老旧钢筋混凝土梁性能退化试验研究

林 迟

(福州市城乡建设委员会 福建福州350003)

受自身材料特性和使用环境的影响，混凝土结构不可避免地存在耐久性问题，其中钢筋锈蚀引起的结构性能退化无疑是影响整体结构安全性能的重要原因之一。我国作为建设大国，目前正以前所未有的巨大投资进行着空前规模的基础设施建设［1，2］，同时城市中也普遍存在大量服役时间较长的老旧建筑。汶川地震后都江堰市的震害表明［3］，受结构性能退化等原因影响，不同服役龄期的钢筋混凝土结构的抗震能力差异较大。对老龄期混凝土结构的性能退化研究，多采用人工加速退化所得的构件进行试验，极少有实际结构构件的性能退化试验数据。为此本文利用辽宁旅顺沿海地区上世纪20年代的一批老旧钢筋混凝土梁，对钢筋混凝土结构各项材料性能的退化规律进行试验研究，并对钢筋粘结性能不足时钢筋混凝土梁的抗弯能力进行分析，以弥补结构性能退化实测数据的不足。

1 试验梁背景

试验建筑位于大连市旅顺口区文化街，始建于1927年，原为日据时期的军官俱乐部，拆迁前使用功能为宾馆及网吧，从谷歌地图上测量该建筑到海边的距离约为600m见(图1)。结构形式为砖混结构，主体结构3层，采用现浇混凝土楼板。为获得该结构的混凝土梁，先凿除梁范围外的混凝土楼板见(图2)，然后沿梁边缘将钢筋切断，之后采用两点吊装将梁从结构中缓慢吊下，吊装过程未发现梁底开裂。所取梁位于建筑三楼，其截面尺寸为700mm×300mm，长度约为7m，混凝土保护层厚度约3.5cm，采用光圆钢筋，结构的配筋图见(图3)所示。

2 试验梁抗弯性能试验

2.1 试验场地准备与设备

试验选择在大连理工大学结构实验室进行。试验准备包括梁的吊装、试验场地准备、梁刷白和粘贴传感器等步骤。我们通过卡车和吊车将梁从旅顺运回大连，之后选择好试验场地，将梁吊进试验室见(图4)。经过粘贴应变片和刷白等处理工序，完成梁加载前的准备工作。

2.2 加载准备

选用三分点加载方式，试验加载及应变片布置示意图见(图5)。采用高压油泵通过两个并联液压千斤顶进行加载，利用位移计测量跨中以及梁两端的位移，同时在跨中和沿斜裂缝开展方向粘贴应变片。加载设备和测量设备见(图6)所示。

图1 试验建筑在地图中的位置

图2 梁拆除过程

图3 梁截面尺寸及配筋(截面4同截面3)

图4 梁吊装进实验室

图5 试验加载及应变片布置图

图6 试验设备与加载

2.3 加载

采用C25混凝土和Q235钢筋近似实际材料，预估试验梁的开裂荷载和破坏荷载，计算过程如下:

参照《混凝土结构设计规范》(GB50010－2010)［4］，该梁的破坏弯矩为:

参照《水工混凝土结构设计规范》［5］(SL 191－2008)，钢筋混凝土受弯构件的开裂弯矩为:

式中，γm——截面抵抗矩塑性系数，对于矩形截面取1.55;

ftk——混凝土轴心抗拉强度标准值;

I0——试验梁换算截面惯性矩;

y0——试验梁截面形心轴至受拉边缘距离;

αE——钢筋弹性模量和混凝土弹性模量之比;

Ec——混凝土弹性模量;

ρ——纵向受拉钢筋配筋率

代入各参数值可得:

加载在大连理工大学结构实验室进行，按照试验方案的要求，这个加载过程包括预加载、加载和卸载，结构的破坏模式如图7所示。整个加载过程先是底部混凝土开裂(开裂弯矩约为100kNm)，接着底部钢筋开始屈服(屈服弯矩约为300kNm)，最后顶部混凝土压坏，梁发生适筋梁破坏。

图7 构件破坏模式

2.4 试验梁材料性能试验

为进一步对构件的性能退化程度及材料性能对构件承载能力的影响进行分析，我们分别对构件的混凝土、钢筋以及钢筋混凝土之间的粘结性能进行了研究测量。

(图8)为混凝土抗压强度测量试验，在梁上部区域进行钻芯取样，共取了12个样本，经过处理，选择6个形态好的样本进行抗压试验。(图9)为钢筋混凝土粘结力测量试验，首先对可进行粘结拉拔试验的钢筋混凝土部分进行切割，其次在试验室对试块进行打磨处理，切割成横截面为150mm×150mm的长方形试块。由于实际构件中取样的困难和试验后构件中混凝土开裂的影响，此次只取两个试块(三个钢筋可供拉拔)进行试验。由于钢筋力学性能较为稳定，因此选取两根梁底部钢筋进行拉伸试验。

图8 混凝土钻芯取样和样本处理

2.5 试验数据分析

(图10)为钢筋的本构试验曲线，结果显示，两个钢筋试件的抗拉曲线基本相同，屈服应力约为250MPa。(图11)显示，该梁钢筋与混凝土的最大粘结力约为4MPa，其中样本1与样本2的拉拔试验结果较为接近，而样本3在粘结应力达到最大时的滑移量大于其它样本，达到了1cm。

图9 钢筋混凝土粘结力测量试验

图10 钢筋本构试验结果

图11 钢筋粘结应力－滑移曲线

图12 梁抗弯承载力加载结果

混凝土的钻芯取样结果如(表1)所示，混凝土抗压强度平均值约为28.12MPa。混凝土碳化深度测试见(表2)，试件编号是按照其所在位置确定的:1号试件较为靠近梁端，碳化深度较浅;2号试件较为接近跨中，碳化深度较深，约为6.5cm;3号和4号试件处在两者之间，碳化深度约为2.5cm。(表3)为底部纵筋和箍筋的锈蚀测量结果，如表所示，钢筋的锈蚀量较小，均小于1%，表明钢筋当时的施工质量较好钢筋在服役80年后仍然能保持较好的工作状态。

梁抗弯承载力的试验结果和有限元模拟结果见(图12)。梁构件的最大承载力约为300kN·m，其中在进行第二根梁试验时，当跨中变形达到60mm时进行了卸载，卸载曲线斜率与加载时曲线曲率基本相同。采用有限元建模方法分析时，不考虑粘结滑移影响，并假定钢筋和混凝土可以协同变形，此时梁的破坏弯矩约为450kN·m。可见除了混凝土、钢筋的强度退化需要考虑外，钢筋与混凝土之间的粘结力不足对钢筋混凝土构件承载力的影响也不容忽视。

欧洲混凝土规范CEB－FIP model code 1990(MC90)［6］对该直径螺纹钢筋粘结应力的建议值约为13MPa，若粘结力不足则不能采用平截面假定。老龄期的钢筋混凝土结构曾普遍采用光圆钢筋，光圆钢筋与混凝土之间的粘结力主要依靠二者之间的摩擦力，其值大大小于螺纹钢筋与混凝土之间的机械咬合力，同时在环境作用下，螺纹钢筋锈蚀等因素也会导致其粘结力降低。本文所取构件中光圆钢筋虽未锈蚀，但与混凝土的最大粘结力约为4MPa，远小于规范要求的13MPa;若螺纹钢筋发生锈蚀，其粘结力也将大大降低。在结构分析中，上述情况都归结为粘结性能不足，均需通过调整钢筋与混凝土的粘结力来表征结构整体的性能变化。

现有规范计算方法均基于平截面假定，无法考虑粘结性能不足产生的粘结滑移，采用现有方法进行钢筋混凝土结构抗震能力分析，必然降低了结构的安全性，应发展实用可靠的分析方法重新对钢筋混凝土结构的承载力进行评估，本文的试验结果可为相关方法研究提供真实构件的实测数据。

表1 混凝土钻芯取样强度

表2 混凝土碳化深度测量(单位:mm)

表3 钢筋锈蚀量测量(单位:%)

3 小结

本文利用辽宁旅顺沿海地区上世纪20年代的一批老旧钢筋混凝土梁，对钢筋混凝土结构各项材料性能的退化规律进行试验研究，获得了一批重要的试验数据，可弥补老旧混凝土结构性能退化研究时实测数据匮乏的不足。

通过此次老旧钢筋混凝土梁的抗弯承载力试验，发现老龄期的钢筋混凝土结构普遍存在粘结力不足或者退化的情况，不考虑粘结力不足的梁抗弯承载力与实际加载结果相差较大，特别是对早期的钢筋混凝土结构，光圆钢筋的应用比例较高，而粘结性能较差。同时我们还发现，不同配筋率下粘结性能退化对RC构件的极限承载力的影响不同，若单纯只用一个折减系数来考虑粘结性能的影响还不够全面。因此钢筋混凝土的粘结性能是影响钢混构件承载力的主要因素之一，迫切需要提出考虑钢筋粘结滑移的RC结构抗震能力分析方法，完善多龄期结构抗震能力的分析方法。

［1］金伟良，吕清芳，赵羽习，干伟忠.混凝土结构耐久性设计方法与寿命预测研究进展［J］.建筑结构学报，2007，28(1):7－13.

［2］金伟良，钟小平.结构全寿命的耐久性与安全性、适用性的关系［J］.建筑结构学报，2009，30(6):1－7.

［3］林迟，侯爽，欧进萍.汶川地震中都江堰市多龄期建筑震害特征［J］.大连理工大学学报，2009，49(5):748－753.

［4］GB50010－2010.混凝土结构设计规范［S］.

［5］SL 191－2008.水工混凝土结构设计规范［S］.北京:中国水利水电出版社，2008.

［6］Comite Euro－International du Beton.CEB－FIP model code 1990.Telford.1993:83.