锈蚀钢筋与混凝土之间黏结强度的分析模型.pdf

2 0 1 3 年 第 7期 (总 第 2 8 5 期 ) Nu mb e r 7 i n 2 01 3 ( To t a l No2 8 5) 混 凝 土 Co n c r e t e 理论研究 THEORETI CAL RES EARCH d o i ： 1 0 3 9 6 9 i s s n 1 0 0 2 - 3 5 5 0 2 0 1 3 0 7 0 0 9 锈蚀钢筋与混凝土之间黏结强度的分析模型 滕海文 l a , b ，贺志远 佰 ，赵卓 z ( 1 北京工业大学 a 建筑工程学院；b 城市与工程安全减灾省部共建教育部重点实验室，北京 1 0 0 1 2 4 ； 2 郑州大学 土木工程学院，河南 郑州 4 5 0 0 0 1 ) 摘要： 基于受均匀分布压力作用的厚壁圆筒模型 ， 对不同约束条件下混凝土对钢筋的径向约束力进行 了分析 ， 通过锈蚀钢筋 混凝土黏结破坏时的极限状态分析， 建立了锈蚀后钢筋与混凝土之间黏结强度的理论模型。 通过国内外的相关试验进行了模型的 验证 ， 结果表明， 模型可有效预测不同约束条件下锈蚀钢筋与混凝土之间的黏结强度。 关键词： 混凝土；锈蚀；钢筋 ；黏结强度 ；模型 中图分类号： T U5 2 8 0 1 文献标志码： A 文章编号 ： 1 0 0 2 3 5 5 0 ( 2 0 1 3 ) 0 7 0 0 3 0 0 3 An a l y t i c a l m o d e l o f bo n d s t r e n g t h b e t we e n c or r o d e d r e i n f o r c e m e n t a n d c o n c r e t e TENG Ha i we n ， HE Z hi y u a nl a ZHAO Zh u o ( 1 a T h e Co l l e g e o f A r c h i t e c t u r e a n d Ci v i l E n g i n e e r i n g； b B e ij i n g K e y L a b o f E a r t h q u a k e E n g i n e e r i n g a n d S t r u c t u r a l R e o fi t ， B e ij i n g U n i v e r s i t yo f T e c h n o l o g y ， B e i j i n g 1 0 0 1 2 4 ， C h i n a ； 2 S c h o o l o f Ci v i l E n g i n e e r i n g ， Z h e n g z h o u Un i v e r s i ty， Z h e n g z h o u 4 5 0 0 0 1 ， Ch i n a ) Abs t r a c t ： Ba s e d t h e t hi c k wa l l c y l i n d e r mo de l wh i c h wa s o n t h e u n i f o r m d i s t r i b u t i o n pr e s s u r e ， i t a n a l y z e d t he c o nc r e t e S r a d i a l b i nd i n g f o r c e t o t h e r e i nf o r c me n t u nd e r d i f f e r e n t c o ns t r a i n t c o n d i t i o ns An d e s t a b l i s h d b o n d s t r e ng t h mod e 1 be t we e n c o r r o s e d r e i n f o r c e me n t a n d c o n c r e t e o n t he a n a l y s i s t he c o r r o d e d r e i n f o r e e d c o n c r e t e S b o nd f a i l u r e o f l i mi t s t a t e I n t h e e n d i t v e r i fie d t he mo d e 1 t hr o u g h t h e d o me s t i c a n d i n t e r n a t i o n a l r e l e v a n t t e s t t h e r e s u l t s h o we d t h a t t h e mo d e l c o u l d e f f e c t i v e l y p r e d i c t t h e b o n d s t r e n gth b e t we e n r e i n f o r c e me n t a n d c o n c r e t e u n d e r d i f f e r e n t c o ns t r a int c o n d i t i o n K e y wor d s ： c o n c r e t e ； c o r r o s i o n； r e i n f o r c e me n t ； b o n d s t r e n g t h； mo d e l 0 引 言 锈蚀钢筋 与混凝土之 间黏结性能的退化是分析锈蚀 钢筋混凝土结构剩余承载力 的关键 ， 因此锈蚀钢筋与混凝 土之间的黏结性能已成为近年来的研究热点 。 2 0 0 5 年王小 惠、 刘西拉_ 1 _通过考虑钢筋 的锈蚀对钢筋几何尺 寸和混凝 土保护层有效厚度的影响 ， 建立 了劈裂破坏时锈蚀钢筋与 混凝 土之间黏结强度的理论模型。 2 0 0 7 年 B h a r g a v a 2 等人 基于已有的试验数据 ， 以与钢筋锈蚀程度有关的黏结强度 退化系数为基本变量 ， 建立了锈蚀钢筋混凝土黏结强度的 经验模型 。 2 0 1 1 年 L u a a yH u s s e i n 3 1 基于受均匀 内压 的厚壁 圆筒模型 ， 建立 了锈蚀钢筋与混凝土之间黏结强度退化的 分析模型。 从 国内外已取得 的研究成果可以看 出， 目前 ， 国 内外 尚未形成统一 的黏结 强度模 型的建立方法 ， 一方面 ， 通过数据拟合得到的黏结强度经验模型的适用范围有限， 另一方面 ， 目前所建立的黏结强度理论模型较为复杂 ， 计 算过程较为繁琐 ， 且模型的有效性 尚需进一步的验证 。 为了简化锈蚀钢筋混凝土黏结强度 的理论模型 ， 本研 究基于锈蚀钢筋与混凝 土黏结破坏 时的极限状态分析 ， 以 不 同约束条件下混凝土对钢筋的有效约束力为基础 ， 建立 了不 同约束条件下锈蚀钢 筋与混凝 土之 间黏结强度 的理 论模型。 1 模型建立 1 1 混凝土的最大径向约束力 对于拉拔构件的受力分析 ， 一般采用弹性力学 的方法 模拟， 将其看作受均匀分布压力作用 的厚壁圆筒4 1 ， 无箍筋 配制时的力学模型如图 1 所示 ， 有箍筋配制时的力学模型 如图 2 所示 。 图 1 、 2中， 为裂缝前沿至钢筋中心 的距离 ， 。为混凝土保护层表面至钢筋 中心 的距离 ， R 为箍筋 中 心至钢筋中心的距离 ， R为钢筋 的半径 。 当钢筋混凝土构件 中的钢筋受拉或锈蚀后 ， 由于机械 咬合作用或锈胀力的产生 ， 钢筋将对混凝土产生径向压力 q ， 从 而在混凝土 内部产生环 向拉应力 。 。 随着荷载或钢 筋锈蚀程度的增大 ， 当混凝土内的环 向应力超过其抗拉强 度时 ， 混凝土开裂 ， 进而产生径 向裂缝。 收稿 日期：2 0 1 3 ) 1 0 7 基金项 目：国家 自然科学基金资助项 目( 5 1 0 7 8 3 3 4 ) ； 北京市 自然科学基金重大项目( 8 1 0 0 0 0 1 ) 3 0 图 1 无箍筋配制时的力学模型 图 2 有箍筋配制时的力学模型 假设开裂部分混凝土环向应力 的分布如图 3 所示 。 由 文 献 4 5 】 可知 ， 当混凝土 内未配制箍筋时 ， q 的大小 与开 裂混凝土 的半径有关 ， 当 R y O 6 8 1 R 。 时 ， q ： 取得其最大值 ； 当混凝土 内配制箍筋时， q 的大小与 R 有关 ， 当 R T R 时 ， q 取得其最大值。 当q 取得其最大值时， 将与其对应的 q 定义为混凝土对钢筋的最大径向约束力 ， 以 表示； 与之 相应 的开 裂半径 定义为混凝土相对于钢筋 的最大约束半 径 ， 以 表示。 最大径向约束力与最大约束半径存在以下关系： 2 2 + ) 1 f g 2 ： q l 、 图 3 混凝土开裂部分受力分析 1 2 极 限状 态分析 钢筋与混凝土之间的黏结性能主要 由三部分组成 ， 即 钢筋与混凝土接触面上的胶结力 ， 因混凝土收缩握裹钢筋 而产生的摩 阻力 ， 以及因钢筋表面 凹凸不平与混凝土之间 产生的机械 咬合力 。 当混凝土中的钢筋受拉时， 钢筋混凝土 黏结破坏时的极 限状态如图 4 所示 ， 此 时钢筋与混凝 土之 间的黏结性能主要 由 A部分的机械咬合力组成 ， 以及 B、 C、 D部分 的胶着力和摩擦力组成。 钢筋 的锈蚀并不会改变 钢筋与混凝土之 间黏结力 的组成 ， 因此钢筋锈蚀后 ， 钢筋 与混凝土之间的黏结强度仍可表示为 ： 可 d + r 。 + ( 2 ) 式中 ： 耐 钢筋与混凝土之 间的胶着力 ； r 钢筋与混凝土之间的摩擦力 ； 变形肋与混凝土之间的机械咬合作用 。 将混凝 土对 钢筋的有效约束力达到其最 大值 定义为 图 4 混凝土中钢筋的受力模型 钢筋与混凝土之 间的黏结极 限状态 ， 则锈蚀钢筋混凝土之 间的极 限黏结状态可分为两部分 ， 与锈蚀钢筋混凝土之间 的摩擦力相应 的径 向力达到其黏结极 限状态 ， 简称为黏结 极 限状态 I ； 与变形肋和混凝 土之间的机械咬合作用相应的 径 向力达到其黏结极限状态 ， 称为黏结极限状态 I I 。 为了建 立锈蚀钢筋混凝土黏结强度的理论模型 ， 对 黏结破坏状态 做 了如下假定 ： 钢筋与混凝土之间的黏结破坏是按照黏结 极限状态 I ， 黏结极限状态 I I 的顺序进行的。 1 3 理 论 模 型 钢筋与混凝土之间的胶着力同 可表示为 ： r ( 8 1 0 ) x ( 3 ) 式中： 钢筋的锈蚀深度， = ( 1 - 、 ) R； p 钢筋 的截面损失率 ； ， = 混凝土的抗拉强度 。 因此 ， 钢筋与混凝 土之间的名义胶着力可表示为 ： 。 ( 4) Z 式 中： d 锈蚀后钢筋的直径 ， 2 ( ) ； 锈蚀后钢筋的基圆直径 ， d 0 9 6 d x ； 锈后肋高 ， h r x = O 0 7 d x ； f r 横肋 间距 1 w 0 6 d ； 口 挤压面倾角 ， 3 = 3 0 。 。 由钢筋的锈蚀引起 的混凝 土裂缝 半径小于其最大约 束半径时 ， 混凝土相对 于 B、 C 、 D部分的径 向约束力相等 ， 且等 于最大径 向约束力 ； 当 由钢筋的锈蚀 引起的混凝 土裂缝半径大于其最大约束半径时， 混凝土相对于 B、 c、 D部分的径 向约束力相等 ， 且 等于锈胀力 。 因此 ， 根据式 1 和文献 1 ， 5 的有关 内容 ， 与黏结极 限状态 I 相应 的径 向约 束力 可表示为 ： P 2 2 + 丁R oon- R 0 ) ( 量 R + 一R i2- R o 1( 尺 ) ( 5 ) R 0、 R 2 r R J o O 。 ( r ) d R 。( R c ) 式中： J 。 ( r ) d r 根据文 献求得1 ， R 根据文 献 5 求得。 因此 ， 钢筋与混凝土之间的名义摩擦力可表示为 ： ( 6 ) 口 t 式 中： 锈蚀钢筋与混凝 土之间的摩擦 系数 与钢筋锈蚀 深度 和临界钢筋锈蚀深度 有关 ， x - 0 3 7 0 2 6 ( ) 。 变形肋与混凝 土之 间的机械 咬合作用 ， 来源于钢筋在 31 受力时 由变形肋 对混凝 土产生 的斜 向压力 P和 由斜 向压 力 P引起 的混凝土之间的摩擦力 ， 如 图 5 所示 ， 这两种 力可正向分解为径向力和水平力 。 一般认为 ， 钢筋的锈蚀 不会引起混凝土之 间摩擦 系数的改变 ， 因此由变形肋所引 起 的黏结力主要与 P有关 ， 所 以此力的求解一直 以来为建 立变形钢筋与混凝土之间黏结强度的难点。 文献 7 根据劈 裂时变形肋间混凝土的应力状态分析 ， 建立了变形肋对 昆 凝土斜 向压力的求解方法 ， 该方法一直被后人所用 ， 但该 模型 的求解十分繁琐。 本研究基 于 T e p f e r s 受 均匀内压作 用的厚壁圆筒力学模 型 ， 以黏结破坏时混凝土对钢筋 的径 向约束力为基础， 建立了较为简便的方法。 图 5黏 结破坏 时 的受力 模型 如图 5 所示 ， 变形肋对混凝土 的挤压力 P与径 向力 q 和水平力 之间的关系可表示为 ： - r = Ps i n 8 + c o s fl L 7 1 q = Pc o s fl s i n fl ( 8 ) 式 中： 混凝 土之间的摩擦系数7 1 ， 0 6 。 假设 由钢筋锈蚀 引起 的混凝土 的开裂对变形肋与混 凝土之间的机械咬合作用没有影响。 根据 1 1 的内容 ， 与黏 结极 限状态 I I 相应 的径 向约束力等于混凝土对 钢筋的最 大径 向约束力 ， 所以 ， q 存在极大值 ， 且等于 。 因此变形 肋与混凝土之间的名义机械咬合作用可表示为 ： - -p 一 r q 1 。 s i n fl + z c o s fl c o s fl - A s i n fl d s i n fl 、 将式( 4 ) 、 ( 6 ) 、 ( 9 ) 代入式( 2 ) 中， 最终可得到锈蚀钢筋 与混凝土之间的黏结强度 ： + p s i n fl + z c o s fl 一 垒 ! c o s JB s i d s i n fl 2 模 型验证 钢筋锈 蚀程度 图6 文献 8 】 中黏结强度的理论值和试验值对比 钢 筋锈蚀程 度 ， 图 7 文献【 9 中黏结强度的理论值和试验值对比 锈蚀对钢筋混凝土黏结性能的有利影响 ； 当钢筋锈蚀程度 较大( 大于 1 ) 时 ， 模型的验证效果较为理想 ， 理论值与试 验值较为接近。 对于有箍筋配制的钢筋混凝土试件 ， 从 图 7中可以看 出： 当钢筋的锈蚀程度较 b ( b 于 5 ) 时 ， 模 型的理论值 与 试验值之间的误差较小 ； 当钢筋的锈蚀程度较大( 大于5 ) 时 ， 模 型的计算结果偏大 ， 其反映了箍筋保证混凝 土开 裂 后对钢筋约束力 的能力水平的降低 ， 因此 ， 建议采用 0 8的 折减系数 ， 模型修正后 的验证效果如图 8 所示。 ( 1 0 ) 3结论 为了验证模型的有效陛， 本研究对文献 8 9 中的试验数 据进行 了验证 ， 其中文献 8 的试件无箍筋 ， 文献 8 的试件有 箍筋。 试验基本参数如表 1 所示 ， 验证效果如图 6 、 7 所示。 表 1 试验基本参数 对于无箍筋配制的钢筋混凝土试件 ， 从图 6中可 以看 出 ： 当钢筋锈蚀程度较小( 小于 1 ) 时 ， 模型 的理论值与试 验值之 间的误 差较大 ， 原因是模 型在建立 中， 忽略 了钢筋 3 2 ( 1 ) 基于锈蚀钢筋混凝土黏结破坏时的极限状态分析， 本研究建立 了锈蚀钢筋与混凝 土之 间黏结强度 的理论模 型。 相对于 目前已有的理论模型， 本研究建立的模型实现了 不同约束条件 ( 是否配制箍筋 ， 混凝土是否开裂 ) 下锈蚀钢 筋混凝土黏结强度 的有效预测 。 ( 2 ) 对于无箍筋配制 时锈蚀钢筋与混凝 土之间黏结强 度的理论模 型 ， 当钢筋锈蚀程度较 J , n ， 由于模型在建立 中， 忽略 了钢筋锈蚀对 黏结性能 的有利影响 ， 模型不能有 效反映出锈蚀 钢筋混凝土 的黏结强度随钢筋锈蚀程度而 变化 的趋势 ， 建议取无锈时钢筋与混凝土之间的黏结强度 ， 以视为对锈蚀后钢筋混凝土黏结强度的保守估计 ； 当钢筋 下转第 3 6页 9 8 7 6 5 4 3 2 1 O 苫、 骥 褥 8 7 6 5 4 3 2 0 B d 酉 榛 图 8 普通混凝土第 5 层浇筑温度场等值线 外表面与空气接触 ， 在空气的对流环境中， 不断 的向空气 中 释放热量 ，因此大体积混凝土外表面温度要 比混凝土 内部 要低与实际完全相符 。 ( 2 ) 大体积混凝土内部的温度等值线呈圈形分布。 混凝 土在浇筑的过程 中， 随着施工层数的递增 ， 中心部位的温度 也是逐渐递增 ， 圈形范围逐渐缩小 。 而 中心部位 向外温度 逐渐递减 ， 符合浇筑规律 。 ( 3 ) 混凝 土每一层 的浇筑 ， 普通混凝 土中心部 位最高 温度始终大于堆石混凝土 中心最 高温度。 说 明了堆石混凝 土产生的水化热热量要小于普通混凝土所产生的。 由浇筑 的第五层图 8 、 9 可知， 此时普通混凝土内外温度梯度值将 近 1 4 ， 而堆石 昆 凝土内外温度梯度值只达到 1 O 。 产生 上接第 3 2页 锈蚀程度较大时， 模型可有效预测不 同锈蚀程度下钢筋与 混凝土之间的黏结强度 。 ( 3 ) 对于有箍筋配制时锈蚀钢筋与混凝土之间黏结强 度 的理论模型 ， 模 型可有效 预测不同锈蚀程度下钢筋与混 凝土之间的黏结强度 ， 但当钢筋锈蚀程度较大时， 应考虑 箍筋对保证开裂混凝土对钢筋约束力能力水平的降低， 建 议在本研究模型的基础上乘以 0 8 的降低系数。 参考文献 ： 【 1 】WA NG X i a o h u i ， L I U Xi l a B o n d s t r e n g t h n mo d e l i n g f o r c o r r o d e d r e i n f o r c e m e n t s 叨 C o n s t r u c t i o n a n d b u i l d i n g m a t e r i a l s ， 2 0 0 6 ， 2 0 ( 3 ) ： 1 77 1 8 6 2 】B HA RG AVA K， GHO S H A K， MOR I Y， e t a1 Mo d e l s f o r c o r r o s i o n - i n d u c e d b o n d s t r e n g t h d e g r e d a t i o n i n r e i n f o r c e d c o n c r e t e AC I Ma t e r i a l s J o u r n a l ， 2 0 0 7， 1 0 4 ) ： 5 9 4 6 0 3 3 HUS S E I N L An aly t i c a l mo d e l i n g o f b o n d s t r e s s a t s t e e l - c o n c r e t e i n t e r f a c e d u e t o c o r r o s i o n D T o r o n t o ， R y e r s o n U n i v e r s i t y ， 2 0 1 1 4 】 高向玲， 李杰 冈 筋与混凝土黏结强度的理论计算与试验研究叨 3 6 温度裂缝的理论温差值为 2 5 ， 两者浇筑形式都没有产生 温度裂缝的危险， 而堆石混凝土浇筑的效果更加显著。 分别 以 C 2 0的普 通混凝 土和堆石混凝 土技术对大体 积混凝土进行浇筑模拟， 对其所产生的温度场分布进行了 对比， 论证了堆石混凝土比普通混凝土在水化热产生更加 少 ， 内部温度更加低 ， 对裂缝控制更加有效 ， 同时已经前人 试验证 明， 堆石混凝 土和普通混凝土的抗压 、 抗拉 、 抗渗等 其他性能几乎一致 。 堆石混凝土浇筑这一新型技术在大体 积混凝土施工中普及具有广泛前景。 参考文献 ： 【 1 】潘定才 堆石混凝土热学性能试验与温度应力研究 D 】 E 京： 清 华大学 ， 2 0 0 9 【 2 】 刘昊 堆石混凝土综合性能试验与温度应力研究 D 】 E 京 ： 清华 大学， 2 0 1 0 3 3陈群山 大体积混凝土施工过程中的水化热分析及裂纹控制 D 】 湖北 ： 华中科技大学 ， 2 0 1 1 4 江见鲸 ， 等 混凝土结构有限元分析 M 】 E 京 ： 清华大学出版社 ， 2 0 0 5 5 】刘睫 大体积混凝土水化热温度场数值模拟 J 1 混凝土与水泥制 品 ， 2 0 1 0 ( 5 ) 6 郝文化 A N S Y S 土木工程应用实例( 第 3 版) M 北京： 中国水利 水电出版社 ， 2 0 1 1 7 】陈才生数学物理方程 M 南京： 东南大学出版社 ， 2 0 0 8 作者简介： 徐俊( 1 9 8 6 一 ) ， 男， 硕士研究生， 研究方向： 主要从事结 构工程研究。 联系地址： 安徽省淮南市舜耕中路 1 6 8号 安徽理工大学本部 ( 2 3 2 0 0 1 ) 联系电话： 1 5 0 5 5 4 1 8 9 3 9 建筑结构 ， 2 0 0 5 ， 3 5 ( 4 ) ： 1 0 1 2 5 卫军， 徐港， 王青锈蚀钢筋与混凝土黏结应力模型研究 建筑 结构学报， 2 0 0 8 ， 2 9 ( 1 ) ： 1 1 2 1 1 6 【 6 】孙彬 ， 牛荻涛锈蚀钢筋与混凝土的黏结强度模型f J 1 建筑结构 ， 2 0 0 9 ， 3 9 ( 2 ) ： 3 6 3 9 7 徐有邻变形钢筋一 混凝土黏结锚固性能的试验研究 D 】 E 京： 清华大学， 1 9 9 0 8 A UY EU NG Y， B AL A GUR U P， C HU NG L a n B o n d b e h a v i o r o f c o r r o d e d r e i nf o r c e m e n t b a r s J A C I Ma t e r i a l s J o u r n a l ， 2 0 0 0 ， 9 7 ( 2 ) ： 21 42 2 0 9 】肖小琼锈蚀钢筋混凝土黏结性能试验研究 D 】 湖南： 中南大学， 2 01 1 作者简介： 滕海文( 1 9 7 4 一 ) ， 女 ， 副教授 ， 研究生导师， 主要研究方 向： 结构耐久性分析、 结构损伤识别及维修加固。 联系地址： 北京市朝阳区平乐园 1 0 0 号 北京工业大学建工学院 ( 1 0 0 1 2 4 ) 联系电话 ： 1 3 5 8 1 9 2 5 9 3 1