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(shè)局，江蘇 南京 210004)

鋼筋銹蝕會(huì)導(dǎo)致材料的強(qiáng)度降低、截面面積減小、產(chǎn)生銹脹裂縫，影響混凝土結(jié)構(gòu)的連續(xù)性及承載力，改變結(jié)構(gòu)傳力機(jī)制，削弱結(jié)構(gòu)剛度，降低橋梁結(jié)構(gòu)耐久性，危及橋梁結(jié)構(gòu)安全[1-6]。

鋼筋混凝土深梁受力性能與普通梁有較大的區(qū)別。研究表明，在荷載作用下，深梁的正截面平均應(yīng)變不符合平截面假定，整個(gè)深梁都屬于混凝土結(jié)構(gòu)復(fù)雜區(qū)(D區(qū))[7-12]，傳統(tǒng)的應(yīng)力分析方法不能確定深梁的承載力。拉壓桿模型法為設(shè)計(jì)者們提供了一種力學(xué)概念清晰、計(jì)算更簡(jiǎn)便的方法，可適用于鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)D區(qū)配筋設(shè)計(jì)與承載力計(jì)算，目前在很多的工程實(shí)際中已被證實(shí)[13-16]。林園等[17-19]對(duì)均布荷載下鋼筋混凝土深梁基于拉壓桿模型的設(shè)計(jì)進(jìn)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(qiáng)度、截面尺寸選取。Jungwoong Park等考慮了混凝土開裂、應(yīng)變協(xié)調(diào)和剛度變化的拉壓桿模型，建立了計(jì)算深梁的承載力公式，根據(jù)斜壓桿頂部節(jié)點(diǎn)區(qū)破壞、鋼筋屈服解釋了深梁破壞模式，并用214根試驗(yàn)深梁驗(yàn)證了公式。

扇形壓桿應(yīng)力跡線在截面上呈現(xiàn)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(jié)點(diǎn)區(qū)以及拉桿，如圖1所示。

圖1 均布荷載下深梁壓桿狀態(tài)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(yùn)用拉壓桿模型評(píng)估深梁D區(qū)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(duì)深梁受力性能以及破壞形態(tài)影響試驗(yàn)研究，進(jìn)行了全過(guò)程加載，分析了不同鋼筋銹蝕率對(duì)扇形壓桿受力性能影響。

1 試驗(yàn)概況

1.1 試件設(shè)計(jì)

試驗(yàn)設(shè)計(jì)了3個(gè)深梁試件，編號(hào)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(yàn)所用混凝土配合比為：水泥∶細(xì)集料∶粗集料∶水∶減水劑=1.000∶1.440∶2.550∶0.360∶0.012，澆筑時(shí)在同批混凝土中制作6個(gè)標(biāo)準(zhǔn)立方體試塊，試件加載前實(shí)測(cè)抗壓強(qiáng)度平均值49.59 MPa、標(biāo)準(zhǔn)差0.64，基本達(dá)到C50的要求。試件鋼筋采用HPB300，直徑為10 mm，屈服和極限強(qiáng)分別為300、420 MPa。

1.3 試件加速銹蝕試驗(yàn)

試件銹蝕裝置如圖3所示，采用通電加速銹蝕試驗(yàn)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(shè)定為2 A。根據(jù)法拉第定律計(jì)算每個(gè)試件通電時(shí)長(zhǎng)。通過(guò)測(cè)量銹蝕后鋼筋質(zhì)量損失率計(jì)算鋼筋銹蝕率，試件中HPB300(D=10 mm)鋼筋實(shí)測(cè)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(yàn)加載裝置及測(cè)點(diǎn)布置

試驗(yàn)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(tài)應(yīng)變采集儀(TDS-303型)以及可控制反力架支座組成。國(guó)內(nèi)外的試驗(yàn)梁大都采用多點(diǎn)集中力代替均布力加載，且試驗(yàn)結(jié)果精度可靠。因此，試驗(yàn)采用四點(diǎn)集中力加載來(lái)替代均布加載。混凝土應(yīng)變片在加載點(diǎn)中心和深梁支座中心的連線中點(diǎn)處布置，其中混凝土豎向應(yīng)變片沿著加載點(diǎn)中心與深梁支座中心的連線布置，編號(hào)依次為18、20、22及24，混凝土橫向應(yīng)變片垂直于加載點(diǎn)中心與深梁支座中心的連線布置，編號(hào)依次為19、21、23及25。試驗(yàn)加載裝置及測(cè)點(diǎn)布置如圖5所示。

圖4 試驗(yàn)設(shè)備裝置Fig.4 Test equipment installation

圖5 試驗(yàn)加載裝置及測(cè)點(diǎn)布置示意Fig.5 Test load device and measuring point layout

2 試驗(yàn)現(xiàn)象結(jié)果分析

2.1 試驗(yàn)現(xiàn)象

各深梁試件裂縫開展情況如圖6所示。根據(jù)試驗(yàn)過(guò)程中裂縫出現(xiàn)時(shí)間先后對(duì)裂縫進(jìn)行編號(hào)，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?fàn)顩rFig.6 Development of cracks in deep beam specimen

(1)對(duì)于試件DB1-1，當(dāng)荷載值達(dá)到600 kN時(shí)，梁跨中出現(xiàn)1號(hào)細(xì)微裂縫；荷載值達(dá)到700 kN時(shí)，梁跨中底部出現(xiàn)2號(hào)裂縫；荷載值達(dá)到800 kN時(shí)，支座與加載區(qū)連線中點(diǎn)附近出現(xiàn)3號(hào)裂縫；荷載值達(dá)到900 kN時(shí)，梁支座與加載區(qū)連線中點(diǎn)附近出現(xiàn)4號(hào)斜裂縫；荷載值達(dá)到1 300 kN時(shí)，梁支座內(nèi)側(cè)與加載區(qū)連線附近出現(xiàn)5號(hào)裂縫。此后，裂縫數(shù)量不再增加。

(2)對(duì)于試件DB1-2，當(dāng)荷載值達(dá)到560 kN時(shí)，梁跨中出現(xiàn)1號(hào)細(xì)微裂縫；荷載值達(dá)到800 kN時(shí)，支座內(nèi)側(cè)與加載區(qū)連線中點(diǎn)附近出現(xiàn)2號(hào)、3號(hào)、4號(hào)裂縫；荷載值達(dá)到1 000 kN時(shí)，梁支座附近出現(xiàn)5號(hào)斜裂縫。此后，裂縫數(shù)量不再增加。

(3)對(duì)于試件DB1-3，荷載值達(dá)到576 kN時(shí)，梁保護(hù)層處出現(xiàn)1號(hào)銹脹裂縫；荷載值達(dá)到700 kN時(shí)，梁另一側(cè)保護(hù)層處出現(xiàn)2號(hào)銹脹裂縫，加載區(qū)沿梁底方向出現(xiàn)3號(hào)垂直裂縫且跨中出現(xiàn)4號(hào)、5號(hào)垂直裂縫；荷載值達(dá)到750 kN時(shí)，支座附近保護(hù)層的1號(hào)裂縫處混凝土脫空；荷載值達(dá)到850 kN時(shí)，保護(hù)層處大片混凝土剝落破壞。

2.2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.2.1 荷載—撓度關(guān)系

3個(gè)試件在不同銹蝕率下荷載—跨中撓度關(guān)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(dá)到峰值后，試件DB1-3發(fā)生破壞，呈脆性破壞特征。相對(duì)于淺梁而言，深梁在均布力作用下，剛度比淺梁大，故加載時(shí)梁的撓度明顯較淺梁小。

圖7 荷載—跨中撓度關(guān)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(chǎn)生的彎曲裂縫數(shù)量變多、寬度變大。當(dāng)荷載達(dá)到一定值時(shí)，會(huì)在加載區(qū)域與支座連線附近出現(xiàn)斜裂縫。裂縫的形成降低了試驗(yàn)深梁本身的剛度。由于鋼筋銹蝕產(chǎn)生的銹脹裂縫會(huì)導(dǎo)致梁邊緣的混凝土剝落，致使在試件DB1-3的最終破壞發(fā)生混凝土保護(hù)層附近的梁底支座處。

2.2.2 荷載—裂縫寬度關(guān)系

裂縫寬度曲線如圖8所示。根據(jù)出現(xiàn)時(shí)間對(duì)圖8中裂縫進(jìn)行編號(hào)，與圖6一致。由圖8可以看出，DB1-1產(chǎn)生初始裂縫的荷載值為600 kN，DB1-2產(chǎn)生初始裂縫的荷載值為560 kN。在梁的受力過(guò)程中，存在相同點(diǎn)是：首先在跨中出現(xiàn)彎曲裂縫，由于梁的跨中正彎矩最大，跨中的混凝土拉應(yīng)變最大，當(dāng)跨中達(dá)到混凝土極限拉應(yīng)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(fā)展；當(dāng)加載到一定荷載值時(shí)，沿著支座與加載部位的連線上出現(xiàn)斜裂縫，由裂縫的數(shù)量和間距看，銹蝕率越小梁裂縫的數(shù)量越多，間距越密。

圖8 荷載—裂縫寬度關(guān)系Fig.8 Relationship of load-crack and width

2.2.3 荷載—豎向變形關(guān)系

試驗(yàn)測(cè)得斜壓桿在梁高中點(diǎn)處混凝土豎向應(yīng)變關(guān)系曲線如圖9所示，圖9中測(cè)點(diǎn)號(hào)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(yīng)變關(guān)系近似呈線性，由于DB1-3破壞發(fā)生在保護(hù)層附近，斜壓桿處承擔(dān)的力較小，故應(yīng)變較小。

圖9 荷載—豎向變形關(guān)系Fig.9 Relationship of load-vertical deformation

3 破壞模式

通過(guò)全過(guò)程觀察深梁試件裂縫出現(xiàn)位置和寬度變化、混凝土剝落情況以及最終破壞形態(tài)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(xiàn)，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(huì)沿著梁高延伸，但寬度發(fā)展較小。當(dāng)跨中附近裂縫延伸到梁高一半時(shí)，停止延伸，此后隨著荷載值的增大會(huì)使加載區(qū)與支座連線附近出現(xiàn)斜裂縫，斜裂縫的出現(xiàn)會(huì)直接沿梁截面貫穿，且裂縫寬度變化較大。由于試驗(yàn)室條件的限制，DB1-1、DB1-2的深梁試件沒(méi)有達(dá)到破壞荷載，但深梁構(gòu)件已臨近破壞狀態(tài)。DB1-3由于鋼筋銹蝕使保護(hù)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(qū)附近混凝土達(dá)到極限壓應(yīng)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(fā)生并伴有轟鳴聲。試驗(yàn)研究表明，不同的鋼筋銹蝕率對(duì)深梁試件壓桿的開裂荷載沒(méi)有太大影響，但對(duì)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(jié)論

本文為對(duì)均布荷載作用下不同鋼筋銹蝕率深梁試件受力性能試驗(yàn)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(yīng)變變形關(guān)系及試驗(yàn)全過(guò)程現(xiàn)象。通過(guò)以上研究，得到以下結(jié)論。

(1)相對(duì)于普通梁體，不同的鋼筋銹蝕率對(duì)深梁試件壓桿的開裂荷載沒(méi)有太大影響，但對(duì)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(xiàn)在深梁試件跨中底部附近，隨著荷載值的增大，垂直裂縫會(huì)沿著梁高延伸，但寬度發(fā)展較小。當(dāng)跨中附近裂縫延伸到梁高一半時(shí)，隨著荷載值的增大會(huì)在加載區(qū)與支座連線附近出現(xiàn)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(qū)混凝土達(dá)到極限壓應(yīng)變被壓碎而喪失承載力，產(chǎn)生脆性破壞。