锈蚀钢混构件的抗力退化规律研究

贾大多 王延彬

1 南阳市建筑公司（473004） 2 河南四铭工程管理有限公司（473000）

锈蚀钢混构件的抗力退化规律研究

贾大多1王延彬2

1 南阳市建筑公司（473004） 2 河南四铭工程管理有限公司（473000）

针对由氯离子侵蚀引起的锈蚀钢混构件的抗力退化，首先分析了氯离子在混凝土中的扩散规律，然后考虑混凝土的抗压强度随时间变化，分析分构件类型对锈蚀构件抗力退化的机理，并给出了时变抗力R(t)的计算方法。

构件；锈蚀；抗力；退化

实际工程结构在建成后就不断地发生老化,结构构件的抗力随时间不断衰减，应作为随机过程（R(t)）来研究[1]。对于钢筋混凝土结构来说，钢筋锈蚀是导致结构构件抗力退化的主要因素之一，而氯离子侵蚀是导致锈蚀发生的主要原因之一[2]。因此，这里针对氯离子侵蚀对钢混构件性能的影响，研究了锈蚀构件的抗力衰减规律。

1 氯离子在混凝土中的扩散规律

目前，普遍采用的讨论氯离子扩散的理论基础为Fick第二定律[3]:

其中:t——时间；x——距混凝土表面的距离；D——氯离子扩散系数；Ct——x处的氯离子总浓度，它包括自由氯离子浓度Cf和结合氯离子浓度Cb，定义氯离子结合能力

在水化龄期为t0（28d）时测定混凝土的扩散系数为D0，记t时刻混凝土的氯离子扩散系数为Dt，则存在以下关系[4]:

tmax——对扩散系数衰减的最大影响时间，一般取25～30年。

考虑到混凝土在使用过程中发生的性能劣化，定义K为氯离子扩散性能的劣化效应系数，扩散系数用等效扩散系数De＝KDt表示[5]。

得到氯离子扩散性能的计算方程为:

结合初始条件:t=t0，x＞0时，Cf＝C0；边界条件:x= 0，t＞t0时，Cf＝Cs，得到混凝土中氯离子浓度的计算公式如下:

其中C0是t=t0时混凝土内的氯离子浓度；Cs是混凝土暴露表面的氯离子浓度；erf 为误差函数，

2 锈蚀钢混构件抗力的退化规律

2.1 混凝土抗压强度的时变规律

混凝土的抗压强度也在随时间变化，根据现有研究成果，与时间的定量关系可描述为:

可取这两式计算结果的平均值为选用值，即:

其中

2.2 钢筋锈蚀对钢混构件抗力的影响

钢筋锈蚀对构件抗力的影响主要体现在三个方面:1）钢筋锈蚀后体积膨胀，混凝土保护层将沿钢筋产生纵裂，乃至脱落，钢筋外围混凝土被分割成未能良好连接的几部分，造成参与受力的混凝土有效截面减少。对于轴心受压和小偏心受压来说，破坏是由于受压混凝土达到其抗压强度，故混凝土受压面积的大小直接影响构件的承载力，因而几何损伤对受压构件承载力降低程度的影响很大[8]。2）锈蚀后钢筋的截面损失和强度降低会直接影响到构件的承载能力。3）钢筋锈蚀后的锈胀效应使其与混凝土之间的黏结作用受到影响，导致协同工作能力下降，构件的受力性能降低。

对于不同的构件类型，这一影响的效应具体体现为:

1）受弯构件

钢筋锈蚀会使受弯构件的抗弯强度降低。试验中构件抗弯极限承载力的最大降低值为23.5%，可见影响程度不容忽视。原因除了钢筋本身截面减少这个因素外,还有就是由于锈蚀使黏结力降低，破坏区段内锈蚀构件的混凝土和钢筋的平均应变大于正常构件，不能充分地进行应力应变重分布。

2）偏心受压构件

对于大偏心的受压锈蚀构件，开裂荷载与破坏荷载的比值明显大于正常构件,构件延性明显降低。在钢筋刚屈服后不久，压区混凝土即被压碎，破坏荷载显著低于正常的构件。

对于小偏心的受压锈蚀构件，破坏前没有明显预兆，受拉钢筋应力较小。当受压区钢筋屈服、混凝土达到抗压强度时发生破坏，因此出现脆性破坏的性质。构件在同级荷载作用下的钢筋和混凝土的应变及侧向挠度均明显大于正常构件。破坏荷载显著低于正常构件。

2.3 锈蚀构件抗力退化规律的计算

对于钢筋发生锈蚀的构件，当用正常构件的计算方法进行强度计算时，应根据锈蚀开裂和损伤程度的不同，分别考虑钢筋截面损失、屈服强度损失，以及混凝土的截面损失和黏结应力的损失等所引起的构件强度降低。具体方法如下:

1）对于锈蚀较少，混凝土保护层尚未开裂的构件，可以不考虑黏结力损失引起的强度降低。

钢筋直径减小，导致钢筋的截面积As减小:

式中:n为钢筋根数；di（t）为第i根钢筋t时刻的直径。

钢筋自身的抗拉强度也降低:

式中:fys为钢筋降低后的抗拉强度；ρs为钢筋截面损失率。

构件的弯曲抗力M和剪切抗力Vcs也减小，结合现行混凝土设计规范，构件的时变抗弯强度可按下式计算:

混凝土受压区高度x由下式确定:

式中:f'c（t）为混凝土动态抗压强度；fys、f'ys为纵筋抗拉、抗压强度；h0为截面有效高度；b为截面宽度；a's为受压区纵向钢筋合力点到截面受压边缘的距离。

构件的时变抗剪强度可按下式计算:

式中:fyvs为箍筋锈蚀后的抗拉强度设计值；Asv（t）为箍筋截面积；s为箍筋间距。

2）对于保护层已经开裂的锈蚀受弯构件，还需要考虑黏结力损失造成的影响。黏结力损失引起的强度降低系数η，可按如下原则取值:

①当纵裂宽度W≤0.5mm时，取η=1.0；

②当0.5mm＜W＜2.0mm时，

③对于W＞2.0mm至保护层完全脱落的构件，η位于0.7～0.8之间。

3）对于保护层已经开裂的偏心受压构件，也应考虑黏结力损失引起的强度降低，降低系数η的取值同上述受弯构件。此外还须考虑截面几何损伤对承载能力的影响，考虑几何损伤后的截面尺寸采用如下公式计算:

式中:h、b为截面原有高度和宽度(mm)；h′、b′为损伤后截面计算高度和计算宽度(mm)；α为几何损伤系数；c1、c2是构件长度方向两侧保护层厚度(mm)；c3、c4为构件宽度方向两侧保护层厚度(mm)。

3 结语

这里研究了氯离子侵蚀下钢混构件的抗力衰减规律问题，主要做了以下工作:

1）氯离子在混凝土中的扩散规律。

2）考虑了混凝土抗压强度的时变性，分析了分构件类型对锈蚀构件抗力退化的机理并给出了时变抗力的计算方法。

[1]Y.S.Petryna,W.B.Kratzig.Computational framework for long-term reliability analysis of RC structures,Computermethods in Appliedmechanics and Engineering.2005,194: 1619～1639.

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[3]Yung-Ming Sun,Ming-Te Liang,Ta-Peng Chang.Time/depthdependentdiffusion and chemical reactionmodel of chloride transportation in concrete,Appliedmathematicalmodelling,2012,36(3):1114～1122.

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[8]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,1997,6:14～18.