锈蚀钢筋混凝土梁受弯承载力的计算分析

肖长永，杜志云，郭 超，夏江波

（湖北工业大学土木工程与建筑学院，湖北 武汉430068）

近年来，国内外学者对锈蚀后钢筋混凝土梁的性能进行了大量的研究，研究表明，锈蚀后的钢筋混凝土梁结构性能的退化主要表现在承载力和结构延性的降低.目前针对锈蚀后钢筋混凝土梁性能退化的研究主要集中在三个方面：

1）锈蚀后钢筋的有效截面面积减少，钢筋的力学性能退化，钢筋截面损失和力学性能退化对构件的承载力有很大的影响.

2）锈蚀后的钢筋与混凝土间的粘结力会发生变化，从而影响钢筋与混凝土的粘结性能，使钢筋不能充分发挥其强度，这也会对构件的承载力和刚度产生较大影响.

3）钢筋锈蚀后体积膨胀，锈蚀量的增大会将混凝土保护层胀裂，产生顺筋裂缝，直至使其保护层脱落，将外围混凝土分割，使参与受力的混凝土截面面积减少.

本文综合考虑锈蚀钢筋的截面损伤和锈蚀钢筋力学性能的改变、钢筋与混凝土粘结性能的退化造成的钢筋与混凝土协同工作系数的变化、以及构件截面损伤三方面因素，并在现行规范的基础上，通过理论推导得出锈蚀后钢筋混凝土梁的抗弯承载力计算公式.

1 质量锈蚀率（ηq）与截面锈蚀率（ηs）之间的关系

混凝土中钢筋锈蚀后，重量减轻，截面减小，锈蚀率较小时可以认为ηq与ηs相当，当锈蚀率较大时ηq与ηs离散较大，关于ηq与ηs之间的定量关系，王雪惠等［1］给出了在一定锈蚀率范围内两者之间的换算关系：

2 锈蚀后钢筋混凝土梁的抗弯承载力

2.1 锈蚀钢筋截面损伤和力学性能的退化对承载力的影响

当截面损失小于5%时，锈蚀程度轻，钢筋锈蚀较均匀，锈蚀对钢筋的力学性能影响不大，随锈蚀程度的加大，钢筋的坑锈越来越严重，不均匀锈蚀程度加大，钢筋受力拉伸时，产生应力集中，在截面削弱较大处（坑锈较深处）钢筋提前屈服，此时其它截面钢筋并未屈服，直至被拉断，颈缩现象不明显，钢筋的伸长率下降较明显，塑性降低，张克波等［2］认为锈蚀引起实际屈服强度和实际极限强度下降并不明显，且实际极限强度（锈蚀后极限荷载／锈蚀后钢筋截面面积）降低速度快于实际屈服强度（锈蚀后屈服荷载／锈蚀后钢筋截面面积）降低速度.

由文献［2］可得锈蚀后实际屈服强度（fycor）与初始屈服强度（fy）的关系

锈蚀后钢筋截面积与初始截面积的关系式

2.2 钢筋与混凝土粘结性能的退化对钢筋与混凝土协同工作的影响

钢筋锈蚀后在钢筋与混凝土之间形成一层疏松的氧化物，使钢筋与混凝土之间的胶结作用降低，钢筋的锈蚀产物体积比未锈蚀的钢筋体积增大，随着锈蚀程度的加大，钢筋的锈蚀产物体积膨胀，使混凝土保护层产生环向拉力，当其环向拉力大于混凝土的抗拉强度时，混凝土保护层被胀裂，构件沿钢筋长度方向产生顺筋裂缝，使钢筋与混凝土之间的约束作用减弱，粘结强度降低，钢筋与混凝土之间产生滑移，从而影响着钢筋强度的发挥，影响着钢筋混凝土梁整体刚度，最终降低钢筋与混凝土间的协同工作性能.

根据文献［3］可得混凝土纵向裂缝宽度 （ω：mm）与截面锈蚀率（ηs）的关系式

整理可得

根据文献［4］、［5］，同时结合式（7）可得不同裂缝宽度（ω：mm）下锈蚀钢筋与混凝土的协同工作系数Ks

2.3 构件截面损伤对承载力的影响

当锈蚀量较少时，锈胀裂缝未出现，混凝土保护

λ为混凝土损伤相对高度，λ＝ （hp－0.75d）／d；hp为混凝土的损伤高度；d为混凝土受拉边缘至受拉钢筋形心的距离.层未脱落，钢筋混凝土截面未损伤，故可不考虑截面损伤对构件承载力的影响，钢筋混凝土脱落锈胀裂缝出现后，随钢筋锈蚀程度的加深，混凝土保护层会脱落，钢筋混凝土的截面会有不同程度的损伤，与未锈蚀构件相比，混凝土的受力性能会发生较大改变，构件已不符合平截面的假定，承载力降低.根据文献［5］可将无损伤时的构件乘以降低系数Km.

［7］知，同等质量锈蚀率下，加速锈蚀对钢筋力学性能退化的影响小于自然锈蚀对钢筋力学性能退化的影响，因此，加速锈蚀对梁的承载力退化的影响小于自然锈蚀对梁的承载力退化的影响，故需要对加速锈蚀后的梁的承载力乘以修正系数1.05.最终得到经修正后的钢筋混凝土梁的抗弯承载力：

根据文献［6］可得钢筋锈蚀前钢筋混凝土梁的抗弯承载力

2.4 对理论公式进行验证

最后，通过文献［7］中的试验数据对本文得到的锈后钢筋混凝土梁的承载力公式进行验证，使用了4个锈蚀率下（1.4%，2.2%，5.4%，6.0%）通过加速锈蚀得到的钢筋混凝土梁的试验数据进行验证，用Mj表示用公式（13）计算得到的理论计算值，Ms表示试验值，Mg表示用式（12）计算得到的规范值.把ηq代入（1）－（3）式可得ηs，把ηs代入（7）式可得ω，再把ω代入（8）－（9）式可得 Ks，最后根据式（13）可得理论计算值Mj，数据见表1.

表1 理论计算值、试验值及规范值结果对比表

通过文献［8］可知钢筋混凝土梁受弯承载力安全储备系数a＝1.25，分析以上试验数据可知，当锈蚀率小于6.0%时，用规范式（12）及（13）计算都满足安全储备要求，即 Ms／Mj＞1.25，Ms／Mg＞1.25，且用（13）式计算更接近试验承载力，达到66%以上时，用式（12）计算承载力即可；当锈蚀率大于6.0%时，用规范式（12）计算承载力已不满足安全储备要求，即 Ms／MgMs／Mj＞1.25，计算值达到试验值的75%，此时用式（13）计算承载力可靠.

3 结论

本文结合锈蚀钢筋截面损伤和力学性能的变化、锈蚀钢筋和混凝土间粘结性能的退化、构件截面的损伤，考虑不同锈蚀率下质量锈蚀率和截面锈蚀率的换算关系，并通过现行规范得出了锈蚀后钢筋混凝土梁的受弯承载力的计算式，但试验验证锈蚀率只在6.0%以内，具有一定的局限性，因此还需要大量的试验数据进一步验证其可靠性，并进一步进行修正.

［ 参考文献 ］

［1］王雪惠，钟铁毅.混凝土中锈蚀钢筋截面损失率与重量损失率的关系［J］.建材技术与应用，2005，1（1）：4－6.

［2］张克波，张建仁，王 磊.锈蚀对钢筋强度影响试验研究［J］.公路交通科技，2010，27（12）：59－66.

［3］王 深，张伟平，张 誉.从混凝土纵向裂宽预测钢筋截面损失的研究［J］.中国土木工程学会第九届年会论文集，2000：353－356.

［4］惠云玲，李 荣，林志伸，全明研.混凝土基本构件钢筋锈蚀前后性能试验研究［J］.工业建筑，1997，27（6）14－18.

［5］陶 峰，王林科，王庆霖，刘建军.服役钢筋混凝土构件承载力的试验研究［J］.工业建筑，1996，26（4）17－20.

［6］赵基达，徐有邻，黄小坤，等.GB50010－2010混凝土结构设计规范［M］.北京：中国建筑工业出版社，2010：39－40.

［7］张伟平，王晓刚，顾祥林，等.加速锈蚀与自然锈蚀钢筋混凝土梁受力性能比较分析.东南大学学报［J］.2006，36（增刊）：139－144.

［8］金伟良，赵羽习.锈蚀钢筋混凝土梁抗弯强度的试验研究［J］.工业建筑，2001，31（5）9－11.

［9］叶列平，林旭川，冯 鹏.高强混凝土梁受弯承载力安全储备及经济性分析［J］.建筑结构，2006，36（6）：72－75.