锈蚀HRB500钢筋混凝土板抗弯性能试验研究

方亮 周云 易督航

摘   要：采用通电方式对配置HRB500级钢筋和普通钢筋的混凝土板进行加速锈蚀，并对锈蚀钢筋混凝土板进行抗弯承载力试验研究. 对比分析了不同锈蚀程度下钢筋混凝土板的破坏形态、抗弯承载能力、荷载-挠度曲线. 同时，通过试验研究了锈蚀钢筋受拉性能和黏结性能随锈蚀程度不同的变化规律. 考虑板内不同锈蚀程度的钢筋可能发生受拉屈服或黏结滑移破坏，提出锈蚀钢筋混凝土板抗弯承载力计算方法. 经过对比分析，试验结果与计算模型吻合良好，锈蚀板抗弯承载力计算值与试验值之比的平均值为1.019，标准差为0.081.

关键词：HRB500级钢筋;锈蚀;钢筋混凝土板;抗弯承载力

中图分类号：TU375.2                                 文献标志码：A

Experimental Study on Flexural Behavior of Corroded

Reinforced Concrete Slabs with HRB500 Bars

FANG Liang1，2，ZHOU Yun1?，YI Duhang3

（1. College of Civil Engineering，Hunan University，Changsha 410082，China;

2. Engineering College，Hunan Agricultural University，Changsha 410128，China;

3. School of Civil Engineering ，Southwest Jiaotong University，Chengdu 610031，China）

Abstract：The reinforced concrete slabs using HRB500 rebar and ordinary steel rebar were corroded by artificial accelerated method， and four-point bending test was applied on these corroded slabs. The failure modes， flexural capacity， load-deflection curves of the slabs were analyzed by comparing test specimens under different corrosion degree. This study further investigated the relationship between corrosion ratio and deterioration of tensile capacity and bond behavior of corroded steel. Considering the occurrence of reinforcement yielding and bond-slip due to different corrosion degree， a calculation method of flexural bearing capacity of corroded reinforced concrete slab was proposed. A good agreement between calculated values and tested results of the corroded reinforced concrete slab was achieved. The average ratio of calculated values to test results was 1.019， and the standard deviation was 0.081.

Key words：HRB500 bars;corrosion;reinforced concrete slab;flexural bearing capacity

钢筋混凝土结构中运用强度高、性能好的钢筋，既能提高构件受力性能、改善其使用功能，又方便拓展结构设计方法，还可以节省材料，具有十分明显的经济效益. 20世纪80年代起国外普遍采用设计强度400 MPa以上的高强钢筋;欧美国家、日本等20世纪90年代以来对设计强度达500 MPa的钢筋进行了大面积的推广应用[1]. Apostolopoulos等[2-3]研究了锈蚀对S500级钢筋疲劳性能的影响. Sumpter 等[4-5]通过对比试验研究了配置高强钢筋和普通钢筋的混凝土梁，认为使用高强钢筋可提高抗剪承载力. 我国对高强度钢筋的研发和应用起步稍晚，但随着我国建筑用钢筋体系不断完善，HRB500级系列高强钢筋已进入规范，并制定了“加快淘汰335 MPa、优先使用400 MPa，积极推广500 MPa螺纹钢筋”的技术路线[6]，因此全国各研究机构和高校进行了大量试验研究. 沈宇[7]、徐风波[8]、李琼[9]分别通过试驗对配置HRB500级钢筋的混凝土梁的抗弯承载力、正常使用开裂和挠度问题进行了研究. 张艇[10]对HRB500级钢筋混凝土简支梁和连续梁的受弯及受剪性能进行了试验研究. 江涛[11]对配置HRB500级钢筋的混凝土框架结构进行了静力试验研究. 于秋波[12]通过试验研究了配置HRB500级钢筋的部分预应力混凝土梁的受力特点和破坏形态. 王铁成等[13-14]研究了高强钢筋混凝土构件在静力荷载作用下的抗弯、抗剪性能和低周往复荷载作用下的抗震性能. 丰见政[15]对比研究了配置HRB500级钢筋混凝土梁常温下和高温后的力学性能. 金伟良等[16]对锈蚀HRB500级钢筋混凝土构件的受力性能进行了试验研究. 总结来看，因钢筋锈蚀引起的混凝土结构耐久性问题研究周期长、试验离散性较大，因此目前针对配置HRB500级钢筋的混凝土构件耐久性问题研究较少[17]. 另外，结合市场调查和工程实际情况发现，HRB500级系列钢筋仅在沿海较发达地区使用较多，中部地区普及程度仍然较低. 本次试验通过对加速锈蚀后的钢筋混凝土足尺板进行静力抗弯试验，结合同等条件下混凝土内锈蚀钢筋的黏结强度和抗拉强度，对比分析锈蚀对配置HRB500级钢筋混凝土板抗弯性能的影响，为高强钢筋混凝土构件耐久性设计以及高强钢筋在工程中进一步推广应用提供更多数据支持和研究依据.

式中：N为钢筋所受拉力，N;d为钢筋的直径，mm;l为黏结长度，mm，本次取250 mm.

相对黏结强度kτ为同系列试件中锈蚀试件与未锈蚀试件的黏结强度之比（如图13所示）. 为简化计算，不考虑锈蚀率较低时黏结力的提高. 通过回归分析得到kτ与锈蚀率之间的关系如式（5）. 锈蚀率较低时kτ取1.0，使计算结果偏于安全.

3   抗弯承载力试验结果

3.1   试件锈蚀情况

足尺板试件裂缝多出现在板底部对应纵筋的位置，并沿纵向从试件跨中向两端开展（如图14所示）. 足尺板侧向保护层厚度较大，但也有部分板侧面对应纵向钢筋位置处出现纵向裂缝（S1-1M、S1-2H、S2-2M、S2-2H）. 锈胀裂缝情况详见图15（纵向）. 钢筋锈蚀情况详见表6.

3.2   抗弯破坏形态

锈蚀钢筋混凝土板受弯的破坏模式以受压区混凝土压碎破坏为主，破坏过程仍分为3个阶段：整体工作阶段（弹性）、带裂缝工作阶段（塑性发展）、破坏阶段. 对比图15中不同试件受力裂缝（横向）情况，未锈蚀钢筋混凝土板受弯破坏时，板底和板侧产生丰富的受弯裂缝;钢筋锈蚀构件破坏时，受弯裂缝数量减少. 同系列试件，锈蚀率越高，试件破坏时产生的受力裂缝减少越明显. 加载过程中，受弯裂缝开展会因既有锈胀裂缝而改变方向. 随锈蚀率增大，板底受力裂缝开展趋于集中，或产生一条主裂缝. 此情况在钢筋强度较低的S1-1和S2-1系列试件中更为明显. 当锈蚀率过高时，由于板底出现横向发展的锈胀裂缝，如试件S1-1M和S1-1H受力裂缝与横向锈胀裂缝重合，其中试件S1-1H因锈蚀率过大，且板底横向锈胀裂缝开展充分，试件在加载初期就沿横向锈胀裂缝发生断裂.

3.3   试件荷载-挠度曲线

图16所示为试件S、N两侧跨中荷载-挠度曲线（D3，D7）. 同系列试件在加载初期的整体工作阶段，未锈蚀试件的荷载-挠度曲线斜率最大，试件曲线斜率随锈蚀率增大出现不同程度的减小;同系列试件中，未锈蚀试件的屈服阶段最明显，锈蚀试件的屈服过程明显变短. 配置普通HRB400级钢筋的试件，当锈蚀率达到15%左右时，基本无明显的屈服阶段;配置HRB500E级高强钢筋的试件，屈服阶段随锈蚀率增大而变短的幅度较小. 试件S1-1M和S2-1H板侧的锈胀裂缝，在加载后期不断发展，且与受力裂缝相互影响，使板出现了轻微的扭转，表现为试件D3和D7处位移差略大. 分析试验结果（表6）可知，锈蚀率对试件的開裂荷载影响较小. 试件抗弯承载力和跨中挠度值都随钢筋锈蚀率增大而减小.

3.4   锈蚀率对抗弯性能的影响

定义相对抗弯承载力kM为同系列试件中锈蚀试件抗弯承载力与未锈蚀试件抗弯承载力之比（见表6）. 通过回归分析可知，试件抗弯承载力随锈蚀率增大而呈线性减小（如图17所示）. 对比配置HRB400和HRB500E级钢筋试件的kM曲线，前者的斜率较后者的大44%. 说明配置HRB500E级钢筋的试件，抗弯承载力随锈蚀率增大下降较缓慢，锈蚀后的剩余抗弯承载能力较强.

钢筋混凝土足尺板刚度随锈蚀率增加而减小，表现为试件峰值荷载时的跨中挠度随钢筋锈蚀率增加而减小. 定义相对跨中挠度kD为同一系列试件中，锈蚀后试件的跨中挠度与未锈蚀试件的跨中挠度之比（见表6）. 试件跨中挠度值随锈蚀率增大的变化较为离散，但通过对挠度数据进行分析可知，锈蚀后抗弯试件的挠度变化基本符合线性减小的变化规律（如图18所示）. 对比配置HRB400和HRB500E级钢筋试件的kD曲线，跨中挠度下曲线斜率分别为4.34%和2.6%，即随锈蚀率增大，前者跨中挠度下降率较后者快66.9% （如图18所示）. 配置HRB500E级钢筋的试件，跨中挠度随锈蚀率增大下降较为缓慢，锈蚀后的变形性能更好.

3.5   混凝土应变

图19、图20分别是试件S2-2H混凝土的荷载-应变图和跨中截面混凝土的应变沿截面高度变化的情况. 随锈蚀率增大，钢筋可能发生黏结滑移，但通过比较分析发现，钢筋屈服或发生黏结滑移破坏前，试件发生弯曲变形基本符合平截面假定.

4   抗弯承载力计算

4.1   试件破坏模式

随着锈蚀增加，钢筋的（名义）屈服强度和钢筋与混凝土的黏结性能都会下降，试件受弯时可能出现钢筋受拉屈服或黏结滑移2种破坏情况：

式中：Fy，C为钢筋的屈服拉力，N;Fτ，C为钢筋与混凝土的黏结力，N;fy，C为受拉钢筋的屈服强度，MPa，按式（2）计算;d为受拉钢筋的直径，mm，取钢筋的公称直径;τC为受拉钢筋与混凝土的平均黏结强度，MPa，按式（5）计算;lb为受拉钢筋的计算黏结长度，mm.

4.2   承载力计算

经过试验验证，锈蚀钢筋混凝土受弯构件仍基本符合平截面假定. 考虑试件中受拉钢筋锈蚀不均匀，抗弯承载力计算公式可写为：

式中：Mu，C为试件的抗弯承载力，N·mm;α1为等效系数，混凝土强度等级不高于C50时取1.0;fc为混凝土轴心抗压强度，MPa;b为试件截面宽度，mm;h0为试件截面有效高度，mm;Ft，i为每根受拉钢筋提供的抗拉承载力，N，取Fy，C和Fτ，C中的较小值;n为受拉钢筋根数.

足尺板抗弯试验采用四点加载方式，因此计算黏结长度lb = 700 mm. 试件承载力试验值与计算值的统计分析详见表6，所有试件抗弯承载力的计算值与试验值之比的平均值为1.067，标准差为0.113. 其中锈蚀板抗弯承载力的计算值与试验值之比的平均值为1.019，标准差为0.081，说明计算值与试验结果吻合较好.

5   结   论

采用通电方式对配置高强钢筋和普通钢筋的混凝土板进行加速锈蚀;通过锈蚀钢筋抗拉试验、锈蚀钢筋混凝土拉拔试验以及锈蚀钢筋混凝土板抗弯试验，对比研究锈蚀对高强钢筋混凝土板抗弯性能的影响，并根据试验结果对锈蚀板抗弯承载力进行了计算.

1）通过锈蚀钢筋单向拉伸试验测得HRB500E

级和HRB400级锈蚀钢筋的屈服强度、极限强度和伸长率均随锈蚀率增加呈线性减小.

2）锈蚀HRB500E级和HRB400级钢筋半梁式

拉拔试验结果表明：当锈蚀率<2.6%时，可不考虑锈蚀对钢筋与混凝土黏结强度的增大影响;锈蚀率>2.6%时，钢筋与混凝土黏结强度随锈蚀率增大而线性减小.

3）配置HRB500E级和HRB400级钢筋的混凝

土板，锈蚀后抗弯性能变化规律基本一致，即钢筋锈蚀率增大，试件抗弯承载力和变形性能退化明显. 其中，试件抗弯承载力和跨中挠度都随锈蚀率增大而线性减小. 且随锈蚀率增大，配置HRB400级钢筋的试件，承载力下降较快，跨中挠度减小更显著;而配置HRB500E级钢筋的试件，钢筋锈蚀后的剩余抗弯承载能力和变形性能都较强.

4）考虑板内纵筋锈蚀程度不统一，建立锈蚀钢筋混凝土板受弯破坏模式的判别方法，再利用平衡关系，计算锈蚀钢筋混凝土板抗弯承载力. 计算结果与试验结果吻合良好.

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