不锈钢钢筋混凝土结构研究

(北京建筑大学 北京 100044)

不锈钢钢筋混凝土结构研究

顾辰

(北京建筑大学北京100044)

概述了不锈钢钢筋混凝土结构的特点与性质，总结了国内外对不锈钢钢筋混凝土结构研究的研究现状。分析了目前研究中仍存在的问题，为以后的研究工作提出了建议。

不锈钢钢筋；混凝土；结构研究；防腐性能；力学性能

一、概述

钢筋混凝土结构因为具有坚固，耐久，防火性好，成本低等特点，在世界范围内得到了广泛使用。钢筋锈蚀问题是钢筋混凝土结构使用中的一个重要问题，尤其是在一些造成侵蚀较为严重的环境之中的结构，如桥梁结构，港湾结构，与岛礁结构。混凝土与钢筋被腐蚀，会造成钢筋混凝土结构使用寿命缩短，性能退化，结构安全性与耐久性下降等问题。造成钢筋锈蚀的原因主要有两种：第一种为钢筋保护层的碳化，当混凝土不密实时，空气中二氧化碳的侵入，混凝土中的氢氧化钙与二氧化碳反应，生成碳酸钙等物质。这会造成钢筋混凝土内部PH值下降，破坏了钢筋表面的钝化膜，钢筋开始出现锈蚀。第二种是氯离子含量升高，氯离子即是存在与PH值较高的环境之中，依然会破坏钢筋表面的钝化膜，使得钢筋失去保护，开始锈蚀。

人们为应对钢筋锈蚀问题，使用大量不同的方式，如：加厚混凝土结构构件

的保护层厚度，在钢筋表面涂刷抗锈蚀材料等，但这些手段并不能彻底组织混凝土中的钢筋与氯离子发生反应，虽然提高了钢筋混凝土结构的耐久性，但在一段时间后混凝土中的钢筋还是会发生锈蚀。而不锈钢材料中含有较多的镍和铬，能在氯离子含量高的环境中保持稳定性，所以选用不锈钢钢筋才能彻底阻止钢筋与氯离子发生反应导致锈蚀。虽然想不普通钢筋，不锈钢钢筋的造价更高，但由于不锈钢混凝土结构具有更长的寿命周期，不需要经常维护加固，使得不锈钢钢筋混凝土结构具有比普通钢筋混凝土更低的总成本，目前已在国内外得到了广泛的应用。

二、不锈钢钢筋混凝土研究现状

国内外学者对于普通钢筋混凝土结构与不锈钢钢筋混凝土结构均进行了大量研究。但是对于后者的研究内容与成果不如前者丰富。关于不锈钢混凝土的研究主要集中于静力荷载作用下的力学性能分析，关于不锈钢钢筋混凝土构件的抗震性能研究较少。

(一)不锈钢钢筋简介

不锈钢含有大概12%的铬元素，铬和氧在空气中反应在不锈钢材料表面形成薄层的氧化膜，氧化膜分子紧密覆盖不锈钢材料的表面，可以有效防止不锈钢材料的进一步氧化。不锈钢中的镍可与锰，铜发生反应，形成奥氏体晶体，可有效提高在非氧化介质中的不锈钢材料的耐腐蚀性。因此，相比其他种类的钢筋，不锈钢钢筋具有更优秀的耐腐蚀性能。此外，不锈钢中含有铬、镇、钼等元素，进一步加强了其抗腐蚀能力。[1]

(二)关于不锈钢钢筋混凝土的防腐性能研究

目前国外对于不锈钢钢筋混凝土的抗腐蚀性能与不锈钢钢筋的抗腐蚀性能都进行了大量的研究与探索。[2-8]

Bertoloni等[9-10]对于不锈钢抗腐蚀性的研究显示，应用于结构工程中的不锈钢，可以在高PH值与氯离子环境中保持稳定而不被腐蚀;相比普通钢材具有优秀的多的耐腐蚀性能。Mcdonld[11]的锈蚀实验研究显示，普通钢筋混凝土的耐腐蚀性能远不及不锈钢钢筋混凝土。

(三)不锈钢钢筋混凝土结构力学性能研究

目前国内外对不锈钢钢筋与不锈钢钢钢筋混凝土结构的力学性能研究主要集中于不锈钢钢筋的材性性能研究，与不锈钢钢钢筋混凝土构件的受静荷载作用时的力学表现研究。

2008年，Yihui Zhou[12]等对各种等级的不锈钢钢筋进行了单向拉伸和低周

循环试验研究，结果显示不锈钢钢筋的抗疲劳破坏性能与延性都十分优秀。S.Alih[13]对不锈钢钢钢筋混凝土梁进行了静力性能试验研究，并用有限元软件进行建模分析，计算结果与试验结果吻合较好。

2006年，张国学等人[14]对27个不锈钢钢筋混凝土试件进行了拉拔试验以测定了粘结强度。设定的变量包括：混凝土强度，保护层厚度，与钢筋直径大小。使用控制变量的方法，分析各因素对粘结强度的影响。

2012年，张国学，王长伟[15]等借助有限元软件OpenSees建立了不锈钢钢筋混凝土柱的数值模型，并控制轴压比，配箍率，混凝土强度等变量，探究不同因素对不锈钢钢筋混凝土柱抗震性能的影响。结果显示：混凝土强度等级的提高会带来构件开裂荷载，屈服荷载与极限荷载的提高；随着配箍率的提高，构件的刚度退化减缓，位移延性系数增大，滞回曲线比较饱满，耗能增大。

2014年，张国学，张颖[16]等分别对配有普通钢筋的混凝土板与配有不锈钢钢筋的混凝土板进行了静力试验与疲劳试验研究，得出了以下结论：比起普通钢筋混凝土板，不锈钢钢筋混凝土板在同样条件下有着更优秀的受力性能，具有更高的承载力；在循环次数相同时，不锈钢钢筋混凝土板的跨中挠度，受拉钢筋应变与混凝土应变均低于普通钢筋混凝土板，具有更高的疲劳寿命。

2015年，张国学，陈子晴等[17]对不锈钢钢筋混凝土桥墩的抗冲击性能进行了研究。对落锤高度进行改变以调整小车速度，检测了冲击能量不同时小车冲击力时程曲线、桥墩位移时程曲线、不锈钢钢筋和混凝土的应变响应及其裂缝的衍生及开展等。结果显示，不锈钢钢筋混凝土桥墩的位移峰值增长速度随冲击能量的增长而增长，当冲击能量较小时，位移峰值增长较慢。当前者较大时，后者增长较快。

2013年，张国学，黄嘉伟等[18]分别制作了6根不锈钢钢筋混凝土梁和2根普通钢筋混凝土梁进行了对照试验研究，研究钢筋种类、不同应力、配筋率等因素对不锈钢钢筋混凝土梁疲劳性能的影响。研究结果表明：在配筋率与应力等级相同的情况下，不锈钢钢筋混凝土梁相比于普通钢筋混凝土梁具有更低的混凝土残余应变累积量，混凝土承压应变，受拉纵筋残余应变，跨中荷载挠度与裂缝宽度。说明不锈钢钢筋混凝土梁的疲劳性能更好。在其他条件相同时，不锈钢钢钢筋混凝土梁的配筋率越高，梁的裂缝发展越迅速，缝宽越大，刚度退化越快。

2011年，张国学等人[19]分别制作了3根不锈钢钢筋混凝土柱，与一根普通钢筋混凝土柱进行拟静力试验，主要变量为轴压比与配箍率。试验结果表明，不锈钢钢筋混凝土柱具有更优秀的抗震性能，具有更高的初始刚度、承载能力、屈服位移和破坏位移。随着轴压比的增大，试件的抗震性能出现下降；当配箍率上升时，试件的抗震性能增强。说明轴压比的增大不利于试件的抗震性能，配箍率的增大有利于构件的抗震性能。

2009年，张国学，赵峰等[20]进行了不锈钢钢筋混凝土梁的低周反复荷载实验研究，设置了钢筋种类、配箍率、混凝土强度等变量。结果显示：相比普通钢筋混凝土梁，不锈钢钢筋混凝土梁具有更高的屈服位移、极限位移和位移延性系数；当试件配箍率增大时，强度与延性也随之增长；当混凝土强度等级增大时，承载力与耗能随之增加，延性随之减小。

三、尚待解决的问题

近年来不锈钢钢筋混凝土结构的研究成果丰富，使钢管结构的安全得到了很大的保证，促进了该结构在实际工程中的应用。但是目前理论研究还不完善，亟需进一步的研究以指导工程实践。所以基于对以上研究现状的讨论，还需要在以下几个方面做进一步的探讨：

1.国外对不锈钢钢筋混凝土结构的动力性能(如疲劳性能、抗震性能)研究相对较少,对其在各种情况下的非线性有限元的模拟分析研究方面的内容亦很少,仍需进一步研究。

2.我国在不锈钢钢筋混凝土方面的研究文献与应用实例还尚处于起步阶段。在我国开展不锈钢钢筋混凝土方向的研究十分迫切。

四、结论

本文主要介绍了国内外关于不锈钢钢筋混凝土结构的研究成果，并得出了以下几个主要结论：

1.由于不锈钢钢筋中镇和铬的含量较高，即使在氯化物和硫化物含量较高的环境中依然具有良好的稳定性，从而有效提高结构的耐久性，可使结构的使用寿命大幅度延长。

2.不锈钢混凝土结构的力学与抗震性能优于普通混凝土结构。

3.目前国内外学者开展的不锈钢钢筋混凝土结构研究还不够完善。应加紧开展和深入不锈钢赶紧混凝土结构的各项研究。

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[3]Park Z,Choi Y，Kim J,et al.Development of a galvanic sensor system for detecting the corrosion damage of the steel embedded in concrete structure:Part 2.Laboratory electrochemical testing of sensors in concrete[J].Cement and concrete research,2005,35(9):1814-1819.

[4]Mirambell E,Real E.On the calculation of deflections in structural stainless steel beams:an experimental and numerical investigation[J].Journal of Constructional Steel Research,2000,54(1):109-133.

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[6]杨峰，赵尚传，王淞波.海洋环境下不锈钢筋耐腐蚀性能研究[J].公路交通科技(应用技术版),2013(04):169-171.

[7]张珍秀，郑琦.抗腐蚀的不锈钢筋[J].国外桥梁，1997(04):48-50.

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[14]张国学，吴苗苗.不锈钢钢筋混凝土的应用及发展[J].佛山科学技术学院学报(自然科学版)，2006(02):10-13.

[15]王长伟.不锈钢钢筋混凝土柱抗震性能数值分析及其恢复力模型研究[D].广东工业大学，2012.

[16]张颖.不锈钢钢筋混凝土板疲劳性能试验研究[D].广东工业大学，2012.

[17]陈子晴.不绣钢钢筋混凝土桥墩冲击性能试验研究[D].广东工业大学，2012.

[18]黄嘉伟.不锈钢钢筋混凝土桥梁梁的疲劳性能试验研究[D].广东工业大学，2013.

[19]Zhang Guoxue,Zhang Zhihao,Wang Changwei.Seismic performance of stainless steel reinforced concrete columns[J].Advanced Science Letters,2011(8):3119-3123.

[20]张国学，赵峰，张志浩，等.不锈钢钢筋混凝土梁抗震性能试验研究[J].中国铁道科学，2010(05):35-40.