高桩码头环形截面基桩锈蚀抗力折减规律

王娜 ，李沛 ，2，张鹏 ，周佰祥

（1.中交天津港湾工程研究院有限公司，天津 300222；2.河北工业大学，天津 300401）

0 引言

我国各类混凝土设计规范已经开始注重混凝土结构构件的耐久性，并从材料和构造两方面都做了较为详细的规定[1]。但是，在结构构件服役期间，钢筋锈蚀等耐久性劣化现象不可避免。目前的现状是，人们对耐久性劣化因素与混凝土构件力学性能劣化的定量关系研究不足，即有关混凝土构件力学性能随耐久性劣化过程的研究报导至今偏少[2]。本文中，基于现行水运工程混凝土结构设计规范，运用相关评估规范和评估标准，研究高桩码头结构中普遍存在的因钢筋锈蚀导致的环形截面基桩抗力衰减问题，并计算获得基桩抗力折减规律。本文计算结果直观阐明锈胀裂缝宽度-钢筋截面锈蚀率-基桩抗力间的定量关系，对现有高桩码头结构安全性检测与评估具有指导意义。

1 基桩抗力计算

钢筋腐蚀对混凝土构件劣化性能的影响大致分为三方面：1）钢筋自身截面面积减小，不均匀锈蚀导致钢筋表面凹凸不平，应力集中，其强度降低、脆性增大、延性变差；2）钢筋锈蚀导致其与包裹它的混凝土间的黏结锚固遭到破坏，钢筋强度不能被充分利用；3）锈蚀物体积膨胀使混凝土保护层胀裂甚至脱落，引起混凝土构件截面的几何损伤。

JTJ 302—2006《港口水工建筑物检测与评估技术规范》[3]规定：腐蚀后钢筋混凝土构件承载力验算可按现行JTS 151—2011《水运工程混凝土结构设计规范》[4-5]的规定执行。

2 参数取值

综合JTJ 302—2006《港口水工建筑物检测与评估技术规范》和CECS220：2007《混凝土结构耐久性评定标准》[6]的相关规定，腐蚀钢筋强度设计值、腐蚀钢筋强度利用系数和截面几何损伤计算取值如下。

2.1 腐蚀后钢筋强度设计值

1） 当截面锈蚀率≤5%且锈蚀较均匀的钢筋，锈蚀钢筋的强度设计值可按原钢筋强度设计值取用。

2） 当截面锈蚀率大于5%且不大于10%的钢筋，或截面锈蚀率不大于5%但锈蚀不均匀的钢筋，锈蚀钢筋的强度设计值按下式计算：

式中：ηs为钢筋截面锈蚀率，经推导得：

钢筋锈蚀深度δ，保护层开裂至表面可接受最大外观损伤（锈胀裂缝宽度 0.1～（2～3）mm）的计算公式：

式中：d为钢筋直径；c为保护层厚度。

3） 当截面锈蚀率大于10%时，锈蚀钢筋强度设计值需通过试验获得。

2.2 腐蚀后钢筋强度利用系数

1）受拉锈蚀钢筋强度利用系数按照下列方法取值：

①锈蚀构件配筋指标按下式计算：

式中：q0为锈蚀后配筋指标；fc为混凝土原轴心抗压强度设计值。

②保护层未出现锈胀裂缝或配筋指标大于0.246时，锈蚀钢筋强度利用系数取1.0。

③保护层开裂，钢筋锈蚀深度小于0.3 mm，且配筋指标大于0.246时，锈蚀钢筋强度利用系数按下式计算：mm，且配筋指标大于0.246时，锈蚀钢筋强度利用系数按下式计算：

2）受压锈蚀钢筋强度利用系数取1.0。

2.3 等效截面计算

受压混凝土构件计算应采用等效截面，等效截面尺寸按下式计算：

式中：r1，c，r2，c分别为等效截面内、外半径；r1，r2分别为构件原截面的内、外半径；c1，c2分别为环形截面内、外侧保护层厚度；n为锈胀裂缝根数；αcc为保护层损伤系数，按文献[3]中表A.0.5取值。

3 算例及分析

某高桩码头环形截面基桩，外径r2=200 mm，内径r1=140mm，rs=170 mm，配置10根φ12的HRB335级钢筋，As=1 131 mm2，fy=300 N/mm2。实测混凝土强度 α1fcu，m=191 N/mm2，l0，c=4 m。柱承受的轴向压力荷载N=600 kN；弯矩荷载M=60 kN·m；正截面抗力Nu=677.4 kN，Mu=69.3 kN·m。假定有1根轴向受力钢筋发生锈蚀时，该基桩的正截面抗压承载力Nu，c、抗弯承载力Mu，c计算结果见图1～图4，显然：

1）混凝土胀裂是钢筋锈蚀导致混凝土构件损伤的最直观表现，以锈胀裂缝宽度w为横坐标，分别以锈蚀深度 δ、截面锈蚀率 ηs，ηcei，c/rs，c和正截面抗力损失率为纵坐标，图1～图4直观反映了从锈胀开裂（0.1 mm）至表面可接受最大外观损伤（2～3 mm）过程中混凝土构件的劣化损伤过程；

图1 w-δ关系Fig.1 Relationship between w-δ

图2 w-ηs关系Fig.2 Relationship between w-ηs

图 3 w- ηc e i，c/r s，c 关系Fig.3 Relationship between w- ηc e i，c/r s，c

图4 w与抗力损失率关系Fig.4 Relationship between w and resistance lossrate

2）随着锈蚀深度的增加，构件劣化呈现加速趋势，特别是锈胀宽度达到2 mm以后，构件劣化损伤速度显著；

3） 锈胀开裂（0.1 mm）至表面可接受最大外观损伤（2～3 mm）过程中，ηcei，c/rs，c在 0.86～0.80 之间，即钢筋锈蚀不会导致破坏模式改变；

4） 锈胀开裂（0.1 mm）至表面可接受最大外观损伤（2～3 mm）过程中，钢筋锈蚀深度0.05～0.30 mm，截面锈蚀率1.80%～9.86%，正截面抗压承载力损失率1.24%～55.98%，正截面抗弯承载力损失率1.45%～65.67%。抗弯承载力的损失略高于抗压承载力的损失。

4 结语

综上所述，本文主要结论如下：

1） 钢筋截面锈蚀率不大于10%时，锈胀裂缝宽度一般在3 mm以内，为可接受锈胀裂缝；

2） 钢筋截面锈蚀率不大于10%时，一般不会导致受压构件最终破坏形态的改变；

3）钢筋锈蚀导致的构件截面抗力降低是显著的，特别是锈胀裂缝宽度在2～3 mm之间时，其截面抗力折减显著；

4） 钢筋截面锈蚀率不大于10%时，锈胀裂缝宽度在3 mm以内，虽不会导致构件破坏形态的改变，但其正截面抗力损失可达60%左右。