不均匀锈蚀钢筋混凝土梁抗弯承载力试验研究

曲福来，于永齐，赵顺波，侯朋兵

(华北水利水电大学，河南 郑州 450045)

混凝土结构中的钢筋在一定条件下会发生锈蚀．对于处于恶劣环境下的结构，这一问题尤为突出．大量混凝土结构由于钢筋的锈蚀不得不进行维修或拆除重建，甚至个别结构发生倒塌事故［1－2］．近年来，钢筋锈蚀问题已引起世界各国的普遍关注，并投入大量的人力和物力进行相关方面的研究． 最初研究发现:钢筋发生锈蚀后，铁锈的体积是钢筋原始体积的2 ～4 倍，由于体积膨胀会对周围混凝土产生一定的压力，当该压力达到一定数值后，混凝土便产生顺筋裂缝，甚至造成保护层剥落［3－4］．由此造成钢筋与混凝土之间的黏结性能降低，锈蚀钢筋受力面积减小，同时锈胀裂缝的存在也加速了钢筋的锈蚀，造成恶性循环．为了准确评估钢筋锈蚀对结构产生的影响，国内外学者开展了系统的研究工作．通过对锈蚀钢筋混凝土梁开展试验研究［5－7］，普遍认为:钢筋在锈蚀程度较小的初期阶段，对梁的受力性能几乎无影响;当锈蚀发展到特定阶段后，构件的开裂荷载、屈服荷载以及极限荷载都有不同程度的下降;梁的刚度变小，使梁在承受相同荷载的情况下挠度增大，导致结构不安全;通过对梁跨中纯弯段混凝土应变的分析，可近似认为其平均应变仍符合平截面假定，采用该假定可简化锈蚀钢筋混凝土构件承载力的计算．然而，已有的研究往往采用平均锈蚀率的概念，忽略了锈坑分布、钢筋锈蚀率沿长度方向的变化对钢筋力学性能及黏结性能的影响［8－9］．

本文在不均匀锈蚀钢筋力学性能研究的基础上［10］，对12 根钢筋混凝土梁进行了不均匀锈蚀试验和抗弯性能试验，分析了不均匀锈蚀钢筋混凝土梁的破坏机理、破坏形态及承载力和刚度的变化情况，并在试验的基础上给出了不均匀锈蚀钢筋混凝土梁抗弯承载力的计算方法．

1 试验概况

本次试验主要考虑了钢筋种类、钢筋锈蚀率和混凝土强度的影响，共设计了12 根钢筋混凝土梁，钢筋截面尺寸及配筋如图1 所示．

图1 钢筋混凝土梁尺寸及配筋(单位:mm)

梁的架立筋采用2 根直径12 mm 的光圆钢筋．箍筋选用直径6 mm 的光圆钢筋，箍筋间距100 mm．混凝土保护层厚15 mm．梁底部受力钢筋分别采用直径12 mm 的HPB235 和HRB335 级钢筋，屈服强度分别为343、467 MPa，极限强度分别为443、536 MPa．

混凝土选用强度等级为32．5 MPa 和42．5 MPa的普通硅酸盐水泥、普通河砂和最大粒径为25 mm的碎石配置． 设置混凝土的3 种水灰比，分别为:0．55、0．35 和0．30．为测量混凝土的强度指标，在浇筑混凝土梁试件的同时，浇筑伴随试块．

实际工程中钢筋混凝土构件一般允许出现裂缝，为了模拟实际工程中梁承受荷载作用带裂缝的工作状态，在进行钢筋锈蚀之前对梁进行了预裂．试验采用三分点集中力加载方式，梁放在中心距为2 600 mm的支座上，梁上部加载点间距为900 mm，预裂荷载以最大裂缝宽度不超过0．2 mm 和60%极限荷载加以控制．由于将梁试件提前进行了预裂，混凝土保护层沿着长度方向出现了多条横向裂缝．

预裂后的梁采用电化学方法对钢筋进行加速锈蚀，将梁底部20 mm 的高度浸泡在5%的NaCl 溶液中，电流密度控制为0．15 mA/cm2，通电时间根据法拉第定律估算，其中锈蚀率最大的试件通电1 272 h．在通电初期，梁试件锈蚀速度较慢，表现为混凝土表面局部位置有黄色锈蚀产物渗出，在梁跨中附近纯弯段部位溢锈点要多于剪弯段． 在通电锈蚀的中后期，溢锈部位逐步增多，最后混凝土梁试件底部的混凝土保护层锈胀开裂，出现顺筋裂缝，如图2 所示．锈蚀后期，梁底部不断有棕红色和黑绿色的锈蚀产物溢出，成锥形堆积于梁底部．

图2 锈蚀后钢筋混凝土梁底面裂缝

2 试验结果及分析

2．1 梁加载裂缝及破坏形态

对锈蚀后的4 根梁试件进行加载试验，破坏后的裂缝如图3 所示．虚线之间为梁中部1 000 mm 的范围，A、B 面表示梁的两个侧面，蓝色细实线为梁的预裂裂缝，横向黑色粗实线为加载破坏试验新出现的裂缝，纵向红色裂缝为通电锈蚀后梁的锈胀裂缝．

图3 钢筋混凝土梁裂缝开展图

对于未锈蚀的梁，不出现沿受力钢筋方向的裂缝，钢筋与混凝土黏结良好，加载过程中裂缝形态如图3(a)所示．对预裂后的钢筋混凝土梁进行通电锈蚀后，混凝土表面会产生微裂纹． 随着锈蚀的发展，这些微裂纹会逐渐贯通形成几条顺筋裂缝，如图3(b)中红色部分所示． 带肋钢筋预裂后，裂缝的开展情况与光圆钢筋相近，但出现的横向裂缝较多，平均裂缝间距小于光圆钢筋的． 混凝土中带肋钢筋发生一定程度的锈蚀后，同样出现了顺筋裂缝，如图3(c)和(d)所示．

经过预裂的钢筋混凝土梁在加载过程中表现为已有横向裂缝不断变宽并延伸，很少出现新的裂缝，最后由于受压区混凝土被压碎而发生弯曲破坏．

2．2 不均匀锈蚀钢筋形态

钢筋的不均匀锈蚀主要体现在沿钢筋截面和沿钢筋长度方向两个方面． 本次试验由于控制了液面浸泡高度，靠近保护层一侧的钢筋锈蚀相对严重;而另外一侧未锈蚀或锈蚀较轻，部分钢筋表面出现锈坑现象．锈蚀严重的带肋钢筋，其横肋几乎全部锈蚀．另外，在测量锈蚀钢筋不同位置的直径计算平均直径损失率时发现:在保护层相同的条件下，钢筋混凝土梁中底部钢筋锈蚀率沿长度方向发生变化(如图4 所示，梁底部3 根钢筋分别用A，M，B 表示);钢筋在裂缝的位置一般锈蚀较严重，裂缝的存在会影响钢筋锈蚀率沿长度方向的分布，从而影响锈蚀钢筋混凝土梁的受力性能．

图4 沿钢筋长度方向锈蚀率分布

一般而言，用平均锈蚀率计算钢筋的受力是偏于不安全的，取钢筋锈蚀最严重部位的锈蚀率更为合理．考虑到实际应用的困难，专门进行了沿长度方向不均匀锈蚀钢筋的力学性能研究，以得到锈蚀钢筋的平均锈蚀率与最大锈蚀率之间的关系．将锈蚀钢筋截取成微段，分段测量其锈蚀率，找出各微段锈蚀率的最大值作为锈蚀钢筋的真实锈蚀率． 经过分析发现:钢筋微段最大锈蚀率与微段的长度相关，即钢筋划分的份数越多，其微段对应的最大锈蚀率也随之变化，但两者不是简单的线性关系，而是对数关系．平均锈蚀率和最大锈蚀率的关系表达式为:

式中:n 为钢筋划分的份数，当n =1 时表示均匀锈蚀的情况;k1为钢筋沿长度方向不均匀锈蚀的表征参数，当k1=0 时表示钢筋沿长度方向均匀锈蚀，k1越大则钢筋沿长度方向锈蚀越不均匀． 通过试验数据［10－14］统计回归得到k1=0．231 5ηave．

2．3 锈蚀梁受弯承载力分析

图5 为不同锈蚀率情况下光圆钢筋和带肋钢筋混凝土梁的荷载－挠度曲线．由图可见:钢筋发生一定程度锈蚀后，梁的受弯承载力减小;当梁的锈蚀率为7．2%时，构件受弯承载力相对于未锈蚀情况下降了15%左右．

图5 锈蚀钢筋混凝土荷载－挠度图

本次试验受压区钢筋未锈蚀，故不考虑由于锈蚀引起的受压区混凝土应力的减小． 受拉区锈蚀钢筋的力学性能退化模型主要有两种:一是采用钢筋的名义强度，认为钢筋锈蚀前后面积不变，名义强度降低;二是采用锈蚀后钢筋的实际面积，钢筋强度值不变．由于前文分析了钢筋沿长度方向不均匀锈蚀的规律，故采用后一种方法计算钢筋应力．根据钢筋混凝土梁极限情况下的截面平衡条件可得:

式中:a1为等效矩形应力图的应力值与轴心抗压强度设计值的比值，按规范GB 50010—2010 的规定取值;fc为混凝土轴心抗压强度设计值，N/mm2;b 为梁截面宽度，mm;x 为等效矩形应力图混凝土受压区高度，mm;fy为钢筋屈服强度设计值，N/mm2;As为受拉区钢筋面积，mm2．

但应注意，以上方法只适用于钢筋两端锚固完好的梁，对于发生黏结破坏的梁应选用其他公式进行计算．

按式(2)和式(3)计算得到的不均匀锈蚀钢筋混凝土梁受弯承载力见表1． 梁抗弯承载力计算值与试验值之比的平均值为0．99，标准差为0．055．可见，本文所提方法与试验结果吻合较好．

表1 计算结果与试验结果对比

续表

3 结 语

1)对钢筋混凝土梁进行预裂，然后采用半浸泡方式加速钢筋锈蚀，通过分析锈蚀后钢筋的形态发现:靠近保护层一侧钢筋锈蚀较为严重;钢筋沿长度方向锈蚀程度不同，一般在横向裂缝位置锈蚀率较大．

2)分析了钢筋平均锈蚀率和最大锈蚀率的关系，并给出了不均匀锈蚀钢筋混凝土梁正截面承载力的计算公式．公式计算结果与试验结果的比较表明，公式具有较好的计算精度，且概念清晰，便于工程应用．

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