钢筋锈蚀对混凝土梁结构性能的影响研究

李利民

（中铁十一局集团城市轨道工程有限公司，湖北 武汉430074）

对于钢筋混凝土构件，钢筋和混凝土能共同工作的基础是二者之间具有足够的粘结强度。根据退化机理分析，锈蚀钢筋的力学性能退化以及锈蚀钢筋与混凝土粘结性能退化是导致钢筋混凝土锈蚀梁的结构性能退化的主要因素。钢筋混凝土受弯构件是钢筋混凝土结构中重要的受力构件。目前，对于锈蚀钢筋混凝土结构性能退化的研究多以梁构件为研究对象。

1 锈蚀对混凝土梁破坏特征的影响

锈蚀梁的破坏特征与完好梁有很大的不同。当锈蚀程度较小时，二者几乎完全相同；但随着锈蚀程度的加剧，钢筋与混凝土之间的粘结性能逐步退化，锈蚀受弯构件裂缝逐渐向跨中集中，裂缝数量减少，间距增大，分布趋于更不均匀；当锈蚀量较大时，粘结性能严重退化，钢筋混凝土协同工作能力下降，裂缝集中在跨中部位。文献[1]通过试验研究发现，钢筋不发生锈蚀，粘结性能良好，梁跨中纯弯段出现了较密的裂缝，在剪弯区出现较为完全的斜裂缝。最后，在纯弯区段，混凝土受压破坏，结构表现为正截面弯曲破坏；当钢筋锈蚀率较小时，在锈蚀区段裂缝的分布同完好结构相比稀疏一些。其原因是锈蚀使钢筋与混凝土间的粘结性能发生退化，减弱了钢筋与混凝土间的应力传递，但尚能较为有效地粘结，最后的破坏形式仍为混凝土受压破坏；当钢筋锈蚀率较大时，钢筋与混凝土间的粘结性能产生较大的退化，而且钢筋的截面面积也产生了较明显的减小。裂缝的发展情况同完好结构比较有了较明显的变化，垂直裂缝明显变得稀疏，裂缝的发展区域向跨中靠近。文献[2]通过有限元分析发现，锈蚀梁的受力特征与钢筋锈蚀程度有很大关系：1）锈蚀量较小时，锈蚀梁的破坏形态与未锈梁基本相同；2）随着锈蚀率逐渐增加，钢筋与混凝土之间的粘结性能逐渐退化，锈蚀梁裂缝逐渐向跨中集聚，裂缝数量减少，间距增大，分布趋于更不均匀；3）当锈蚀量较大时，粘结性能退化严重，钢筋和混凝土共同工作能力下降，裂缝集中在跨中部位；4）随锈蚀率的增大，破坏时梁中部截面开裂高度上升，加载点截面更为明显，说明随着钢筋与混凝土之间粘结性能的退化，梁中部中和轴明显上升。

梁的延性性能与粘结性能、钢筋的塑性性能发展有着密切的关系。正常的钢筋混凝土受弯构件破坏过程一般是受拉区混凝土开裂，中和轴上移，受拉区钢筋屈服，受压区混凝土压碎。锈蚀梁，在混凝土压碎时的荷载与钢筋屈服是的荷载之比小于正常构件，且随着锈蚀量的增大而减小，即构件的延性发生了退化。文献[1]通过对锈蚀钢筋混凝土梁的荷载-位移试验结果得到锈蚀梁在三种不同锈蚀率下的延性比，见表1。

表1 不同锈蚀率钢筋混凝土梁延性比

分析其原因为在锈蚀率较小的情况下，钢筋能充分发挥强度，但粘结性能的退化使钢筋塑性性能不能充分发挥，影响了结构的延性发挥。在锈蚀率较大的情况下，粘结性能的破坏导致钢筋不能发挥其塑性性能，结构的破坏形式从延性破坏变为脆性破坏。

2 锈蚀对钢筋混凝土应变协调关系的影响

钢筋与混凝土间变形协调关系是钢筋混凝土受弯构件计算模型的基本假定之一。对锈蚀钢筋混凝土受弯构件，试验研究和有限元分析结果表明，钢筋锈蚀后，钢筋和混凝土的粘结性能退化，增大了钢筋和混凝土之间的相对滑移，改变了钢筋与混凝土之间的应变协调关系。当锈蚀率较小时，在跨中同一点处钢筋应变和混凝土应变相差较小；当锈蚀增大到一定程度时，在跨中同一点钢筋应变和混凝土应变不协调程度变化很大，且不协调程度随荷载增加而增大。文献[2]通过对不同锈蚀程度的钢筋混凝土梁在同一截面的应变历程变化分析得到，开裂之前，混凝土和钢筋的应变基本相同，开裂之后混凝土应变则明显大于钢筋应变，而且二者之差随着锈蚀程度的加剧而增大，反映出锈蚀率增大使钢筋与混凝土之间应变不协调程度明显增大；文献[3]通过对局部锈蚀梁结构数值模拟分析，认为在不同的锈蚀率下，在混凝土开裂前，受拉区钢筋与混凝土共同受拉，属线弹性阶段，挠度随荷载呈线性变化。在混凝土开裂后，拉力由钢筋承担，挠度逐渐呈现出非线性变化，直至最后挠度发生突变，而且随着锈蚀率的增大，挠度发生突变的起点也在提前。分析其原因，当锈蚀率较大时，钢筋与混凝土间的粘结性能发生退化，减弱了钢筋与混凝土间的应力传递，使得钢筋与混凝土间的协调变形能力下降。

3 锈蚀对钢筋混凝土受弯构件刚度的影响

文献[1]通过对钢筋平均锈蚀率为 0%、2%、5%、8%、10%、11%、12%的混凝土梁试验，研究了不同锈蚀率下的荷载-挠度变化，研究结果表明，在受拉区混凝土开裂之前，钢筋锈蚀程度对跨中挠度影响较小，在该阶段，构件的刚度基本表现为弹性刚度。受拉区混凝土开裂之后，构件的荷载-挠度曲线基本上仍为直线段，随着锈蚀程度的增加，直线段的斜率呈下降趋势，在锈蚀程度高时这种趋势更加明显，它反映了构件山于粘结性能退化引起的刚度退化。文献[3]认为随着受拉区混凝土的开裂，构件刚度有一个突变，突变程度和锈蚀程度有很大关系。在锈蚀较小的情况下，突变很小，说明当锈蚀率较小时，受拉区混凝土的开裂不会立刻引起钢筋和混凝土之间产生很大的滑移。在锈蚀率较大的情况下，突变较大，说明在锈蚀程度较严重的情况下，受拉区混凝土的开裂会立刻引起钢筋和混凝土之间产生较大的滑移。在比较不同锈蚀程度受弯构件受拉区混凝土开裂后的刚度发现，在钢筋混凝土受弯构建中存在一个粘结滑移退化界限，当粘结滑移退化程度小于该界限是，锈蚀引起的粘结滑移退化对构件刚度影响较小；当粘结滑移退化程度大于该界线时，锈蚀引起的粘结滑移退化对构件刚度影响较大。文献[4]通过对锈蚀钢筋混凝土梁的自振频率测试结果可以看出，局部梁段的钢筋锈蚀和横向裂缝的出现都将使试验梁的自振频率降低，这说明钢筋锈蚀所造成的梁段刚度降低比较严重。

4 结语

混凝土中钢筋发生锈蚀后，钢筋的有效断面减少，力学性能劣化，混凝土保护层锈胀开裂也将引起混凝土有效断面减少，并造成钢筋与混凝土之间粘结性能退化，影响钢筋与混凝土的共同工作，对混凝土梁破坏特征、钢筋混凝土应变协调关系及钢筋混凝土受弯构件刚度等结构性能指标均造成了一定程度的影响，致使构件结构性能发生变化。

［1］袁迎曙，余索.锈蚀钢筋混凝土梁的结构性能退化[J].建筑结构学报，1997，18（4）：51-57.

［2］李自超.锈蚀钢筋混凝土构件性能退化及承载力研究[D].上海：同济大学，2006.

［3］闪勇.锈蚀钢筋混凝土梁抗弯承载力的数值模拟[D].郑州：郑州大学，2006.

［4］赵新.钢筋混凝土梁锈蚀损伤定位誉区别[J].振动与冲击，2007，20（3）：35-38.