钢筋锈蚀对钢-砼梁正截面承载能力影响的参数化分析

赵海龙

(新疆路桥北疆公司， 新疆 昌吉 831100)

钢筋锈蚀对钢-砼梁正截面承载能力影响的参数化分析

赵海龙

(新疆路桥北疆公司， 新疆 昌吉 831100)

钢筋锈蚀程度影响着钢筋混凝土梁的耐久性及其使用性能，同时也对梁的抗弯承载能力产生较大的不利影响。通过分析实际工程中钢筋混凝土梁的裂缝、碳化程度、氯离子侵入深度等诸多病害带来的钢筋锈蚀影响。定义三参数的方法修正抗弯承载力计算公式，完成了钢筋腐蚀后主梁截面抗弯承载能力的参数化分析，进一步验证了钢筋锈蚀发生后的主梁抗弯承载力的控制性因素，从而为后期钢筋混凝土梁的加固设计和防锈设计提供参考。

钢筋混凝土梁； 耐久性； 钢筋锈蚀； 承载力， 参数化分析

0 前言

在钢筋混凝土梁的正截面承载能力计算中，通常以计算截面受压区混凝土压溃的同时，受拉区钢筋达到屈服为适筋梁的承载能力极限状态，此时的梁截面的弯矩抗力值记为截面的极限弯矩，对应构件中最小屈服弯矩截面为构件的塑性发展截面[1]。而高盐环境侵蚀环境、酸性离子等导致混凝土结构的钢筋锈蚀、冻融循环不仅仅会对混凝土结构的混凝土耐久性产生较大的破坏，混凝土结构承载能力、结构延性亦会因混凝土开裂退出工作状态、钢筋有效工作截面的损失以及钢筋和混凝土之间的黏结性能降低或失效[2]等发生较大的变化。故而研究有效的防护措施，是混凝土耐久性研究的一个重要课题。

1 钢筋锈蚀的成因

1.1 钢筋的氧化锈蚀

混凝土结构表面裂缝的发展与贯通、表层混凝土碳化及高盐分的潮湿环境均会导致混凝土内部钢筋的锈蚀。前两者由于钢筋的碱环境失效，铁与氧气、水分子接触反应后无法在钢筋表面生成致密的氧化物层，氧化铁产物易与侵入的水分子形成水合物晶体，体积出现较为明显的膨胀，从而导致混凝土保护层进一步开裂，发展直至混凝土剥落，钢筋裸露。

1.2 离子导致的钢筋锈蚀

氯离子引起的钢筋锈蚀也是电化学锈蚀的一种，其发生的条件便是钢筋的表面去钝化作用[3]。氯离子的侵入提高了混凝土中电解质的导电率，使得正在进行中的混凝土碳化区域内的钢筋电化学锈蚀速度出现显著增大。刘祥[4]总结了氯离子导致钢筋锈蚀发生所需要同时满足的3个条件：

1) 钢筋周边的氯含量不低于引起钢筋锈蚀的临界值；

2) 混凝土中的水饱和度足够阴极和阳极间的离子交换的需求；

3) 足够多的氧气分子渗入混凝土层并接触到钢筋表面。

通常，混凝土表面的氯离子浓度直接视为等同于环境中氯离子分布浓度，内部混凝土中氯离子含量则通过对氯离子长期扩散的统计结果确定的分布曲线进行确定[5]。在ACI中则采用水泥用量的0.15%作为混凝土内部氯离子的固有含量，并以此为氯离子含量的允许值。环境中的氯离子通过混凝土内部的裂缝通道渗入并到达钢筋表面。除裂缝的存在会影响其渗透速度之外，混凝土内外的氯化物的浓度差、混凝土的渗透性和环境的湿度亦会对氯离子侵入混凝土内部的速度有着较大的影响。

2 钢筋锈蚀对承载力的影响

钢筋发生腐蚀，导致钢筋与混凝土之间的紧密粘结失效，混凝土对钢筋的握裹力下降的同时，平面假定中的钢筋与混凝土间的平面协调变形假定消失。另外，钢筋锈蚀不仅会降低钢筋屈服强度的同时，还会减少钢筋的有效面积，严重影响构件的承载能力，构件由此而发生脆性破坏，增大了桥梁事故的发生机率。

为了探究钢筋锈蚀对混凝土构件的承载力的影响，根据前文的定性化分析，分别定义了：钢筋屈服强度降低系数α、截面钢筋腐蚀率η和截面抗力降低系数k三个受腐蚀影响的效应系数。三者之间的关联性如图1中所示。

图1 腐蚀效应三参数间的关联性

2.1 屈服强度降低系数的确定

对于钢筋锈蚀所引起的钢筋屈服强度的变化，国内外有较多的学者在大量的试验数据中总结得出：当普通钢筋外周锈蚀率低于5%时，钢筋锈蚀的分布较为均匀时，锈蚀对钢筋的影响较小，可以忽略锈蚀对钢筋力学性能的降低影响[4]。而当锈蚀程度较高时，钢筋氧化锈蚀带来的金属晶格缺陷，使得在锈蚀部位出现较大的应力集中。同时有效截面面积的减少，使得锈蚀钢筋的屈服强度、极限强度和伸长率都出现明显的降低。钢材的强度和延性出现明显下降。此时的钢筋屈服强度折算公式采用下式计算：

(1)

2.2 截面抗力降低系数的确定

钢筋与混凝土间的粘结性能是保证钢筋和混凝土共同发生应变，是形成截面抗力的基础。截面中的钢筋发生锈蚀后，锈蚀附近的钢筋表面会形成疏松的铁锈层。随着锈蚀程度的进一步增大，钢筋与混凝土之间粘结效应失效的同时，铁锈产物的体积膨胀会导致钢筋周围混凝土产生径向拉应力[7]。故而，通过截面抗力降低系数k来定义钢筋和混凝土之间的粘结状态，对确定钢筋锈蚀对构件的承载力影响有着明显的实际意义。然而，截面抗力降低系数k的取值往往受到多种因素的影响而难以确定，例如混凝土的强度等级、热轧钢筋的类型、以及保护层的厚度，构件的受力类型等等。实际试验中数据表明，截面抗力降低系数k的取值范围在0.7～1.0之间[8]。

2.3 截面抗弯承载力计算

对锈蚀发生后的钢筋混凝土梁进行截面承载能力计算，完成锈蚀发生后梁承载能力影响的参数化分析。选取双筋矩形截面简支梁为例，截面混凝土采用C30级混凝土，其抗压强度设计值为14.3 N/mm2，普通钢筋采用HRB400钢筋，屈服强度为400 MPa。受压区普通钢筋配置为2Φ20。受拉区普通钢筋按双层配置，下层为3Φ25，上层为2Φ22。计算钢筋和混凝土的弹性模量分别为：混凝土弹性模量Ec为4.43E+04 MPa，钢材弹性模量Ep为195E+03 MPa。梁截面配筋示意图如图2所示。选取钢筋和混凝土的理想弹塑性本构模型进行截面承载力计算，根据截面的轴力和弯矩平衡即可推出式(2)和式(3)。

图2 双筋矩形梁截面(单位： mm)

(2)

∑M=0

(3)

2.4 截面抗弯承载力的参数化分析

1)当钢筋屈服强度降低系数取定值时。

分别考虑此时梁截面的截面钢筋腐蚀率从0～0.15变化时，截面抗力降低系数分别取0.7、0.8、0.9时梁的抗弯承载力计算值Mj随截面钢筋腐蚀率变化而产生的变化情况。计算结果于表1中列出。

表1 钢筋混凝土梁截面承载力计算表(α取定值)

从表1中可以发现，截面钢筋腐蚀率早期增大，截面弯矩承载力也出现明显的降低。而η后期的增大，截面抗弯承载力降低程度减弱。不同的截面抗力降低系数k的取值对计算的结果有一定的影响，弯矩承载力值的变化情况也逐渐较大。因此在实际工程中如何准确地选取截面抗力降低系数还需要进一步的探索。

2) 当截面抗力降低系数取定值时。

当截面抗力降低系数取定值0.8时，分别考虑此时梁截面的截面钢筋腐蚀率从0～0.15变化时，钢筋屈服强度降低系数分别取1.1、1.3、1.5时梁的抗弯承载力计算值Mj随截面钢筋腐蚀率变化而产生的变化情况。计算结果于表2中列出。

表2 钢筋混凝土梁截面承载力计算表(k取定值)

从表2中可以发现，主梁承载力在截面抗力降低系数的影响较截面钢筋腐蚀率变化时均会产生变化。同时，受钢筋腐蚀率影响的梁截面承载力折减率低于截面抗力降低系数所带来的折减效应，主梁承载力受截面抗力降低系数的影响较截面钢筋腐蚀率影响明显。

3 结语

通过分析实际工程中钢筋混凝土梁的裂缝、碳化程度、氯离子侵入深度等诸多病害带来的钢筋锈蚀影响，从钢筋混凝土间的协同工作原理出发，探究了钢筋腐蚀对主梁承载力的影响因素，并分别在截面承载力计算中以钢筋屈服强度降低系数α、截面钢筋腐蚀率η和截面抗力降低系数k这三个相互关联的效应系数对钢筋发生腐蚀后的梁截面抗弯承载能力计算公式进行优化，为后期钢筋混凝土梁的承载能力评定、主梁的加固设计及防锈设计提供了参考。通过对截面抗弯承载能力的参数化分析，得出了钢筋锈蚀发生后截面抗力降低系数为主梁承载力降低的控制性因素。然而，实际工程中如何准确地选取截面抗力降低系数还需要进一步的探索。

[1] 张彩霞. 锈蚀钢筋混凝土薄壁箱梁非线性分析[D].兰州：兰州交通大学,2006.

[2] 张建仁,胡守旺,彭建新. 在役钢筋混凝土桥梁退化机理、可靠性评估及维修策略多目标优化[J]. 重庆交通大学学报(自然科学版),2013(6):1123-1127，1132.

[3] 吴金海. 海洋环境下混凝土结构耐久性研究[D].杭州：浙江大学,2004.

[4] 刘祥. 氯盐环境下钢筋混凝土桥梁耐久性概率评估[D].长沙：湖南大学,2013.

[5] 李自超. 锈蚀钢筋混凝土构件性能退化及承载力研究[D].上海：同济大学,2006.

[6] 张伟平,商登峰,顾祥林. 锈蚀钢筋力学性能研究现状分析[J]. 工业建筑,2005(S1)706-709.

[7] 孙彬,牛荻涛,王庆霖. 锈蚀钢筋混凝土梁抗弯承载力计算方法[J]. 土木工程学报,2008(11)1-6.

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1008-844X(2017)02-0205-03

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