锈蚀钢筋压屈承载力试验研究及有限元分析

石泉彬，周桂香

（泰州职业技术学院建筑工程系，江苏泰州 225300）

锈蚀钢筋压屈承载力试验研究及有限元分析

石泉彬，周桂香

（泰州职业技术学院建筑工程系，江苏泰州 225300）

在实验室采用直流电源进行电化学加速锈蚀钢筋，从而获得不同直径、长径比和锈蚀率的锈蚀钢筋试件，然后在万能电子试验机上进行压屈试验，获得锈蚀钢筋压屈承载力曲线。经过统计分析，得到四种形态的锈蚀钢筋压屈承载力计算模型。应用大型有限元分析软件ANSYS对锈蚀钢筋压屈承载力模型进行进一步验证。

锈蚀钢筋；压屈承载力；试验；有限元

在不利乃至恶劣环境的长期作用下，桥梁、海工、水工和工业厂房等建筑物的混凝土构件存在钢筋锈蚀致使承载力降低的现象。对于锈蚀钢筋混凝土柱，除了有纵向钢筋锈蚀问题外，一般都有局部箍筋被锈断，使纵筋侧向约束间距增大而过早发生屈曲，且使柱承载力降低。在评估此类混凝土柱的承载力时，因为现行《混凝土结构设计规范》GB 50010-2002中的柱承载力计算公式是以纵向钢筋仅发生强度破坏而不发生屈曲破坏这一假定为前提的，而在锈蚀钢筋混凝土柱中，锈蚀纵筋已不满足这个假定，使得规范中的计算公式不再适用[1]。为了能准确估算锈蚀钢筋混凝土柱的承载力，则需要研究锈蚀纵筋的压屈行为和压屈承载力，以便提出适用于锈蚀钢筋混凝土柱的计算理论和方法，从而为判断结构加固处理的必要性和对照加固效果提供依据。混凝土构件配筋锈蚀导致受压混凝土延性受损的危害将在另外课题中研究。

1 试验介绍

试件采用上海宝山钢铁公司生产的HRB 335钢筋制作，共计256根，其中部分留作材性试验。钢筋的规格分别为 φ18、φ20、φ22、φ12、φ20和φ12。如图1所示，考虑相邻箍筋锈断2根至3根时的服役情况，取受压标距为L=100㎜-600㎜，试件两端预留其在试验机中的夹持长度C=80㎜，图中d c为钢筋试件锈蚀后的平均直径。

图1 试件尺寸

为模拟真实结构中钢筋的锈蚀环境，将钢筋试件3根一组浇筑在混凝土条形块中。混凝土条形块尺寸：L×200㎜×100㎜，其中L分别取100㎜、200㎜、300㎜、400㎜、500㎜和600㎜。钢筋试件在混凝土条形块中的布置为：钢筋每端伸出混凝土80㎜，保护层厚度为25㎜。混凝土标号设计为C 20，在施工现场浇筑，工地养护。28天后，运回试验室放置在3%-5%的氯化钠溶液中进行电化学加速锈蚀（见图2）。

钢筋锈损量采用 Fara DAy定律[2]进行估算而加以控制：

式中，△m为钢筋锈蚀质量损失量（g）；A为锈蚀物的原子量，对于钢材A=56；I为电流强度（A）；t为通电时间（s）；Z为反应电极化学价（＋2）；F为常数，一般可取F=96500A·s。

为了方便应用，取钢筋密度为7.85×10-3g/mm3，将钢筋锈蚀质量损失量用锈蚀率表

图2 钢筋锈蚀试验装置

式中，t为通电时间（h）；D为钢筋直径（mm）；L为混凝土中钢筋长度（mm）；I为电流强度（A）；ηs为锈蚀钢筋质量损失率（%），定义为试件锈蚀率，控制为0%、10%、20%和30%四种。

钢筋压屈试验在同济大学力学实验中心进行，采用带有液压夹头的CSS 44500万能电子试验机 （见图 3） 加载。试验加载速率设为1mm/min，由计算机自动采集试验数据并屏幕显示试件的轴向荷载-位移曲线，当钢筋屈曲后承载力降为极限承载力的30%时结束加载。此后，通过酸洗称重测定锈蚀试件的实际锈蚀率。示，同时将时间单位换算为小时（h），则可得钢筋锈蚀时间估算公式：

图3 试验装置

2 试验曲线

压屈试验共获得197根试件的轴向荷载-位移曲线。依据钢筋试件受压段长度L与锈蚀后的平均直径D之比，试验曲线大致可分为四种类型的压屈行为。

2.1 A类曲线

当L/D≤8时，明显的强化段在此类试验曲线中呈现，表现出典型的强度破坏特征，与对应拉伸曲线形态相似。此类试件的L/D很小，可看成柱箍加密区箍筋未被锈断的情况，如图4所示。

2.2 B类曲线

当8＜L/D≤15时，该类试件的极限荷载Pu能与钢筋屈服时对应的荷载接近。试验曲线在达到Pu前大致呈线性，曲线达到Pu后呈线性缓慢降低而且无强化段。此类试件L/D较小，可看成柱箍非加密区箍筋未被锈断的情况，如图5所示。

图4 A类试验曲线

图5 B类试验曲线

2.3 C类曲线

当15＜L/D≤49时，此类钢筋试件的极限荷载Pu通常明显低于全截面屈服所对应的荷载。当荷载达到Pu前，曲线表现出较明显的非线性特征，达到Pu后钢筋试件的承载力陡然下降，此类试件L/D较大，可看成柱箍筋有锈断的情况，如图6所示。

图6 C类试验曲线

2.4 D类曲线

当49＜L/D时，此类钢筋试件极限荷载Pu比其全截面屈服荷载降低很多，达到Pu前，试验曲线表现出明显的非线性，达到Pu后试件承载力呈平缓趋势减小。试件L/D大，可看成柱端有多根箍筋发生锈断的情况，如图7所示。

3 承载力的物理模型和计算公式

3.1 物理模型

由以上的试验曲线可归纳出锈蚀钢筋压屈的物理模型，如图8a至d所示。

图7 D类试验曲线（φ12）

图8 锈蚀钢筋压屈的物理模型

钢筋试件四类曲线的物理模型中与压屈应变εu相应的应力σu计算式可分别拟合为：

式中fy为钢筋的屈服应力。

3.2 计算公式

依据上述锈蚀钢筋压屈物理模型，经过分析可以获得锈蚀钢筋应力σs与应变εs的计算公式分别为：

式中，Es为钢筋的弹性模量。

4 有限元分析

为了验证锈蚀钢筋压屈承载力计算模型，应用大型有限元分析软件ANSYS对锈蚀钢筋纵向压屈行为进一步研究，编写ANSYS命令流进行分析，选取钢筋压屈试验中的4种直径、不同锈蚀率的部分钢筋试件，对其压屈试验曲线、A NS Y S分析曲线与计算模型曲线作对比（见图9）。比较表明：（1）对于A类曲线，计算模型曲线与ANSYS分析获得的曲线吻合较好，而与试验曲线相比，计算模型和ANSYS分析都未考虑钢筋屈曲后的强化段，而试验曲线具有强化段；对于B类、C类和D类曲线本构模型，计算模型曲线、ANSYS分析曲线和试验曲线三者能较好地吻合。（2）试件为非均匀锈蚀，而ANSYS分析模型为均匀“锈蚀”，两者的承载曲线能较好地吻合，说明试件表面锈蚀的不均匀程度对试验结果的影响不大。（3）计算模型曲线与试验曲线和ANSYS分析曲线相比，其峰值相差约为2%-6%，可见，所述本构关系的计算精度可控制在90%以内。

图9 四类曲线的试验、分析与计算比较

5 确定ηs和L/D的方法

基于长期的调研和试验研究，文献[3]提出了不同锈蚀胀裂情况下钢筋截面损失率的大致范围（见表 1）[3]。

表1 构件锈胀状态与钢筋重量损失率（ηs）

在非破损条件下，依据纵筋裂缝测量宽度、保护层厚度、钢筋直径和混凝土强度这些参数，推算钢筋锈蚀率，可采用文献[4]所给出的关系公式:

（1） 位于角部的I级钢筋（圆钢）：

式中，ηs为钢筋重量损失率（%）；d为钢筋直径（mm）；c为混凝土保护层厚度（mm）；fcu为混凝土立方体抗压强度（MPa）；w为混凝土表面锈胀裂缝宽度（mm）[4]。

在现场，可采用R 71钢筋位置和锈蚀测定仪（见 图 10） ，检测钢筋混凝土内部钢筋直径、位置、分布，钢筋的混凝土保护层厚度及钢筋的锈蚀程度。通过专用数据处理软件，可以获得较为精确的纵筋锈蚀率ηs和长径比L/D。依据工程应用情况，其误差可控制在5%左右。

图10 R71钢筋位置和锈蚀测定仪

6 结语

本文通过锈蚀钢筋系列化压屈试验研究，提出了锈蚀钢筋压屈承载力计算模型。所提出的四类曲线的计算公式，其承载力曲线能较好地与试验曲线和ANSYS有限元分析结果吻合。依据试验研究结果，可提出锈蚀钢筋压屈承载力降低系数κu，取κu＝σsu/fy，该系数用于修正现行规范中计算公式的钢筋承载力项次，从而可准确估算锈蚀钢筋混凝土柱的承载力退化情况。

[1]GB 50010-2002,混凝土结构设计规范[S].北京:中国建筑工业出版社,2002.

[2]蒋凤昌.锈蚀钢筋混凝土柱承载力试验与研究[D].上海:同济大学,2008.

[3]邸小云,周燕.旧建筑物的检测加固与维护[M].北京:地震出版社,1992.

[4]惠云玲.混凝土结构中钢筋锈蚀程度评估和预测试验研究[J].工业建筑,1997,（6）:7-10+50.

Experimental Study and Finite Element Analysis of the Buckling Capacity of Corroded Reinforcements

SHI Quan-bin,ZHOU Gui-xiang
（Taizhou Polytechnic College,Taizhou Jiangsu 225300,China）

Corroded reinforcements,with various diameters,length-to-diameter ratios and corrosion rates,are obtained from the lab by using DC electrical sources to accelerate corrosion.The buckling capacity curves of corroded reinforcements are gained from electronic universal testing machine in the buckling test.The buckling capacity computational model of corroded reinforcement can be generalized in four types that are verified by the application of finite element analysis software ANASYS.

corroded reinforcement;buckling capacity;test;finite element analysis

TU 311，TU 375

A

1671-0142（2011）05-0043-05

石泉彬（1978-）,男,江苏靖江人,讲师.

（责任编辑李冠楠）