劣化規律的分析方法，主要結論有：

1)隨著縱筋銹蝕率的增大，RC梁的塑性變形特征逐漸下降直至消失，破壞模式也由塑性的純彎破壞轉變為脆性的剪彎破壞。

2)在相同的荷載等級下，縱筋銹蝕率越大，跨中截面中和軸的上移幅度也越大，平截面假定也逐漸無法滿足，表明RC梁的抗彎儲備逐漸被削弱，抗彎性能不斷下降。

3)隨著縱筋銹蝕率的增大，RC梁荷載-跨中撓度曲線的承載平臺越來越短，極限荷載也越來越?。辉谙嗤P蝕率下，縱筋直徑越大的RC梁曲線承載平臺越短，B14和B16兩組梁中銹蝕程度較大的試驗梁均沒有承載平臺，曲線在達到極限荷載后突然下降。

4)在對12片銹蝕RC梁抗彎承載能力的評估當中，孫彬模型的最大誤差為-11.05%，平均誤差僅-3.97%，計算精度最高，離散性最小。

5)提出的RC梁抗彎承載能力劣化分析方法，可以在氯離子侵蝕環境和一般大氣環境下得到與試驗結果較吻合的劣化曲線，表明該分析方法可用于預測RC梁抗彎承載能力的劣化規律，給在役橋梁工程的養護管理決策提供參考。