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78 四川建筑科学研究 S i c h u a n B u i l d i n g S c i e n c e 第 3 9卷第 1期 2 0 1 3年 2月 钢筋锈蚀对混凝土梁抗扭承载力的影响 王凤池， 陈 锋， 王国业， 任绍南 ( 沈阳建筑大学土木工程学院， 辽宁 沈阳1 1 0 1 6 8 ) 摘要 ： 为了研究钢筋锈蚀对纯扭构件承载力的影响， 基于对 1 2根模型梁的快速锈蚀， 对不同锈蚀率的混凝土梁 进行纯扭加载试验。构件初始裂缝大部分出现在 1 3梁跨处附近， 很少出现与初始斜裂缝相一致的极限主裂缝。 锈蚀梁力一 位移曲线没有明显的屈服阶段， 构件破坏呈脆性。梁的抗扭极限承载力随锈蚀率的升高而降低， 在相同 锈蚀率下箍筋锈蚀构件的承载力下降较多， 延性降低趋势显著。研究表明， 钢筋锈蚀削弱了构件开裂前的抗扭刚 度， 降低了钢筋自身的抗扭能力， 导致混凝土梁的抗扭承载力下降。考虑了钢筋锈蚀的变角空间桁架法计算结果 与试验结果符合较好。 关键词： 混凝土结构； 钢筋锈蚀； 抗扭 中图分类号： T U 3 7 5 5 文献标志码： A 文章编号： 1 0 0 8 1 9 3 3 ( 2 0 1 3 ) 0 1 0 7 8 0 4 Effe c t s o f s t e e l c o r r o s i o n o n c o n c r e t e b e a m t o r s i o n a l b e a r i n g c a p a c i t y W ANG Fe n g c h i ， CHEN Fe n g， W ANG Gu o y e， REN S h a o n a n ( S c h o o l o f C i v i l E n g i n e e ri n g ， S h e n y a n g J i a n z h u U n i v e r s i t y ， S h e n y a n g 1 1 0 1 6 8 ， C hi n a ) Ab s t r a c t ： I n o r d e r t o s t u d y e ff e c t s o f s t e e l c o r r o s i o n o n t h e t o r s i o n a l b e a ri n g c a p a c i t y of c o n c r e t e b e a ms ， c o n s i d e r e d d i f f e r e n t c o r r o s i o n r a t e ， p u r e t o r s i o n a l l o a d i n g t e s t w e re c a r r i e d o u t f o r 1 2 f a s t r u s t mo d e l b e am s Mo s t o f t h e i n i t i a l c r a c k s a p p e a r e d n e ar t h e 1 3 bea m s p a n i n t h e c o mp o n e n t ， b u t t h e l i mi t ma i n c r a c k wa s r a r e l y c o n s i s t e n t w i t h t h e i n c h n e d i n i t i a l c r a c k T h e re i s n o o b o u s y i e l d s t a g e i n f o r c e - d i s p l a c e me n t c u r v e o f c o rro d e d b e a m， a n d t h e d a ma g e typ e i s b ri t t l e f a i l u r e T h e b e a m t o r s i o n al be a r i n g c a p a c i t y i n c rea s e s w i t h t h e c o r r o s i o n r a t e d e c r e asi n g I n t h e s a me c o r r o s i o n r a t e ， b e a r i n g c a p a c i t y o f t h e bea ms wh i c h s t i r r u p c o r r o d ed b e c o me s mu c h l e s s ， a n d t h e d u c t i l i t y t e n d s t o d e c r e ase s i g n i fi c ant C o n s i d e r e d t h e s t e e l c o rro s i o n ， t h e v a ri a b l e - a n g l e s p a t i a l t rus s mo d e l h as b e t t e r p rec i s i o n i n c alc u l a t i o n S t u d i e s s h o w t h a t t h e s t e e l c o r r o s i o n r e s ult s i n d e c r e a s i n g t h e t o rsi o n al bea r i n g c a p a c i t y t h r o u g we a k e n i n g t o r s i o n al s t i ff n e s s bef o r e c r a c k i n g ， and r e d u c i n g t h e s t e e l t o rsi o n al c a p a c i ty Ke y wo r d s： c o n c r e t e s t r u c t u r e s ； s t e e l c o r r o s i o n； d u c t i l i t y 0 前言 钢筋 锈蚀是 混凝 土构件 破坏 的首 要原 因 ( M e th a ， 1 9 9 1 ) 。锈蚀严重的钢筋混凝土构件不仅 影响构件的适用性 ， 而且 由于构件的承载性能退化 ， 还可能危及结构安全- 】 引。钢筋锈蚀对受弯构件的 影响主要导致钢筋截 面损失 、 钢筋性能劣化和粘结 性能的下降。C a s te l A等对暴露 1 4年自然锈蚀钢 筋混凝土梁进行的受弯试验表 明， 锈蚀梁的承载力 应考虑钢筋截面减小和黏结力损失 。M a n g a t P S 等对 1 l 1 根钢筋混凝土梁进行了锈蚀试验， 建立了 考虑腐蚀电流的钢筋锈蚀后构件剩余弯曲强度的计 算模型 J 。C a p o a z u c c a R基于完全黏结和平截面假 收稿 日期： 2 0 1 】 -0 9 - 0 7 作者简介： 王凤池( 1 9 7 0一 ) ， 男， 辽宁黑山人， 教授， 博士， 主要从事 土木工程的研究 。 基金项 目： 沈阳市科技计划项 目( F 1 0 1 4 4 - 9 -00) ； 辽宁省教育厅科 研 计划项 目( L 2 O 1 o 4 5 3 ) E m a i l ： c e f c wa n g z I1 e d u c n 设 ， 对锈蚀钢筋混凝土梁抗弯性能进行 了研究 ， 提 出 了截 面 强 度 的 直 接 法 和 反 分 析 法 J 。惠 云 玲 ( 1 9 9 7 ) 、 金伟 良( 2 0 0 1 ) 等综合考虑钢筋截面损失、 钢筋性能损失、 粘结性能的退化等， 分别给出了钢筋 强度降低系数， 用锈后钢筋混凝土协同工作降低系 数反应粘结性能退化的影响。惠云玲 ( 1 9 9 7 ) 、 史庆 轩( 1 9 9 9 、 2 0 0 1 ) 等对于锈蚀受压构件的研究表明， 影响偏心受压构件的承载力主要有两个方面 ： 一是 混凝土截面损伤和钢筋截面损失与力学性能退化； 二是锈蚀引起钢筋与混凝土之间粘结性能退化， 导 致钢筋与混凝土不能很好地协同工作。张伟平 ( 1 9 9 9 ) 根据不同的破坏形态推导了锈蚀受压构件 承载力的计算公式， 考虑了钢筋和 昆 凝土的截面损 失、 强度和粘结性能退化， 并考虑了锈蚀后受压区高 度的提高。 综上可见， 目 前对锈蚀混凝土构件承载力退化 研究方面取得了一些进展， 但对于锈蚀构件受扭情 况却研究不多 ， 而在建筑结构 中， 结构 处于受扭 四川建筑科学研究 第 3 9卷 的抗变形能力有很大的影响， 甚至导致构件 出现脆 性破坏特征。构件破坏后期 ， 锈蚀构件曲线下降 比 非锈蚀构件下降缓慢。 D | r nn l 图 5 ND曲线对比 F i g 5 F o r c e ( N) - d i s p l a c e me n t ( D)c u r v e s 构件初始裂缝大部分出现在 1 3梁跨处附近， 然后沿3 5 。 一 4 5 。 方向往两边延伸。当荷载达到极 限时， 裂缝宽度为 12 m m。裂缝最大宽度可达 7 1 2 m m。构件初始裂缝倾角与构件的最大裂缝倾 角不同， 初始裂缝一般与构件纵轴成 4 5 。 角左右， 而 最大裂缝倾角总是小 于 4 5 。 ， 很少出现与初始斜裂 缝相一致 的主裂缝。 当荷载渐近极 限时 ， 在构件表面形成更多螺旋 形斜裂缝 ， 构件成为带斜 向裂缝工作 的空间笼状结 构。表 l 为构件锈蚀率与裂缝倾角的关系。 表 1 裂缝倾角与锈蚀率的关系 Ta b l e 1 S t a t i s ti c s o f c o r r o s i o n r a t e a n d c ra c k i n c l i n a t i o n 纵筋锈蚀构件主裂缝与纵轴所成角度要比箍筋 锈蚀构件的大一些。纵筋锈蚀构件中， 钢筋锈蚀越 严重其主裂缝与纵轴所成角度越大； 箍筋锈蚀构件 中， 箍筋锈蚀得越严重， 其主裂缝与纵轴所成角度越 小。初始裂缝倾角与锈蚀率没有明显的规律。 3 钢筋锈蚀对受扭承载力的影响 3 1 钢筋锈蚀率对构件承载力的影响 钢筋锈蚀对构件的极限扭矩有明显的影响。图 6为纵筋锈蚀与箍筋锈蚀梁的抗扭极限承载力与锈 蚀率的关系。构件的抗扭极限承载力随锈蚀率的升 高而降低。在相同锈蚀率下箍筋锈蚀构件的承载力 下降较多， 在 P=6 时， 纵筋锈蚀构件的极 限抗扭 承载力降低 了 6 1 ， 箍筋锈蚀构件 的极限抗扭承 载力降低了 1 0 5 。这是因为钢筋锈蚀引起钢筋 截面减少和强度降低， 锈蚀产生的体积膨胀使混凝 土保护层沿钢筋方向开裂， 从而使混凝土截面产生 损伤， 混凝土和钢筋之间的粘结性能退化。根据空 间桁架理论 J ， 在抗扭承载力上， 箍筋的作用比纵 筋大， 因此其锈蚀导致承载力降低得多。 图6 T- p曲线 Fi g 6 T P c u r v e s 3 2 锈蚀构件延性分析 1 ) 锈蚀构件的 一 曲线 ： 如图 7所示， 构件在 开裂前， 混凝土在抵抗扭矩中起主要作用。 一 曲 线偏离直线， 发生转折， 构件开裂， 纵筋和箍筋开始 发挥作用。随着锈蚀率的增大， 构件开裂荷载减小。 开裂后构件 的 一 曲线呈非线性 ， 由于钢筋 的变 8 。 6。 亨 喜 。0 2 。 0 0 0 0 0 2 0 04 0 0 6 0 08 0 1 0 1 2 0 1 4 Vl ( r a d I l l ) ( & 】 箍筋锈蚀 1l ， ( t a d m I 1 ( b ) 纵筋锈蚀 图 7 一 曲线 F i g 7 T 一出 c u r v e s 王风池， 等： 钢筋锈蚀对混凝土梁抗扭承载力的影响 8 1 形迅速增大， 构件刚度开始退化。钢筋锈蚀削弱了 构件开裂后的抗扭刚度， 而且随着锈蚀率增大， 这种 削弱也会越来越明显。箍筋的锈蚀构件同纵筋锈蚀 构件一样是由于钢筋的锈蚀的原因降低了钢筋自身 的截面面积和强度， 减弱 了混凝 土和钢筋 间的协调 性 ， 从而使得混凝土和钢筋的承载力不能充分发挥。 2 ) 对于受扭构件， 常采用极限扭矩时对应的扭 转角与屈服扭矩时对应的扭转角的比值作为延性系 数 ， 如图8 所示。 图8 延性系数与锈蚀率的关系 F i g 8 Cu r v e s o f d u c t i l i t y f a c t o r s a n d c o r r o s i o n r a t e 延性随相对锈蚀率增加呈降低趋势， 而且初期 延性降低率大， 后期不明显； 箍筋锈蚀构件的延性降 低趋势要 比纵筋锈蚀构件显著 。这是 由于箍筋比纵 筋更接近混凝土表面， 对混凝土的约束作用比纵筋 大， 锈蚀箍筋引起的混凝土截面损伤要比纵筋严重， 所以延性降低显著。 4 考虑钢筋锈蚀的抗扭承载力计算 设达 到极限抗扭承载力 时， 纵筋 和箍筋均达到 了其屈服强度 和 ， 则按照变角空间桁架模型， 构件的极限抗扭强度 】 ： = 2 A cor ( 2 ) 式中A 、 核心区的面积和周长， 即截面纵 筋中心连 线所包 围区域 的面积 和周长； 以 4个侧壁内的纵筋总截面积； A 。 箍筋截面面积； s 箍筋间距。 考虑钢筋锈蚀对钢筋强度和截面积的损伤， 引 人 k yv k bv 、 k t 和j b t 系数 ： k ( k )=10 6 9 5 p ( 3 ) ( k bt卜 1 0 16 81 ( 4 ) 式中P 锈蚀率。 将式( 3 ) 、 ( 4 ) 代人式( 2 ) ， 得： = 2 A SU c o r ( 5 ) 其中， 和A 锈蚀后的截面积为： A 。 = A k b A = A b 利用式( 2 ) 计算未锈蚀试验梁的抗扭承载力， 计算值小于试验值。考虑试验的系统误差， 取 k= 1 0 8的调整系数， 将式( 5 ) 变为： T：2 k A ( 6 ) 、 J Uc o r 根据式( 6 ) 计算锈蚀构件的承载力， 并与实际 测得承载力进行对比， 如图 9所示。对 比表明， 基于 变角空间桁架法计算锈蚀纯扭构件承载力， 理论计 算结果和试验结果符合较好。 图9 抗扭承载力计算值与试验值的对比 Fi g 9 Co m p a r i s o n o f c a l c u l a t i n g d a t a a n d t e s t i n g d a t a 5 结论 利用快速锈蚀试验， 使模型梁的纵、 箍筋达到不 同锈蚀率， 然后进行纯扭加载试验， 得到如下结论。 1 ) 非锈蚀梁力一 位移曲线有很明显的强化阶 段， 构件呈现塑性特征。而锈蚀梁曲线没有明显的 屈服阶段， 达到极限的过程近似线性， 构件出现脆性 破坏特征。但构件破坏后期， 锈蚀构件曲线下降比 非锈蚀构件下降缓慢。 2 ) 构件初始裂缝大部分出现在 1 3梁跨附近， 然后沿 3 5 。 4 5 。 方向往两边延伸。当荷载达到极 限时， 裂缝宽度为 1 2 ra m， 很少出现与初始斜裂缝 相一致的主裂缝。 ( 下转第 1 7 3页) 耿耀明， 等 ： 高性能混凝土徐变试验研究 1 7 3 无筋试件实测徐变系数 。 图 1 1 徐 变系数拟 合公 式和实测值比较 F i g 1 1 Cr e e p c o e f fi c i e n t r a tio o f fit ti n g f o r mu l a a n d m e a s u r e d v a l u e 从图 1 1 可看出， 双曲一 幂指数函数能够较好地 反映徐变系数随时间的发展关系。 4 结 论 通过对 l 2 个试件持续 3 6 0 d的徐变测试分析， 得到以下结论。 1 ) 持荷时间为 3 6 0 d时， C 6 0组无筋试块加载 龄期 1 4 d 、 2 8 d 、 9 0 d的徐变 度分 别 为 2 71 0 i n l n N、 1 91 0 一 i n l n N、 1 7 1 0 一 l n n l N； C 8 0组无 筋试块加载龄期 1 4 d 、 2 8 d 、 9 0 d的徐变度分别为2 0 1 0 I n to N、 1 8 1 0一 Bi n N、 1 21 0 l 砌 N。 持荷时间为 3 6 0 d时， C 6 0组无筋试块加载龄 期 1 4 d 、 2 8 d 、 9 0 d的徐变系数分别为 1 0 7 4 、 0 7 7 5 、 0 7 3 0； C 8 0组无筋试块加载龄期 1 4 d 、 2 8 d 、 9 0 d的 徐变系数分别为 0 7 7 9 、 0 7 1 7 、 0 4 9 1 。 2 ) 加载时混凝土的龄期是影响徐变度 、 徐变系 数的一个因素。实测结果表明， 加载龄期对徐变度、 徐变系数的影响不随着持荷时间而改变。 3 ) 配筋对徐变度、 徐变系数的影响情况有所不 同。配筋可以降低混凝土的徐变度， 加载时， 混凝土 的龄期不超过 9 0 d时， 可以根据加载龄期取用配筋 对徐变度的折减系数， 本次试验中， 配筋对徐变度的 折减系数在 0 6 0 9之间； 加载龄期超过 9 0 d时 ， 可以不考虑配筋对徐变度的影响。 4 ) 对于本次试验的配筋情况 ， 可 以不考虑配筋 对徐变系数的影响。 5 ) 根据实测数据拟合得到徐变度、 徐变系数的 双曲一 幂指数函数表达式。该函数能够较好地反映 徐变度、 徐变系数随时间的发展关系。 参 考 文 献 ： 1 朱伯龙 ， 董振祥 钢筋混凝土非线性分析 M 上海： 同济大学 出版社 ， 1 9 8 5 2 过镇海， 时旭东 钢筋混凝土原理和分析 M 北京： 清华出版 社 ， 2 0 0 3 3 傅作新 工程徐变力学 M 北京： 水利水电出版社， 1 9 8 5 4 龚洛书， 丁 威 轻集料混凝土收缩与徐变标定意见和建议 J 混凝土， 2 0 0 2 ( 2 ) ： 1 6 1 7 5 张运涛 ， 孟少平， 惠卓 配筋高性能混凝土收缩徐变试验研 究 J 建筑科学， 2 0 1 0 ( 3 ) ： 1 - 5 ( 上接 第 8 1页) 3 ) 抗扭极限承载力随锈蚀率的升高而降低， 在 相同锈蚀率下箍筋锈蚀构件的承载力下降较多。延 性随相对锈蚀率增加呈降低趋势， 箍筋锈蚀构件降 低趋势要比纵筋锈蚀构件显著。 4 ) 考虑了钢筋锈蚀的变角空间桁架法理论计 算结果与试验结果符合较好。 参 考 文 献 ： 1 P r e z z i M， G e y s k e n s P R e l i a b i l i t y a p p r o a c h t o s e r v i c e l i f e p r e d i c t i o n o f c o n c r e t e e x p o s e d t o m a r i n e e n v i ron m e n t J A C I Ma t e r i a l s J o u r n a l ， 1 9 9 6， 9 3 ( 6 )： 5 4 4 - 5 5 2 2 D h i r R K ， H e w l e t t P C ， C h a n Y N N e a r s u r f a c e c h a r a c t e r i s t i c o f c o n c r e t e p r e d i c t i o n o f c a r b o n a t i o n r e s i s t a n c e J M a g a z i n e o f C o n c r e t e R e s e a r c h ， 1 9 8 9 ， 4 1 ( 1 4 8 ) ： 1 3 7 1 4 3 3 C a p o z u c c a R ， C e r r i M N I d e n t i f i c a t i o n o f r e i n f o r c e d c o n c r e t e b e a m s s u b j e c t e d t o c o r r o s i o n J A C I S t r u c t u r e J o u rn a l ， 2 0 0 0 ， 9 7 ( 6 ) ： 9 0 2 9 0 8 4 C a s t e l A Me c h a n i c a l b e h a v i o r o f c o r r o d ed rei nfo rce d c o n c ret e b e a m( p a t t i p a r t 2 ) J M a t e ri al s a n d S tr u c t u re， 2 0 0 0 ， 3 3 ( 9 ) ： 5 3 9- 5 4 4 5 M a n g a t P S ， E l g a ff M S F l e x u r al s t r e n g t h o f c o n c r e te b e a m s w it h c o r r o d i n g r e i n f o r c e m e n t J A C I S t r u c t u r e J o u r n al， 1 9 9 9 ， 9 6 ( 1 ) ： 1 4 9 1 5 8 6 C a p o a z u c e a R D a m a g e t o re i nf o r c ed c o n c re t e d u e t o re i nf o r c e m e n t c o r r o s i o n J 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 ri al s ， 1 9 9 5 ， 9 ( 5 ) ： 2 9 5_ 3 o 3 7 王凤池， 王声平 混凝土耐久性研究现状分析 J 水利与建 筑工程学报 ， 2 0 0 9 ， 7 ( 1 ) ： 2 3 - 2 5 8 殷芝霖 抗扭 M j E 京 ： 中国铁道 出版社 ， 1 9 9 0： 3 0 -6 5 9 牛荻涛 混凝土结构耐久性与寿命预测 M j B 京： 科学出版 社 ， 2 0 0 3 ： 9 5 1 2 7 1 0 G o n z al e z J A， F e l i u S ， R edr i q u e z P S o m e Q u e s t i o n s o n t h e C o r m - s i o n o f S t e e l i n Co n c r e t e P a r t I I ： Co r r o s i o n me c h a n i s m a n d mo n i t o r i n g ， s e r v i c e l i f e p r e d i c t i o n a n d p r o t e c t i o n m e t h o d s J M a t e ri al s a n d S t r u c t u r e s ， 1 9 9 6 ， 2 9 ( 1 8 6 ) ： 9 7 1 0 4 1 1 赵羽习， 金伟 良 锈蚀钢筋与混凝土粘结性能的试验研究 J 浙江大学学报 ： 工学版， 2 0 0 2 ， 3 6 ( 4 ) ： 3 5 2 - 3 5 6