均布荷載作用下鋼筋銹蝕深梁受力性能研究

陸榮偉

(江蘇省交通工程建設局，江蘇 南京 210004)

鋼筋銹蝕會導致材料的強度降低、截面面積減小、產生銹脹裂縫，影響混凝土結構的連續性及承載力，改變結構傳力機制，削弱結構剛度，降低橋梁結構耐久性，危及橋梁結構安全[1-6]。

鋼筋混凝土深梁受力性能與普通梁有較大的區別。研究表明，在荷載作用下，深梁的正截面平均應變不符合平截面假定，整個深梁都屬于混凝土結構復雜區(D區)[7-12]，傳統的應力分析方法不能確定深梁的承載力。拉壓桿模型法為設計者們提供了一種力學概念清晰、計算更簡便的方法，可適用于鋼筋混凝土結構D區配筋設計與承載力計算，目前在很多的工程實際中已被證實[13-16]。林園等[17-19]對均布荷載下鋼筋混凝土深梁基于拉壓桿模型的設計進行了研究，研究表明，斜壓桿與拉桿間夾角控制著混凝土的強度、截面尺寸選取。Jungwoong Park等考慮了混凝土開裂、應變協調和剛度變化的拉壓桿模型，建立了計算深梁的承載力公式，根據斜壓桿頂部節點區破壞、鋼筋屈服解釋了深梁破壞模式，并用214根試驗深梁驗證了公式。

扇形壓桿應力跡線在截面上呈現為典型的扇形，而在均布荷載作用下的深梁拉壓桿模型包括扇形壓桿、節點區以及拉桿，如圖1所示。

圖1 均布荷載下深梁壓桿狀態Fig.1 State diagram of deep beams under uniform load

目前，利用拉壓桿模型分析集中力作用下正常情況的深梁性能研究較多，而均布力作用下鋼筋銹蝕后的深梁拉壓桿模型研究較少。為更好地運用拉壓桿模型評估深梁D區鋼筋銹蝕后的承載力，本文開展了均布荷載作用下，不同鋼筋銹蝕率對深梁受力性能以及破壞形態影響試驗研究，進行了全過程加載，分析了不同鋼筋銹蝕率對扇形壓桿受力性能影響。

1 試驗概況

1.1 試件設計

試驗設計了3個深梁試件，編號依次為DB1-1、DB1-2、DB1-3，試件尺寸為960 mm ×550 mm×150 mm，銹蝕率分別為0%、3%、6%。深梁試件的配筋方式和加載方式如圖2所示。

圖2 均布荷載下深梁配筋示意Fig.2 Diagram of deep beam reinforcement under uniform

1.2 材料性能

試驗所用混凝土配合比為：水泥∶細集料∶粗集料∶水∶減水劑=1.000∶1.440∶2.550∶0.360∶0.012，澆筑時在同批混凝土中制作6個標準立方體試塊，試件加載前實測抗壓強度平均值49.59 MPa、標準差0.64，基本達到C50的要求。試件鋼筋采用HPB300，直徑為10 mm，屈服和極限強分別為300、420 MPa。

1.3 試件加速銹蝕試驗

試件銹蝕裝置如圖3所示，采用通電加速銹蝕試驗法，氯化鈉溶液濃度控制為3%～5%，浸泡3 d后通電銹蝕，電流設定為2 A。根據法拉第定律計算每個試件通電時長。通過測量銹蝕后鋼筋質量損失率計算鋼筋銹蝕率，試件中HPB300(D=10 mm)鋼筋實測平均銹蝕率分別為2.21%、5.99%。

圖3 試件銹蝕裝置示意Fig.3 Schematic diagram of the accelerated corrosion test of the panel

1.4 試驗加載裝置及測點布置

試驗裝置(圖4)主要由油壓千斤頂(320 t)、圓形橡膠支座、鋼墊塊(300 mm×200 mm×50 mm)、荷載傳感器、靜態應變采集儀(TDS-303型)以及可控制反力架支座組成。國內外的試驗梁大都采用多點集中力代替均布力加載，且試驗結果精度可靠。因此，試驗采用四點集中力加載來替代均布加載。混凝土應變片在加載點中心和深梁支座中心的連線中點處布置，其中混凝土豎向應變片沿著加載點中心與深梁支座中心的連線布置，編號依次為18、20、22及24，混凝土橫向應變片垂直于加載點中心與深梁支座中心的連線布置，編號依次為19、21、23及25。試驗加載裝置及測點布置如圖5所示。

圖4 試驗設備裝置Fig.4 Test equipment installation

圖5 試驗加載裝置及測點布置示意Fig.5 Test load device and measuring point layout

2 試驗現象結果分析

2.1 試驗現象

各深梁試件裂縫開展情況如圖6所示。根據試驗過程中裂縫出現時間先后對裂縫進行編號，圖6中陰影部分表示梁破壞后混凝土剝落情況。

圖6 深梁試件裂縫開展狀況Fig.6 Development of cracks in deep beam specimen

(1)對于試件DB1-1，當荷載值達到600 kN時，梁跨中出現1號細微裂縫；荷載值達到700 kN時，梁跨中底部出現2號裂縫；荷載值達到800 kN時，支座與加載區連線中點附近出現3號裂縫；荷載值達到900 kN時，梁支座與加載區連線中點附近出現4號斜裂縫；荷載值達到1 300 kN時，梁支座內側與加載區連線附近出現5號裂縫。此后，裂縫數量不再增加。

(2)對于試件DB1-2，當荷載值達到560 kN時，梁跨中出現1號細微裂縫；荷載值達到800 kN時，支座內側與加載區連線中點附近出現2號、3號、4號裂縫；荷載值達到1 000 kN時，梁支座附近出現5號斜裂縫。此后，裂縫數量不再增加。

(3)對于試件DB1-3，荷載值達到576 kN時，梁保護層處出現1號銹脹裂縫；荷載值達到700 kN時，梁另一側保護層處出現2號銹脹裂縫，加載區沿梁底方向出現3號垂直裂縫且跨中出現4號、5號垂直裂縫；荷載值達到750 kN時，支座附近保護層的1號裂縫處混凝土脫空；荷載值達到850 kN時，保護層處大片混凝土剝落破壞。

2.2 試驗結果分析

2.2.1 荷載—撓度關系

3個試件在不同銹蝕率下荷載—跨中撓度關系如圖7所示。從圖7可知，深梁試件在均布力作用下，隨著銹蝕率的增加，壓桿承載力逐漸降低。荷載達到峰值后，試件DB1-3發生破壞，呈脆性破壞特征。相對于淺梁而言，深梁在均布力作用下，剛度比淺梁大，故加載時梁的撓度明顯較淺梁小。

圖7 荷載—跨中撓度關系Fig.7 Relationship of load-span and deflection

隨著荷載值增加，在深梁的跨中最薄弱的截面上產生的彎曲裂縫數量變多、寬度變大。當荷載達到一定值時，會在加載區域與支座連線附近出現斜裂縫。裂縫的形成降低了試驗深梁本身的剛度。由于鋼筋銹蝕產生的銹脹裂縫會導致梁邊緣的混凝土剝落，致使在試件DB1-3的最終破壞發生混凝土保護層附近的梁底支座處。

2.2.2 荷載—裂縫寬度關系

裂縫寬度曲線如圖8所示。根據出現時間對圖8中裂縫進行編號，與圖6一致。由圖8可以看出，DB1-1產生初始裂縫的荷載值為600 kN，DB1-2產生初始裂縫的荷載值為560 kN。在梁的受力過程中，存在相同點是：首先在跨中出現彎曲裂縫，由于梁的跨中正彎矩最大，跨中的混凝土拉應變最大，當跨中達到混凝土極限拉應變即開裂；裂縫展開后，隨著荷載值的增加裂縫寬度增大，裂縫沿梁高方向由梁底面向上發展；當加載到一定荷載值時，沿著支座與加載部位的連線上出現斜裂縫，由裂縫的數量和間距看，銹蝕率越小梁裂縫的數量越多，間距越密。

圖8 荷載—裂縫寬度關系Fig.8 Relationship of load-crack and width

2.2.3 荷載—豎向變形關系

試驗測得斜壓桿在梁高中點處混凝土豎向應變關系曲線如圖9所示，圖9中測點號與圖5一致。由圖9可看出，深梁在均布力作用下斜壓桿處的荷載—混凝土豎向應變關系近似呈線性，由于DB1-3破壞發生在保護層附近，斜壓桿處承擔的力較小，故應變較小。

圖9 荷載—豎向變形關系Fig.9 Relationship of load-vertical deformation

3 破壞模式

通過全過程觀察深梁試件裂縫出現位置和寬度變化、混凝土剝落情況以及最終破壞形態等，可以得出不同鋼筋銹蝕率的深梁試件在均布荷載作用下的破壞模式，如圖10所示。試件初始裂縫在跨中底部附近出現，寬度較小，與梁底面幾乎垂直，隨著荷載值的增大，垂直裂縫會沿著梁高延伸，但寬度發展較小。當跨中附近裂縫延伸到梁高一半時，停止延伸，此后隨著荷載值的增大會使加載區與支座連線附近出現斜裂縫，斜裂縫的出現會直接沿梁截面貫穿，且裂縫寬度變化較大。由于試驗室條件的限制，DB1-1、DB1-2的深梁試件沒有達到破壞荷載，但深梁構件已臨近破壞狀態。DB1-3由于鋼筋銹蝕使保護層裂縫較大，試件最終破壞是由于接近壓桿底部的局部受壓區附近混凝土達到極限壓應變而壓碎。均布荷載作用下，深梁試件壓桿破壞屬于脆性破壞，瞬間發生并伴有轟鳴聲。試驗研究表明，不同的鋼筋銹蝕率對深梁試件壓桿的開裂荷載沒有太大影響，但對于深梁試件壓桿的極限承載力有較大影響，鋼筋銹蝕率越高，其極限承載力越小。

圖10 試件破壞模式Fig.10 Failure modes of tested specimens

4 結論

本文為對均布荷載作用下不同鋼筋銹蝕率深梁試件受力性能試驗研究，分析了荷載—跨中撓度、荷載—裂縫寬度變化、荷載—混凝土豎向應變變形關系及試驗全過程現象。通過以上研究，得到以下結論。

(1)相對于普通梁體，不同的鋼筋銹蝕率對深梁試件壓桿的開裂荷載沒有太大影響，但對于深梁試件壓桿的極限承載力有較大影響，鋼筋銹蝕率越高，其極限承載力越小。

(2)不同銹蝕率下，各深梁試件的破壞模式相同：初始裂縫出現在深梁試件跨中底部附近，隨著荷載值的增大，垂直裂縫會沿著梁高延伸，但寬度發展較小。當跨中附近裂縫延伸到梁高一半時，隨著荷載值的增大會在加載區與支座連線附近出現斜裂縫且直接沿梁截面貫穿，試件的最終破壞由于接近壓桿底部的局部受壓區混凝土達到極限壓應變被壓碎而喪失承載力，產生脆性破壞。