低循环反复荷载下腐蚀钢筋混凝土柱抗震行为

枚东华

(江西省建工集团有限责任公司,江西 南昌 330001)

0 引言

在钢筋混凝土(RC)结构的长期使用中,材料的老化和钢筋的内部腐蚀会直接导致钢筋混凝土结构在使用周期内的力学性能和耐久性下降。其中氯化物引起的侵蚀、干湿循环和混凝土碳化被认为是导致钢筋腐蚀的主要因素,当结构位于海洋环境时,会使混凝土结构进一步恶化[1]。此外,钢筋的锈蚀会导致钢筋的力学性能、钢筋与混凝土之间的黏结滑动性能恶化,混凝土构件的截面破坏,结构的承载能力和变形能力下降,甚至会造成建筑物的破坏,危及人们的安全。目前,在传统的结构设计中没有考虑混凝土结构的耐久性[2],在役结构的设计安全等级相对低于未受腐蚀的受损结构,这些几十年前设计的结构存在一系列缺陷。许多破坏性地震的震后调查报告也表明,腐蚀柱在地震带中破坏严重。因此,有必要关注地震带中被腐蚀的RC柱,并进一步研究腐蚀程度对RC柱抗震行为的影响。

虽然很多学者对受腐蚀RC柱的抗震性能做了大量的调查,但研究领域主要集中在只对纵向钢筋腐蚀或只对箍筋腐蚀的实验研究。但是关于箍筋腐蚀和纵筋腐蚀分别对柱子抗震性能退化的影响的实验研究很少,特别是对于腐蚀严重的箍筋[3],腐蚀程度对柱子破坏模式的影响仍需进一步探讨。

基于此,本文对8根腐蚀RC柱进行了低频循环荷载试验,研究了不同钢筋腐蚀程度对RC柱抗震性能的影响。同时,得到了腐蚀RC柱的滞回曲线、骨架曲线、刚度延性组成的抗震性能指标,并与未腐蚀RC柱进行了比较。

1 试验方案

1.1 试验材料

为了研究不同钢筋锈蚀程度(质量分数)的钢筋混凝土(RC)柱的抗震行为,设计并建造了8个全尺寸相同的试件,分别标为Z1—Z8。Z1试件保持未腐蚀,Z2—Z4为仅有纵向钢筋腐蚀的试件,相应的目标电化腐蚀率分别为5%,10%和15%。同时,Z5—Z8试件为仅有箍筋腐蚀的钢筋混凝土柱,箍筋的电化腐蚀率分别为8%,16%,24%和32%。RC柱试样的基本参数在表1中给出。此外,RC柱试件的方形截面尺寸为300 mm×300 mm,每个试件的整体高度为1 525 mm,混凝土净面为30 mm。所有试件的剪跨比和轴压比分别为3.4和0.4。此外,每个试件的纵向钢筋为8根直径为14 mm的钢筋,横向钢筋直径为10 mm,间距为100 mm。

表1 钢筋混凝土柱试件的基本参数

RC柱的设计强度等级为C40,28 d后测量的标准立方体的抗压强度为42.3 MPa。混凝土的弹性模量和抗拉强度分别为3.3×104MPa和3.1 MPa。8根HRB400 D14(直径14 mm)钢筋被作为每个试样的纵向配筋。Z1—Z8的配筋率为1.36%,HPB300 D10光滑钢筋的间距为100 mm,用作试样的箍筋。纵向钢筋由横向钢筋固定,以确保RC柱中的核心混凝土具有良好力学性能。根据GB/T 228.1—2010标准,直径为14 mm和10 mm的钢筋屈服强度分别为525 MPa和390 MPa,抗拉强度为665 MPa和394 MPa。

1.2 加速腐蚀试验

在RC结构的实验研究中,通电加速腐蚀试验一直是一种常见的腐蚀方法。因此,本研究采用了外部电流技术,在合理的时间内诱发试验试件的腐蚀,并在试验前获得了所有试件的目标腐蚀率和腐蚀时间。为了模拟RC柱中钢筋的实际非均匀腐蚀状态,将28 d固化后的这些试样浸泡在一个装有质量分数为5%的NaCl溶液的容器中。在电化腐蚀试验前,对试验区域的钢筋质量进行称重。在试验中,钢筋笼中的纵筋或箍筋作为阳极,而附着在试样上的不锈钢网则作为直流电源的阴极。为了防止纵向钢筋被电腐蚀时,箍筋受到腐蚀的影响,纵向钢筋和箍筋的接触位置被绝缘床垫隔开。为了使钢筋的腐蚀有一个合理的时间,Z2—Z4的纵筋和Z5—Z8的箍筋的电流密度分别设计为1.16 mA/cm2和2.56 mA/cm2。

2 结果与讨论

2.1 滞回曲线和能量耗散能力

循环载荷-位移滞回曲线是通过柱顶的力和位移传感器直接测量的。同时,为了清楚地呈现腐蚀对RC柱试件循环响应的影响,图1分别绘制了未腐蚀试件(Z1)和每一个腐蚀试件的滞回曲线对比。从图1可以看出,在加载初期,荷载随位移线性增加,在试件屈服前[4],其滞回环所包围的区域并不丰满或明显。随着荷载的进一步反复和增加,试样的塑性变形已经开始出现,刚度逐渐下降,试样开裂后滞回环的斜率下降。滞回环路所包围的区域已经形成并不断发生较大变化。此外,观察到试样Z1的滞回曲线的捏合现象并不显著,呈现出饱满的梭形,具有较好的耗能能力。同时发现,随着钢筋锈蚀程度的增加,滞回曲线的捏合现象逐渐增加,极限荷载后的滞回变得更加不稳定。同时,比较Z1和Z5—Z8试件,发现随着箍筋腐蚀度的增加,滞回曲线的丰满度先增大后减小,在极限荷载下,Z5的滞回环比试件Z1略大,如图1(e)所示。但是随着腐蚀程度的增加,Z6的能量耗散能力明显下降,周围较窄,如图1(f)所示。因此,可以清楚地看到,对于腐蚀程度较低的箍筋的柱子,滞回曲线的丰满度和试件的能量耗散能力略有增加,当箍筋的腐蚀比达到15.2%时[5],滞回曲线的丰满度和能量耗散能力明显下降。这是因为腐蚀程度在8.9%以内的箍筋产生了轻微的膨胀,加强了箍筋与混凝土的结合,通过对混凝土的有效约束,试件的力学性能和变形能力得到了提高,在一定程度上提高了试件的承载力和延性。钢筋与混凝土之间出现了黏结滑移,随着腐蚀程度的不断增加,由于钢筋截面的减少,出现了黏结劣化现象并明显增加。同时,一些裂缝进一步发展和渗透,导致试样的承载力和刚度随着箍筋腐蚀程度的不断增加而迅速下降。

2.2 骨架曲线

骨架曲线是低循环加载试验过程中所有循环峰值的包络线,可以准确反映强度、延性和变形的地震行为。所有试件的骨架曲线均由滞回曲线得到,并绘制在图2中,其中图2(a)为Z1—Z4试件的骨架曲线,图2(b)为Z1,Z5—Z8试件的骨架曲线。从图2中可以看出,所有试件的应力-应变过程都呈现出弹性、弹塑性和破坏阶段。当侧向力小于50 kN时,各试件的侧向位移很小,骨架曲线的斜率基本恒定,所有试件的骨架曲线基本一致,说明力与位移之间呈线性关系。同时,可以得出结论,在弹性阶段,钢筋的锈蚀和混凝土的破坏对骨架曲线没有明显影响。然而,当加载力超过50 kN时,可以观察到在钢筋屈服之前,各试件的骨架曲线差异逐渐增大。

随着纵向钢筋锈蚀程度的增加,试件的屈服荷载、峰值荷载和极限荷载随着纵向钢筋锈蚀程度的增加而逐渐下降,分别下降了9.7%,15.3%和14.5%。如图2(b)所示,试件的承载力随着纵筋和箍筋的腐蚀程度增加而明显下降,最大降幅分别达到15.3%和19.8%。同时发现,腐蚀比为15.2%的Z6试件的屈服荷载、峰值荷载和极限荷载均小于腐蚀比为9.55%的Z3纵筋试件,但二者的差异很小,只有5.1%。腐蚀度为28.6%的箍筋的Z8试件的承载力小于Z3试件,下降了11.8%。这表明,混凝土损伤和钢筋锈蚀对试件骨架曲线的影响已经开始显现[6-7]。因此,钢筋锈蚀和混凝土对纵筋屈服后试件的力学性能有显著影响,尤其是对这些箍筋锈蚀严重的试件。当试件接近破坏阶段时,混凝土覆盖层完全失去作用,混凝土和钢筋之间发生黏结滑动。

2.3 延性分析

为了研究钢筋锈蚀程度对试件延性系数的影响,将延性系数与纵向钢筋和箍筋腐蚀率的关系曲线绘制在图3中。从图3中可以看出,纵向钢筋的延性系数与箍筋试件相比,分别下降了1.2%,6.3%和13.4%。因此,可以得出结论:随着纵筋腐蚀程度的增加,试件的延性系数逐渐下降。但对于箍筋试件,与纵向钢筋试件相比,试件的位移延性系数分别增加了1.1%,-20%,-17.1%和-18.7%,说明随着箍筋腐蚀程度的增加,试件的延性系数有先增加后减少的趋势。此外,值得注意的是,箍筋腐蚀对试件的位移延性系数有较明显的影响,对于箍筋腐蚀程度为15.2%的试件,约减少20%。这是因为当箍筋腐蚀达到一定程度时,试件的破坏模式由延性弯曲破坏变为延性较差的脆性剪切破坏。当箍筋腐蚀率超过15.2%时,试件的位移延性系数明显下降。且随着腐蚀程度的进一步增加,混凝土中钢筋表面的膨胀和脱落现象急剧产生与发展[8]。腐蚀破坏的钢筋相当于钢筋截面面积的减少,钢筋笼在塑性铰接区对核心混凝土的约束作用明显减弱。同时可观察到纵向钢筋锈蚀程度在14.7%以内的试件延性系数大于箍筋锈蚀程度在15.2%以内的试件,而在纵向钢筋锈蚀程度为20%的延性系数比箍筋的延性系数提高了23.3%。

2.4 初始刚度

同时,为了进一步揭示纵向钢筋和箍筋腐蚀对试件初始刚度的影响,图4为初始刚度与钢筋腐蚀率的关系曲线。从图4中可以看出,与纵向钢筋试件相比,箍筋的初始刚度分别增加了9.1%。研究发现,当纵筋的腐蚀比小于9.6%时,通过提高腐蚀比可以在一定程度上改善试件的初始刚度。然而,当纵筋的腐蚀比大于9.6%时,试件的初始刚度迅速下降。在荷载达到峰值位移后,纵筋腐蚀的试件的刚度退化幅度略大于箍筋的试件。此外,在整个加载过程中,纵筋严重锈蚀的试件的刚度退化幅度要大于箍筋的刚度退化幅度。此外,从图4中还可以明显看出,与纵向钢筋相比,箍筋的初始刚度分别增加了18.5%。为此,可以得出结论,腐蚀率在14.7%以内的纵向钢筋试件的性能劣化要比15.2%的箍筋腐蚀的试件要小。

3 结论

1)腐蚀破坏对RC柱的延性、承载力、刚度能力有很大影响。随着钢筋腐蚀率的增加,柱子的滞回曲线饱满度、刚度和塑性变形性能逐渐降低,滞回曲线的捏合现象明显增加。箍筋锈蚀对柱子抗震性能的影响比纵向钢筋锈蚀的影响大。与未腐蚀的柱子相比,纵向钢筋腐蚀率为14.7%的柱子,其延性系数降低了13%。然而,随着箍筋的进一步腐蚀,腐蚀比为15.2%的柱子的延性明显下降,分别减少了20%。

2)轻微腐蚀的箍筋对试件的延性和刚度影响不大,甚至改善了混凝土柱的抗震性能,腐蚀对钢筋与混凝土之间的黏结有增强效果。严重腐蚀的箍筋对柱的抗震性能有显著影响,当箍筋腐蚀比超过15.2%时,柱的抗震行为明显降低,在结构的抗震设计中应谨慎考虑这种不利影响。