銹蝕HRB500鋼筋混凝土板抗彎性能試驗研究

方亮 周云 易督航

摘? ?要：采用通電方式對配置HRB500級鋼筋和普通鋼筋的混凝土板進行加速銹蝕，并對銹蝕鋼筋混凝土板進行抗彎承載力試驗研究. 對比分析了不同銹蝕程度下鋼筋混凝土板的破壞形態(tài)、抗彎承載能力、荷載-撓度曲線. 同時，通過試驗研究了銹蝕鋼筋受拉性能和黏結性能隨銹蝕程度不同的變化規(guī)律. 考慮板內不同銹蝕程度的鋼筋可能發(fā)生受拉屈服或黏結滑移破壞，提出銹蝕鋼筋混凝土板抗彎承載力計算方法. 經過對比分析，試驗結果與計算模型吻合良好，銹蝕板抗彎承載力計算值與試驗值之比的平均值為1.019，標準差為0.081.

關鍵詞：HRB500級鋼筋;銹蝕;鋼筋混凝土板;抗彎承載力

中圖分類號：TU375.2? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標志碼：A

Experimental Study on Flexural Behavior of Corroded

Reinforced Concrete Slabs with HRB500 Bars

FANG Liang1，2，ZHOU Yun1?，YI Duhang3

（1. College of Civil Engineering，Hunan University，Changsha 410082，China;

2. Engineering College，Hunan Agricultural University，Changsha 410128，China;

3. School of Civil Engineering ，Southwest Jiaotong University，Chengdu 610031，China）

Abstract：The reinforced concrete slabs using HRB500 rebar and ordinary steel rebar were corroded by artificial accelerated method， and four-point bending test was applied on these corroded slabs. The failure modes， flexural capacity， load-deflection curves of the slabs were analyzed by comparing test specimens under different corrosion degree. This study further investigated the relationship between corrosion ratio and deterioration of tensile capacity and bond behavior of corroded steel. Considering the occurrence of reinforcement yielding and bond-slip due to different corrosion degree， a calculation method of flexural bearing capacity of corroded reinforced concrete slab was proposed. A good agreement between calculated values and tested results of the corroded reinforced concrete slab was achieved. The average ratio of calculated values to test results was 1.019， and the standard deviation was 0.081.

Key words：HRB500 bars;corrosion;reinforced concrete slab;flexural bearing capacity

鋼筋混凝土結構中運用強度高、性能好的鋼筋，既能提高構件受力性能、改善其使用功能，又方便拓展結構設計方法，還可以節(jié)省材料，具有十分明顯的經濟效益. 20世紀80年代起國外普遍采用設計強度400 MPa以上的高強鋼筋;歐美國家、日本等20世紀90年代以來對設計強度達500 MPa的鋼筋進行了大面積的推廣應用[1]. Apostolopoulos等[2-3]研究了銹蝕對S500級鋼筋疲勞性能的影響. Sumpter 等[4-5]通過對比試驗研究了配置高強鋼筋和普通鋼筋的混凝土梁，認為使用高強鋼筋可提高抗剪承載力. 我國對高強度鋼筋的研發(fā)和應用起步稍晚，但隨著我國建筑用鋼筋體系不斷完善，HRB500級系列高強鋼筋已進入規(guī)范，并制定了“加快淘汰335 MPa、優(yōu)先使用400 MPa，積極推廣500 MPa螺紋鋼筋”的技術路線[6]，因此全國各研究機構和高校進行了大量試驗研究. 沈宇[7]、徐風波[8]、李瓊[9]分別通過試驗對配置HRB500級鋼筋的混凝土梁的抗彎承載力、正常使用開裂和撓度問題進行了研究. 張艇[10]對HRB500級鋼筋混凝土簡支梁和連續(xù)梁的受彎及受剪性能進行了試驗研究. 江濤[11]對配置HRB500級鋼筋的混凝土框架結構進行了靜力試驗研究. 于秋波[12]通過試驗研究了配置HRB500級鋼筋的部分預應力混凝土梁的受力特點和破壞形態(tài). 王鐵成等[13-14]研究了高強鋼筋混凝土構件在靜力荷載作用下的抗彎、抗剪性能和低周往復荷載作用下的抗震性能. 豐見政[15]對比研究了配置HRB500級鋼筋混凝土梁常溫下和高溫后的力學性能. 金偉良等[16]對銹蝕HRB500級鋼筋混凝土構件的受力性能進行了試驗研究. 總結來看，因鋼筋銹蝕引起的混凝土結構耐久性問題研究周期長、試驗離散性較大，因此目前針對配置HRB500級鋼筋的混凝土構件耐久性問題研究較少[17]. 另外，結合市場調查和工程實際情況發(fā)現，HRB500級系列鋼筋僅在沿海較發(fā)達地區(qū)使用較多，中部地區(qū)普及程度仍然較低. 本次試驗通過對加速銹蝕后的鋼筋混凝土足尺板進行靜力抗彎試驗，結合同等條件下混凝土內銹蝕鋼筋的黏結強度和抗拉強度，對比分析銹蝕對配置HRB500級鋼筋混凝土板抗彎性能的影響，為高強鋼筋混凝土構件耐久性設計以及高強鋼筋在工程中進一步推廣應用提供更多數據支持和研究依據.

式中：N為鋼筋所受拉力，N;d為鋼筋的直徑，mm;l為黏結長度，mm，本次取250 mm.

相對黏結強度kτ為同系列試件中銹蝕試件與未銹蝕試件的黏結強度之比（如圖13所示）. 為簡化計算，不考慮銹蝕率較低時黏結力的提高. 通過回歸分析得到kτ與銹蝕率之間的關系如式（5）. 銹蝕率較低時kτ取1.0，使計算結果偏于安全.

3? ?抗彎承載力試驗結果

3.1? ?試件銹蝕情況

足尺板試件裂縫多出現在板底部對應縱筋的位置，并沿縱向從試件跨中向兩端開展（如圖14所示）. 足尺板側向保護層厚度較大，但也有部分板側面對應縱向鋼筋位置處出現縱向裂縫（S1-1M、S1-2H、S2-2M、S2-2H）. 銹脹裂縫情況詳見圖15（縱向）. 鋼筋銹蝕情況詳見表6.

3.2? ?抗彎破壞形態(tài)

銹蝕鋼筋混凝土板受彎的破壞模式以受壓區(qū)混凝土壓碎破壞為主，破壞過程仍分為3個階段：整體工作階段（彈性）、帶裂縫工作階段（塑性發(fā)展）、破壞階段. 對比圖15中不同試件受力裂縫（橫向）情況，未銹蝕鋼筋混凝土板受彎破壞時，板底和板側產生豐富的受彎裂縫;鋼筋銹蝕構件破壞時，受彎裂縫數量減少. 同系列試件，銹蝕率越高，試件破壞時產生的受力裂縫減少越明顯. 加載過程中，受彎裂縫開展會因既有銹脹裂縫而改變方向. 隨銹蝕率增大，板底受力裂縫開展趨于集中，或產生一條主裂縫. 此情況在鋼筋強度較低的S1-1和S2-1系列試件中更為明顯. 當銹蝕率過高時，由于板底出現橫向發(fā)展的銹脹裂縫，如試件S1-1M和S1-1H受力裂縫與橫向銹脹裂縫重合，其中試件S1-1H因銹蝕率過大，且板底橫向銹脹裂縫開展充分，試件在加載初期就沿橫向銹脹裂縫發(fā)生斷裂.

3.3? ?試件荷載-撓度曲線

圖16所示為試件S、N兩側跨中荷載-撓度曲線（D3，D7）. 同系列試件在加載初期的整體工作階段，未銹蝕試件的荷載-撓度曲線斜率最大，試件曲線斜率隨銹蝕率增大出現不同程度的減小;同系列試件中，未銹蝕試件的屈服階段最明顯，銹蝕試件的屈服過程明顯變短. 配置普通HRB400級鋼筋的試件，當銹蝕率達到15%左右時，基本無明顯的屈服階段;配置HRB500E級高強鋼筋的試件，屈服階段隨銹蝕率增大而變短的幅度較小. 試件S1-1M和S2-1H板側的銹脹裂縫，在加載后期不斷發(fā)展，且與受力裂縫相互影響，使板出現了輕微的扭轉，表現為試件D3和D7處位移差略大. 分析試驗結果（表6）可知，銹蝕率對試件的開裂荷載影響較小. 試件抗彎承載力和跨中撓度值都隨鋼筋銹蝕率增大而減小.

3.4? ?銹蝕率對抗彎性能的影響

定義相對抗彎承載力kM為同系列試件中銹蝕試件抗彎承載力與未銹蝕試件抗彎承載力之比（見表6）. 通過回歸分析可知，試件抗彎承載力隨銹蝕率增大而呈線性減小（如圖17所示）. 對比配置HRB400和HRB500E級鋼筋試件的kM曲線，前者的斜率較后者的大44%. 說明配置HRB500E級鋼筋的試件，抗彎承載力隨銹蝕率增大下降較緩慢，銹蝕后的剩余抗彎承載能力較強.

鋼筋混凝土足尺板剛度隨銹蝕率增加而減小，表現為試件峰值荷載時的跨中撓度隨鋼筋銹蝕率增加而減小. 定義相對跨中撓度kD為同一系列試件中，銹蝕后試件的跨中撓度與未銹蝕試件的跨中撓度之比（見表6）. 試件跨中撓度值隨銹蝕率增大的變化較為離散，但通過對撓度數據進行分析可知，銹蝕后抗彎試件的撓度變化基本符合線性減小的變化規(guī)律（如圖18所示）. 對比配置HRB400和HRB500E級鋼筋試件的kD曲線，跨中撓度下曲線斜率分別為4.34%和2.6%，即隨銹蝕率增大，前者跨中撓度下降率較后者快66.9% （如圖18所示）. 配置HRB500E級鋼筋的試件，跨中撓度隨銹蝕率增大下降較為緩慢，銹蝕后的變形性能更好.

3.5? ?混凝土應變

圖19、圖20分別是試件S2-2H混凝土的荷載-應變圖和跨中截面混凝土的應變沿截面高度變化的情況. 隨銹蝕率增大，鋼筋可能發(fā)生黏結滑移，但通過比較分析發(fā)現，鋼筋屈服或發(fā)生黏結滑移破壞前，試件發(fā)生彎曲變形基本符合平截面假定.

4? ?抗彎承載力計算

4.1? ?試件破壞模式

隨著銹蝕增加，鋼筋的（名義）屈服強度和鋼筋與混凝土的黏結性能都會下降，試件受彎時可能出現鋼筋受拉屈服或黏結滑移2種破壞情況：

式中：Fy，C為鋼筋的屈服拉力，N;Fτ，C為鋼筋與混凝土的黏結力，N;fy，C為受拉鋼筋的屈服強度，MPa，按式（2）計算;d為受拉鋼筋的直徑，mm，取鋼筋的公稱直徑;τC為受拉鋼筋與混凝土的平均黏結強度，MPa，按式（5）計算;lb為受拉鋼筋的計算黏結長度，mm.

4.2? ?承載力計算

經過試驗驗證，銹蝕鋼筋混凝土受彎構件仍基本符合平截面假定. 考慮試件中受拉鋼筋銹蝕不均勻，抗彎承載力計算公式可寫為：

式中：Mu，C為試件的抗彎承載力，N·mm;α1為等效系數，混凝土強度等級不高于C50時取1.0;fc為混凝土軸心抗壓強度，MPa;b為試件截面寬度，mm;h0為試件截面有效高度，mm;Ft，i為每根受拉鋼筋提供的抗拉承載力，N，取Fy，C和Fτ，C中的較小值;n為受拉鋼筋根數.

足尺板抗彎試驗采用四點加載方式，因此計算黏結長度lb = 700 mm. 試件承載力試驗值與計算值的統(tǒng)計分析詳見表6，所有試件抗彎承載力的計算值與試驗值之比的平均值為1.067，標準差為0.113. 其中銹蝕板抗彎承載力的計算值與試驗值之比的平均值為1.019，標準差為0.081，說明計算值與試驗結果吻合較好.

5? ?結? ?論

采用通電方式對配置高強鋼筋和普通鋼筋的混凝土板進行加速銹蝕;通過銹蝕鋼筋抗拉試驗、銹蝕鋼筋混凝土拉拔試驗以及銹蝕鋼筋混凝土板抗彎試驗，對比研究銹蝕對高強鋼筋混凝土板抗彎性能的影響，并根據試驗結果對銹蝕板抗彎承載力進行了計算.

1）通過銹蝕鋼筋單向拉伸試驗測得HRB500E

級和HRB400級銹蝕鋼筋的屈服強度、極限強度和伸長率均隨銹蝕率增加呈線性減小.

2）銹蝕HRB500E級和HRB400級鋼筋半梁式

拉拔試驗結果表明：當銹蝕率<2.6%時，可不考慮銹蝕對鋼筋與混凝土黏結強度的增大影響;銹蝕率>2.6%時，鋼筋與混凝土黏結強度隨銹蝕率增大而線性減小.

3）配置HRB500E級和HRB400級鋼筋的混凝

土板，銹蝕后抗彎性能變化規(guī)律基本一致，即鋼筋銹蝕率增大，試件抗彎承載力和變形性能退化明顯. 其中，試件抗彎承載力和跨中撓度都隨銹蝕率增大而線性減小. 且隨銹蝕率增大，配置HRB400級鋼筋的試件，承載力下降較快，跨中撓度減小更顯著;而配置HRB500E級鋼筋的試件，鋼筋銹蝕后的剩余抗彎承載能力和變形性能都較強.

4）考慮板內縱筋銹蝕程度不統(tǒng)一，建立銹蝕鋼筋混凝土板受彎破壞模式的判別方法，再利用平衡關系，計算銹蝕鋼筋混凝土板抗彎承載力. 計算結果與試驗結果吻合良好.

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