钢筋锈蚀混凝土梁刚度简析

孙晓东,仲志鸿

(1.常州市规划设计院,江苏 常州 213003;2.常州市排水管理处,江苏 常州 213003)

1 钢筋锈蚀混凝土梁研究现状

安全性(承载能力)和适用性是钢筋混凝土构件研究的两个方面。结构承载能力方面的研究工作相对较多;结构适用性的重要体现—结构的刚度,在正常情况下几乎都能够满足要求,相应的研究工作比前者少。当构件钢筋锈蚀后,对构件刚度变化规律的研究则具有实际意义。文献[1]、[2]所取得的成果主要集中于定性分析。量化分析方面,文献[3]通过对试验结果的分析发现,采用在梁刚度计算模式基础上进行修正的方法,能够反映其退化规律。提出锈蚀梁刚度计算公式如式(1)。

式中:ηT为由于锈蚀使粘结力下降引起的梁整体刚度变化系数。Asi为第 i根钢筋锈损后的剩余截面面积,ηi为第i根钢筋锈蚀使粘结力下降引起的梁刚度退化系数,As为钢筋未锈蚀时的截面总面积;λi为第 i根钢筋的锈蚀深度(单位:mm)。该方法是一个简化模型,建立的前提是均匀锈蚀,实际工程中结构的钢筋锈蚀是不均匀的。其他的量化研究工作也仅是提出了一些建议[4]。本文分析影响锈蚀钢筋混凝土梁刚度变化的各个因素,比较锈蚀梁与对比梁(非锈蚀梁),得出影响锈蚀构件刚度变化的主要因素—主筋锈蚀率,并结合试验数据,提出锈蚀钢筋混凝土梁抗弯刚度的计算方法,建立抗弯刚度随钢筋锈蚀量的变化模型。

2 钢筋锈蚀混凝土梁试验

2.1 试件

设计 9根试验梁 L0～L8,混凝土强度等级 C30,混凝土设计配合比(kg/m3)为 R42.5水泥∶砂∶石子∶水 =1∶2.23∶3.08∶0.54(混凝土塌落度为 30～70mm)。梁的截面尺寸 b×h=150mm×300mm,梁长 l=3600mm。主筋:2根 20mm的 HRB335级钢筋,保护层厚度 25mm;箍筋: 8mm间距 150mm HPB235级钢筋。实验设计对钢筋混凝土梁中的主筋进行加速锈蚀,为防止箍筋的锈蚀,在箍筋可能与盐溶液接触的表面涂防锈漆。

2.2 锈蚀

将待锈蚀钢筋部位的混凝土梁 L1～L8埋入用 4%氯化钠溶液浇湿的砂中,以待锈钢筋作阳极,以埋入湿盐砂中的铜丝作为阴极,用 12V直流电源通电,并对每一试件的通电时间和电流强度进行记录。根据法拉第定律,通过控制锈蚀电流密度和锈蚀时间控制钢筋的平均锈蚀深度,试验后取出锈蚀主筋通过称量法得出主筋平均锈蚀率。

2.3 静力加载

对梁 L0～L8(L0为主筋未锈蚀梁)分五级静力加载,荷载上限值为 33 kN,第一级至第五级荷载值依次为 6 kN、13 kN、20 kN、26 kN、33 kN。跨中挠度实测量值如表1。

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3 试验结果讨论

分析影响锈蚀混凝土梁的抗弯刚度的因素,除规范考虑的因素外,添加了由钢筋锈蚀所引起的粘结力刚度变化影响系数 ηT。文献[4]考虑不够全面,因为钢筋的锈蚀是一个长期的过程,锈蚀率的变化是连续的。且在该过程中,随锈蚀增加,锈蚀钢筋和混凝土之间的粘结力并不是单调下降,而是先增加后下降。故上述文献中的 ηT并非是单调减函数。因此本文将锈蚀刚度变化影响系数考虑为锈蚀率的连续函数,用 ηr=η(r,f)表示,其中 r为锈蚀率,f为不均匀锈蚀度。因此,锈蚀钢筋混凝土梁刚度计算公式表示如式(2)。

从目前的研究进展来看,要获取锈蚀刚度变化影响系数,只能由实验来获取。要分别考虑两个因素的影响有一定的困难。构造锈蚀刚度影响系数函数如式(3)。

式中:a为锈蚀梁刚度转折点钢筋的锈蚀率(在本文中,梁主筋锈蚀率达 8.04%时梁的整体刚度发生转折,即 a=8.04%);α1、α2为待定系数,可由实验统计分析获得。因此这几个参数都是经验数据,对工程实际的应用具有指导作用。

根据本试验所测结果,计算在不同锈蚀率状态下梁的刚度影响系数(与对比梁相比,设对比梁的刚度为 1),根据挠度值(表1)可求得各梁整体刚度,比较锈蚀梁与非锈蚀梁的刚度得表2。

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从表中结果可以明显看出,以对比梁为标准,在一定锈蚀量的范围内,锈蚀梁的刚度大于非锈蚀梁,且随锈蚀率的增加而变化(虽然试验数据具有一定的离散性),锈蚀梁的整体刚度随锈蚀率增加而变化的总趋势:先增加后下降。

4 小 结

(1)根据《混凝土结构设计规范》(GB 50010-2002)提出的计算钢筋混凝土梁的抗弯刚度公式,分析相关文献中对锈蚀钢筋混凝土梁刚度的计算模型,指出计算模型中的不足之处。

(2)根据本试验的测试数据,提出计算锈蚀钢筋混凝土梁的抗弯刚度模型,确定模型中的参数,需要更多的实验支持。

(3)分析实验数据,得出锈蚀率是影响锈蚀钢筋混凝土梁刚度的重要因素,提出锈蚀钢筋混凝土梁的修正刚度计算公式。在一定锈蚀率范围内,锈蚀梁的整体刚度随锈蚀率增加先增加后下降。

[1]任宝双,钱稼茹,聂建国.在用钢筋混凝土简支桥面梁受弯刚度估算[J].工业建筑,2001,31(1):13-15

[2]惠云玲.混凝土受弯构件腐蚀前后构件性能试验研究报告[J].冶金建筑研究,1995(7)

[3]王庆霖,池永亮,牛荻涛.锈后无粘结钢筋混凝土梁的模拟试验与分析[J].建筑结构,2001,31(4):51-53,63

[4]孙彬,牛荻涛,王庆霖.锈蚀钢筋混凝土梁抗弯刚度分析与计算[J].建筑结构,2004,34(10):42-45