重复拉伸荷载下锈蚀钢筋力学性能及本构关系研究*

罗小勇，梁 岩，张艳芳

(中南大学 土木工程学院,湖南 长沙 410075)

混凝土结构中钢筋锈蚀是导致其耐久性失效的主要原因之一.MEHTA P K教授指出：“当今世界，混凝土结构由于耐久性损伤引起结构破坏的原因按重要性递减顺序依次是：钢筋锈蚀、寒冷地区的冻害、侵蚀环境的物理化学作用”[1].当结构耐久性损伤后首先面临的问题可能是结构抗震能力的不足.钢筋混凝土结构在腐蚀与地震作用下的动力响应，不仅影响居住者的舒适性，而且影响结构的安全性和耐久性[2].

由文献[3-6]可知锈蚀钢筋的研究对地震区的建筑结构分析很有意义.目前对锈蚀钢筋力学性能的研究主要以单调荷载试验研究为主[7-15]，也有对其进行有限元分析[16]，通过对不同锈蚀程度的钢筋进行单调拉伸试验,分析锈蚀对其力学性能的影响[7-11],研究其本构关系[12],少数文献研究了锈蚀钢筋的疲劳性能[13-16]以及钢筋锈蚀过程[17]和钢筋锈蚀对结构破坏模式的影响[18].在地震作用下，剪力和弯矩交替作用在结构上，这种循环作用逐渐的挤压和分离保护层混凝土，最终导致钢筋成为唯一的承重构件[19].地震作用下钢筋可能承受重复荷载作用，但目前未见有关锈蚀钢筋重复荷载作用力学性能研究的报道，本文则通过试验研究重复荷载下锈蚀对钢筋力学性能及本构关系的影响.

1 试验方法

1.1 试件制作

试验采用HRB400级钢筋，直径16 mm，共12根，长度均为500 mm，设计锈蚀率分别为：0，3%，6%，…，33%.试验前首先用天平秤取每根钢筋初重，为使得钢筋锈蚀与实际工程混凝土中钢筋的锈蚀相似，将其浇入混凝土板内，利用钢筋外加直流电源加速钢筋锈蚀.

混凝土板尺寸为550 mm×500 mm×100 mm，为了防止钢筋加载端部发生破坏，对钢筋端部采用蜡封方式进行绝缘处理.电流密度为100 μA·mm-2，当钢筋混凝土板达到预定通电时间后，关闭电源，拆除导线，通电完成后混凝土板如图1所示.将其破型后从板中取出锈蚀钢筋，如图2所示，按《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准》(GB/T 50082-2009)计算锈蚀率，截面锈蚀率取游标卡尺测得的最大截面锈蚀率，见表1.试验中试件破坏截面往往发生在截面损失最严重部位，因此本文分析中所采用的锈蚀率指截面锈蚀率.

图1 锈蚀钢筋混凝土板

图2 锈蚀试件

1.2 重复拉伸荷载试验

试验根据《金属材料室温拉伸试验方法》(GB/T 228-2002)进行，试验设备采用电液伺服材料试验机及数据自动采集仪，如图3所示.

重复拉伸加载试验所采用加载机制为力控制加载，即每种钢筋屈服力之前，荷载增步为一定值，在达到屈服力以后，减少荷载增量，直至破坏.重复荷载加载机制见图4.通过对试件单调拉伸力学性能可知，未锈蚀试件的屈服荷载为89.11 kN，极限荷载113.3 kN.考虑钢筋锈蚀后试件极限荷载降低，试验程序设定重复加载机制为：当程序设定荷载小于60 kN时，加载步长设定为20 kN，每次加载到设定荷载后卸载到0 kN，继续加载；超过60 kN时，加载步长设定为5 kN，每次加载到设定荷载后卸载到0 kN，继续加载，直至试件拉断.每级循环荷载的最大值和完全卸载处，程序设置持荷6 s，此时荷载基本稳定，记录下钢筋应变，并根据荷载和锈蚀最严重截面面积计算各试件弹性模量，见表1.试件拉断后，用游标卡尺量取断裂面左右5 d标距范围内的断后伸长量，计算试件的伸长率，见表1.

图3 试验加载装置

2 试验结果

2．1 破坏形态

试件断裂后发现，未锈蚀试件断裂面有颈缩现象，锈蚀试件随锈蚀率的增大，颈缩愈不明显，钢筋表现为脆性破坏.主要原因是随着锈蚀程度的提高，混凝土板表面逐渐产生锈胀裂缝，且均匀分布，导致钢筋锈蚀并不均匀，出现坑蚀现象，使得试件在其加载过程中应力集中，导致脆断.

2.2 荷载-变形曲线

各锈蚀试件的荷载变形曲线见图5.由各试件重复荷载下的滞回曲线可得各试件荷载-位移曲线骨架线，见图6.由图6可知，随着锈蚀率的增大锈蚀钢筋变形能力逐渐降低，屈服荷载和极限荷载逐渐减小，锈蚀率在20%左右时，屈服平台逐渐消失，甚至无明显屈服现象.

加载次数

表1 锈蚀钢筋试验成果

图5 锈蚀钢筋荷载-变形滞回曲线

位移/mm

3 锈蚀钢筋力学性能退化分析

对各试件力学性能汇总见表1.根据试验结果，对重复荷载下锈蚀钢筋力学性能退化进行分析见图7，锈蚀钢筋实际屈服强度fyc、极限强度fuc、伸长率δsc以及弹性模量Esc随截面锈蚀率ρ之间的关系，见式(1)～(4)，本文中所采用实际屈服强度和实际极限强度取屈服荷载和极限荷载与最大锈蚀截面面积比值.

fyc=(1-0.339ρ)fy，

(1)

fuc=(1-0.075ρ)fu，

(2)

δsc=e-4.775ρδs，

(3)

Esc=(1-1.166ρ)Es．

(4)

上式中：fy,fu,δs以及Es分别为未锈蚀钢筋实际屈服强度、极限强度、伸长率以及弹性模量.

锈蚀率/%

锈蚀率/%

锈蚀率/%

锈蚀率/%

由图7可知：重复荷载下钢筋随着锈蚀程度的增加，其实际屈服强度、极限强度、伸长率及弹性模量逐渐降低；其中，实际屈服强度及极限强度变化较小，但伸长率及屈服强度退化速度相对较快，说明重复荷载下锈蚀对钢筋延性影响较大.主要原因是由于钢筋在混凝土中锈蚀不是非均匀分布，部分区域出现坑蚀现象，坑蚀的不均匀分布及坑蚀深度越大，钢筋延性退化越明显；另外，钢筋锈蚀后，钢筋内部材料晶格发生一定程度的改变[19]，也可能导致锈蚀钢筋脆性断裂破坏.

4 重复荷载下锈蚀钢筋本构关系

4.1 本构关系模型

重复荷载试验前对未锈蚀试件进行单调拉伸试验，将未锈蚀试件重复荷载骨架曲线与单调荷载曲线进行对比结果见图8.

位移/mm

由图8可看出，弹性阶段重复荷载下的荷载位移曲线与单调拉伸荷载下曲线一致，重复荷载下强化段与单调荷载下强化段斜率接近；另一方面，在重复荷载作用下，荷载-位移曲线较早进入强化段，其屈服台阶长度要比单调荷载作用下短，其破坏位移要比单调荷载作用下小，重复荷载下试件延性有所降低.结构在重复荷载作用下，若使用材料单调荷载下的本构关系，则可能导致结构计算延性偏大，偏于不安全.

根据锈蚀钢筋重复荷载下的实验结果及力学性能退化分析可知，锈蚀钢筋力学性能发生退化，随着锈蚀率的增大钢筋变形能力降低，屈服平台逐渐缩短，当锈蚀率达到20%时屈服平台消失.

基于这一特征，本文采用图9所示的锈蚀钢筋应力-应变本构关系模型——三折线模型[12].当钢筋锈蚀率低于20%时，取模型图9(a)；当锈蚀率超过20%时，屈服平台消失，取模型图9(b).

(a)锈蚀率<90%

(b)锈蚀率>20%

4.2 特征参数的确定

fyc及fuc可由式(1)及式(2)确定，屈服应变εyc可由式(5)确定：

(5)

当锈蚀率小于20%时：对于屈服平台长度变化可近似地假设屈服平台长度随钢筋锈蚀率的增大按线性规律退化，强化应变εhc可以按式(6)确定.其中，ρcr为屈服平台消失时的临界锈蚀率，取为20%；未锈蚀钢筋强化应变取屈服应变的4倍[20]，则屈服平台段应变可取屈服应变的3倍，锈蚀后通过引入锈蚀率进行修正来考虑锈蚀对其的影响.

(6)

由试验结果可知，加载过程中钢筋伸长率与应变变化趋势基本一致，故极限应变εuc取值可参考伸长率退化模型，见式(7).其中，未锈蚀钢筋极限应变，可取屈服应变的25倍[20]，锈蚀后通过引入锈蚀率进行修正来考虑锈蚀对其影响，见式(7).

(7)

根据以上本构模型及特征参数的确定方法，随着锈蚀率的变化，钢筋应力-应变曲线见图10，由图10可知：钢筋未锈蚀直至锈蚀率达到20%时，随着锈蚀率的增大钢筋变形性能逐渐减小，屈服平台逐渐缩短直至消失，这与试验结果一致；另外，随着锈蚀程度的增大，屈服点变得愈加不明显当荷载达到极限荷载时，钢筋突然断裂.

应变/(10-5)

5 结 论

基于锈蚀钢筋重复拉伸荷载试验，分析了锈蚀对钢筋力学性能影响以及本构关系的变化，得出的主要结论如下：

1)由于钢筋在混凝土中的锈蚀不是均匀分布，部分区域发生坑蚀现象，坑蚀的不均匀分布及坑蚀深度越大，钢筋延性退化越明显；钢筋锈蚀后，钢筋内部材料晶格发生一定程度的改变，导致了锈蚀钢筋脆性断裂破坏.

2)锈蚀使得钢筋变形能力降低，屈服平台逐渐缩短，破坏时颈缩愈不明显；随着锈蚀率的增大，钢筋力学性能逐渐降低，其中弹性模量降低更为迅速，锈蚀对钢筋延性影响较大，另外，重复拉伸荷载作用下钢筋随着锈蚀程度的增加，耗能性能降低，导致结构能量存储能力不足，抗震性能下降，在地震时发生脆性破坏.

3)基于试验结果本文建立了锈蚀钢筋应力-应变本构关系模型，研究结果可为锈损结构耐久性、残余承载力及抗震性能评估提供技术依据.

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