1、第 3 6卷第 5期 华 北 水 利 水 电 大 学 学 报( 自 然 科 学 版 ) V o 1 3 6 N o 5 2 0 1 5年 1 0月 J o u r n a l o f N o a h C h i n a U n i v e r s i t y o f Wa t e r R e s o u r c e s a n d E l e c t r i c P o w e r ( N a t u r a l S c i e n c e E d i t i o n ) O c t 2 0 1 5 DOI : 1 0 3 9 6 9 j i s s n 1 0 0 25 6 3 4 2 0
2、1 5 0 5 0 1 0 不均 匀锈 蚀钢 筋混凝 土梁抗弯承载 力试验研 究 曲福 来 ,于永 齐 , 赵 顺波 , 侯 朋兵 ( 华北水利 水电大学, 河南 郑州 4 5 0 0 4 5 ) 摘要 : 制作了 1 2根钢筋混凝土适筋梁 , 为模拟既有钢筋混凝土梁在实际情况下 的受荷状态 , 对其 中 1 0根梁进行 预裂加载 , 然后采用 电化学方法进行快速锈蚀 , 最后采 用 四点 弯曲试验对 钢筋混凝 土梁进行 加载 研究表 明 : 锈蚀后 的钢筋呈现 出沿截面和长度两个方 向的不均 匀锈蚀 , 预裂裂 缝位置处 钢筋锈蚀 较为严 重 ; 采 用 沿长度方向不均匀锈蚀表征参 数建立平
3、 均锈蚀 率与最 大锈蚀率 的关系 , 在此 基础上 给出的梁抗 弯承载力 计算公式 , 其计算结果具有较好 的精度 , 与试 验值 吻合 较好 关键词 : 不均匀 ; 锈蚀 ; 钢筋混凝土梁 ; 预裂 ; 抗弯承载力 中图分类号 : T U 3 7 5 1 文献标识码 : A 文章编号 : 1 0 0 2 5 6 3 4 ( 2 0 1 5 ) 0 5 0 0 4 4 0 4 混凝 土 结 构 中 的钢 筋 在 一 定 条 件 下 会 发 生 锈 蚀 对于处 于恶劣环境 下的结构 , 这 一问题尤为突 出 大量 混凝 土结 构 由于 钢 筋 的锈 蚀 不 得 不 进行 维 修或拆 除重建 ,
4、 甚至个别结构发生倒塌事故 近 年来 , 钢筋锈蚀问题 已引起世界各国的普遍关注 , 并 投人 大 量 的人 力 和物 力 进 行 相关 方 面 的 研究 最 初 研 究发 现 : 钢 筋发 生锈蚀 后 , 铁 锈 的体积 是钢 筋原始 体积的 2 4倍 , 由于体积膨胀会对周围混凝土产生 一 定的压力 , 当该压力达到一定数值后 , 混凝土便产 生顺筋 裂缝 , 甚至 造成保 护层 剥落 由此造 成 钢 筋与混凝土之间的黏结性能降低 , 锈蚀钢筋受力面 积减小 , 同时锈胀裂缝的存在也加速了钢筋的锈蚀 , 造成恶性循环 为了准确评估钢筋锈蚀对结构产生 的影 响 , 国 内外学 者 开展 了系
5、统 的研究 工作 通过 对 锈蚀钢筋混凝土梁开展试验研究 , 普遍认为 : 钢 筋在 锈蚀 程度 较小 的初期 阶段 , 对 梁 的受 力性 能 几 乎无影 响 ; 当锈 蚀发 展到特 定 阶段后 , 构件 的开 裂荷 载 、 屈服 荷载 以及极 限荷 载都 有不 同程度 的下 降 ; 梁 的刚度变 小 , 使梁 在 承受 相 同 荷 载 的情 况 下 挠度 增 大 , 导致结构不安全; 通过对梁跨中纯弯段混凝土应 变的分析, 可近似认为其平均应变仍符合平截面假 定 , 采用该假定可简化锈蚀钢筋混凝土构件承载力 的计算 然 而 , 已有 的研 究往 往采用 平 均锈蚀 率 的概 念 , 忽 略
6、 了锈 坑分 布 、 钢 筋锈蚀 率沿 长度 方 向的变化 对 钢筋 力学性 能及 黏结 性能 的影 响 本 文在 不 均 匀 锈 蚀 钢 筋 力 学 性 能研 究 的基 础 上 , 对 1 2根 钢 筋混 凝 土 梁 进行 了不 均 匀 锈蚀 试 验和抗弯性能试验, 分析了不均匀锈蚀钢筋混凝 土 粱 的破坏机 理 、 破 坏 形 态及 承 载 力 和 刚度 的变 化 情 况 , 并 在试 验 的基 础 上 给 出 了不 均 匀 锈蚀 钢 筋 混 凝 土梁 抗弯 承载力 的计算 方法 1 试验概况 本 次试 验 主要 考 虑 了钢 筋 种类 、 钢 筋 锈蚀 率 和 混凝 土强 度 的影 响
7、, 共 设 计 了 1 2根 钢 筋混 凝 土 梁 , 钢筋截面尺寸及配筋如图 1所示 I ! Q Q Q I 1 Q Q Q 1 i Q Q Q 1 1 j 一 图 1 钢筋混凝土梁尺寸及配筋( 单位 : mm) 梁的架立筋采用2根直径 1 2 m m的光圆钢筋 箍 筋选用直径 6 m m的光圆钢筋, 箍筋 间距 1 0 0 m m 混 凝土保护层厚 1 5 m m 梁底部受力钢筋分别采用直径 收稿 日期 : 2 0 1 50 62 2 基金项 目: 国家 自然科学基金项 目( 5 1 1 0 8 1 7 9 ) ; 河南省教育厅项 目( 1 3 B 5 6 0 1 1 3 ) 作者简介 :
8、 曲福来 ( 1 9 7 7 ) , 男 , 辽宁丹东人 , 副教授 , 博士 , 主要从事混凝土耐久性及结构抗震方面的研究 第 3 6卷第 5期 曲福来 , 等 : 不均匀锈蚀钢筋 混凝 土梁抗弯承载力试验研究 4 5 1 2 mm 的 H P B 2 3 5和 H R B 3 3 5级 钢筋 , 屈 服强 度 分别 为 3 4 3 、 4 6 7 MP a , 极 限强度分 别为 4 4 3 、 5 3 6 M P a 混 凝 土选 用强 度 等级 为 3 2 5 MP a和 4 2 5 MP a 的普通硅酸盐水泥 、 普通河砂和最大粒径为 2 5 m m 的碎 石 配 置 设 置 混 凝
9、 土 的 3种 水 灰 比 , 分 别 为 : 0 5 5、 0 3 5和 0 3 0 为测量 混凝 土 的强 度 指标 , 在 浇 筑 混 凝土 梁试 件 的 同时 , 浇筑伴 随试块 实际工程 中钢筋混凝土构件一 般允许 出现裂 缝 , 为了模拟实际工程 中梁承受荷载作用带裂缝 的 工作状态 , 在进行钢筋锈蚀之前对梁进行了预裂 试 验 采 用 三 分 点 集 中力 加 载 方 式 , 梁 放 在 中心 距 为 2 6 0 0 m m的 支 座 上 , 梁 上部 加 载 点 间距 为 9 0 0 m m, 预裂 荷 载 以最大 裂缝 宽度 不超 过 0 2 mm和 6 0 极 限荷 载 加
10、 以控制 由于将 梁试 件 提前进 行 了预 裂 , 混 凝 土保护层沿着长度方向出现了多条横向裂缝 预 裂后 的 梁采用 电化学 方法 对钢 筋进 行 加速 锈 蚀 , 将 梁 底部 2 0 m m 的高度 浸 泡在 5 的 N a C I 溶 液 中 , 电流密度 控 制 为 0 1 5 m A c m , 通 电时间根 据 法 拉第定律估算 , 其中锈蚀率最大的试件通电1 2 7 2 h 在 通 电初期 , 梁 试件 锈蚀 速度 较 慢 , 表 现 为混 凝土 表 A 面 ( 、) 、 底 面 f ; J i 厢 Jj f U ( a )粱G M1 ( r - - 0 O ) A e 1
11、 一 、 J I U 盎 i 砑 H 1: = = j I i ) 川 I ( c )B M1 ( r - -5 4 ) 面局 部位 置有 黄 色锈 蚀 产 物 渗 出 , 在 梁 跨 中附 近 纯 弯段 部位 溢锈 点 要 多 于剪 弯段 在通 电锈 蚀 的 中后 期 , 溢锈 部位 逐步 增 多 , 最 后混凝 土梁试 件底 部 的混 凝土保护层锈胀开裂 , 出现顺筋裂缝 , 如图 2所示 锈蚀 后期 , 梁 底部 不 断 有 棕 红 色 和 黑绿 色 的锈 蚀 产 物溢 出 , 成锥 形堆 积 于梁底 部 图 2 锈 蚀 后 钢 筋 混 凝 土梁 底面 裂缝 2 试验结果及分析 2 1
12、梁 加载 裂 缝及破 坏 形态 对锈蚀后的4根梁试件进行加载试验, 破坏后的 裂缝 如 图 3所 示 虚线 之 间为 梁 中部 1 0 0 0 mm 的范 围, A、 B面表示梁的两个侧面 , 蓝色细实线为梁的预 裂 裂缝 , 横 向黑 色粗 实线 为 加 载 破 坏试 验 新 出现 的 裂 缝 , 纵 向红色 裂缝 为通 电锈 蚀后 梁 的锈胀 裂缝 A 面 f 以 1 , 窟 丽、!t l 1 r, I ? 3 口 面 ( b )榘G H1 ( 5 9 5 ) 面 -L 1 -V 、) 匿 L 苄 = 二 = _ 口 碡 f 、I j I j 厂l f 图 3 钢筋 混凝 土梁裂缝开展图
13、对于 未锈 蚀 的梁 , 不 出 现 沿受 力 钢 筋 方 向 的裂 缝 , 钢 筋 与混 凝土 黏结 良好 , 加 载 过程 中裂缝 形 态如 图3 ( a ) 所 示 对 预 裂后 的钢筋 混 凝 土梁 进 行 通 电锈 蚀后 , 混凝土表面会产生微裂纹 随着锈蚀的发展 , 这 些 微 裂 纹 会 逐 渐 贯 通 形 成 几 条 顺 筋 裂 缝 , 如 图 3 ( b ) 中红 色 部 分 所 示 带肋 钢 筋 预 裂 后 , 裂 缝 的开 展情况与光圆钢筋相近, 但 出现的横向裂缝较多, 平 均裂缝 间距小于光圆钢筋 的 混凝 土中带肋钢筋发 生 一 定程 度 的锈 蚀 后 , 同 样
14、出现 了顺 筋 裂 缝 , 如 图 3 ( 13 ) 和 ( d ) 所示 + 经过 预裂 的钢筋 混凝 土梁 在加 载过 程 中表 现为 ( d )鬃B M4 ( , l = 9 6 ) 已有 横 向裂缝 不 断变宽 并延 伸 , 很少 出现新 的裂缝 , 最后 由于受压 区混凝土被压碎而发生弯曲破坏 2 2不 均匀锈 蚀钢 筋 形态 钢筋 的不均匀锈蚀主要体现在沿钢筋截面和沿 钢筋 长度 方 向两 个 方 面 本 次 试 验 由 于控 制 了液 面 浸泡 高度 , 靠 近保 护层 一侧 的钢 筋锈 蚀相 对严 重 ; 而 另外 一侧 未锈 蚀 或 锈蚀 较 轻 , 部 分钢 筋 表 面 出
15、现 锈 坑现象 锈蚀严重 的带肋钢 筋, 其横 肋几乎全部 锈 蚀 另外 , 在测量锈蚀钢筋不同位置的直径计算平均 直径 损失 率 时发 现 : 在保 护 层相 同 的条件 下 , 钢筋 混 凝土 梁 中底部 钢 筋锈 蚀 率 沿 长度 方 向发 生变 化 ( 如 华 北 水 利 水 电 大 学 学 报( 自 然 科 学 版) 2 0 1 5年 1 0月 图 4所示 , 梁底 部 3根钢 筋分 别用 A, M, B表示 ) ; 钢 筋在裂缝的位置一般锈蚀较严重 , 裂缝的存在会影 响钢 筋锈蚀 率沿 长 度 方 向 的分 布 , 从 而 影 响锈 蚀 钢 筋混凝 土梁 的受 力性 能 承 水
16、御 钢 筋位 置, c 图 4 沿钢筋长度方 向锈蚀率分布 一 般 而 言 , 用平 均 锈 蚀率 计 算 钢筋 的受力 是 偏 于不安全的, 取钢筋锈蚀最严重部位的锈蚀率更为 合理 考虑到实际应用的困难 , 专 门进行了沿长度方 向不 均匀锈 蚀钢 筋 的力 学 性 能 研究 , 以 得 到锈 蚀 钢 筋 的平 均锈 蚀 率 与最 大 锈蚀 率 之 间 的关 系 将 锈蚀 钢 筋截取 成微 段 , 分 段测量 其锈 蚀率 , 找 出各微 段锈 蚀率的最大值作为锈蚀钢筋 的真实锈蚀率 经过分 析 发现 : 钢筋微 段最 大锈蚀 率 与微段 的长度 相关 , 即 钢 筋划分 的份 数越 多 ,
17、其 微 段对 应 的最 大锈 蚀 率 也 随之变化 , 但 两者不 是简 单 的线 性关 系 , 而是对 数关 系 平均锈蚀率和最大锈蚀率的关系表达式为 : 叼 =一k l I n( 1 n)+ 叼 ( 1 ) 式 中 : n为钢筋 划 分 的 份数 , 当 n=1时表 示 均 匀 锈 蚀 的情况 ; k 为钢筋 沿 长度 方 向不 均 匀 锈蚀 的表 征 参 数 , 当 k = 0时 表示 钢筋 沿 长度 方 向 均匀 锈蚀 , k 越 大则 钢筋沿 长度 方 向锈蚀 越 不 均 匀 通 过试 验 数 据 ” 统 计 回归得 到 k , = 0 2 3 1 5 2 3锈蚀 梁 受弯承 载力分
18、 析 图 5为不 同锈蚀 率情 况下光 圆钢 筋和 带肋 钢筋 混凝 土梁 的荷 载 一 挠 度 曲线 由图可见 : 钢 筋发 生一 定程度锈蚀后 , 梁的受弯承载力减小 ; 当梁的锈蚀率 为 7 2 时 , 构件受弯承载力相对于未锈蚀情况下 降 了 1 5 左右 , 一 j Z * - B M 1 (未 锈 ) -E - B M 2 (3 1 9 b ) 鬟 十BM3 ( 5 4 )一BM4 ( 7 2 ) - - - B L 1 ( 5 9 ) +B HI ( 6 1 ) 0 5 l O l 5 2 0 2 5 3 0 挠度 mm挠度, m m ( a )带肋钢筋 C o )光圈钢筋 图
19、5 锈蚀钢筋混凝土荷载 一挠度图 本次试 验 受压 区钢筋 未锈 蚀 , 故 不 考 虑 由于 锈 蚀引起的受压区混凝土应力 的减小 受拉区锈蚀钢 筋 的力学性 能退 化 模 型 主要 有 两 种 : 一 是采 用 钢 筋 的名 义强度 , 认 为钢筋 锈蚀 前后 面积 不变 , 名义强 度 降低 ; 二是 采用 锈蚀后 钢筋 的实 际面 积 , 钢 筋强度 值 不变 由于前文 分析 了钢 筋 沿 长度 方 向不 均匀 锈 蚀 的规 律 , 故 采用 后一种 方法 计算 钢筋应 力 根据钢 筋 混凝土梁极限情况下的截面平衡条件可得 : 0 b x = L A ( 1 7 7 ) , ( 2 )
20、 , 、 M = a ,f b x l h 。 一 1 ( 3 ) 、 厶 , 式中: n , 为等效矩形应力 图的应力值与轴心抗压强 度设计值的比值 , 按规范 G B 5 0 0 1 0 -2 0 1 0的规定取 值 为混凝 土 轴 心 抗 压 强 度 设 计 值 , N m m ; b为 梁截面宽度 , m m; 为等效矩形应力 图混凝土受压 区高度 , mm; 为钢筋屈服强度设计值 , N ram ; A 。 为受 拉 区钢筋 面积 , m m 但 应 注意 , 以上方 法 只 适用 于 钢筋 两 端锚 固完 好 的梁 , 对 于 发生黏 结 破 坏 的梁 应 选 用 其他 公 式 进
21、 行计算 按式 ( 2 ) 和式 ( 3 ) 计 算 得 到 的 不 均匀 锈 蚀 钢 筋 混 凝 土梁 受 弯 承 载力 见 表 1 梁 抗 弯 承 载力 计 算 值 与试验值之比的平均值为 0 9 9 , 标准差为 0 0 5 5 可 见 , 本文所提方法与试验结果吻合较好 表 1计算结果与试验 结果对 比 舳 加 , 镬槔 第 3 6卷第 5期 曲福来 , 等 : 不均匀 锈蚀 钢筋混凝土梁抗弯 承载力试 验研究 4 7 续 表 3 结语 1 ) 对钢筋混凝土梁进行 预裂 , 然后采用半浸泡 方式加速钢筋锈蚀 , 通过分析锈蚀 后钢筋 的形态发 现 : 靠近保护层一侧钢筋锈蚀较为严重 ;
22、 钢筋沿长度 方向锈蚀程 度不 同 , 一般 在横 向裂 缝位 置锈 蚀率 较大 2 ) 分 析 了钢 筋 平 均 锈 蚀 率 和 最 大 锈 蚀 率 的关 系 , 并给出了不均匀锈蚀钢筋混凝土梁正截 面承载 力的计算公式 公式计算结果与试验结果的 比较 表 明 , 公式 具 有较 好 的计 算 精 度 , 且 概 念 清 晰 , 便 于 工 程应 用 1 2 3 参 考 文 献 金伟 良, 赵 羽习 混凝 土结 构耐 久性研 究 的回顾与 展望 J 浙 江大学学报 , 2 0 0 2, 3 6 ( 4 ) : 3 7 1 3 8 0 Va l D V Ef f e c t o f d i f
23、 f e r e nt l i mi t s t a t e s o n l i f e c y c l e C O S t o f R C s t r u c t u r e s i n c o r r o s i v e e n v i r o n m e n t f J J o u r n a l o f I n f r a s t r u c t u r e S y s t e ms , 2 0 0 5, 1 1 ( 4 ): 2 3 12 4 0 A1 S u l a i ma n i G J, Ka l e e mu l l a h M , Ba s u n b u l I A,
24、e t a 1 I n flu e nc e o f c o r r o s i o n a n d c r a c k i n g o n b o nd b e ha v i o r a n d s t r e n g t h o f r e i n f o r c e d c o n c r e t e m e m b e r s J A C I S t r u c t u r a l J o u r n a l , 1 9 9 0 , 8 7 ( 2 ) : 2 2 02 3 1 4 张伟平 , 张誉 锈胀开裂后 钢筋混 凝土粘 结滑移 本构关 系研究 J 土木工程学报 , 2 0 0
25、1 , 3 4 ( 5 ) : 4 0 4 4 5 沈德建 , 吴胜兴 大气环境锈 蚀钢 筋混凝 土梁力 学性 能 试 验研究及分 析 J 土木 工 程 学报 , 2 0 0 9 , 4 2 ( 8 ) : 7 5 8 2 6 袁迎 曙 , 余索 锈蚀钢筋混凝 土梁 的力 学性能退 化 J 建筑结 构学报 , 1 9 9 7 , 1 8 ( 4 ) : 5 1 5 7 7 Ma n g a t P S , E l g a r f M S F l e x u r a l s t r e n g t h o f c o n c r e t e b e a ms w i t h c o r r o
26、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 a l J o u r n a l , 1 9 9 9, 9 6( 1 ) : 1 4 91 5 7 8 范颖芳 , 张英姿 , 胡志强 , 等 基于概 率分析 的锈蚀 钢筋 力 学性 能 研 究 J 建 筑 材 料 学 报 , 2 0 0 6 , 9( 1 ) : 9 9 1 04 9 王 雪松 , 金贤玉 , 田野 , 等 基 于非 均匀锈蚀 的带肋 钢筋 粘 结性 能 J 浙 江大 学学 报 ( 工学 版 ) , 2 0 1 3 , 4 7( 1 ) : 1 541 61
27、1 0 曲福 来 , 陈祥 , 于永齐 , 等 不 均匀锈蚀 钢筋 应力 一应变 关系的试验研究 J 华 北水 利水 电大学 学报 (自然科 学版 ) , 2 0 1 4 , 3 5 ( 6 ) : 4 7 5 1 1 1 A p o s t o l o p o u l o s c A, M i c h a l o p o u l o s D T h e i m p a c t o f c o r r o s i o n o n t h e me c h a ni c a l be h a v i o r o f s t e e l u n d e r g o i n g pl a s t i
28、 c d e f o r m a t i o n J Ma t e ri a l s a n d C o r r o s i o n , 2 0 0 7 , 5 8 ( 1 ) : 5 1 2 1 2 Ha w i l e h R A, A b d a l l a J A, A 1 T a m i m i A, e t a 1 B e h a v i o r o f c o r r o de d s t e e l r e i n f o r c i n g b a r s u nd e r mo n o t o ni c a nd c y c l i c l o a d i n g s J
29、Me c h a n i c s o f A d v a n c e d Ma t e r i a l s a n d S t r u c t u r e s , 2 01 1 , 1 8 ( 3): 21 82 2 4 1 3 C a i rns J , P l i z z a r i G, D U Y, e t a 1 Me c h a n i c a l p r o p e r t i e s o f c o r r o s i o n - d a m a g e d r e i n f o r c e m e n t J A C I Ma t e r i a l s J o u r -
30、 n a l , 2 0 0 5 , 1 0 2 ( 4 ) : 2 5 6 2 6 4 1 4 A l mu s a l l a m A A E f f e c t o f d e g r e e o f c o rr o s i o n o n t h e p r o p - e r t i e s o f r e i n f o r c i n g s t e e l b a r s J C o n s t r u c t i o n a n d B u i l d i n g Ma t e r i a l s , 2 0 0 1 , 1 5 ( 8 ) : 3 6 1 3 6 8 Ex
31、p e r i m e n t a l Re s e a r c h o n Fl e x ur al Ca pa c i t y o f No n- un i f o r m Co r r o de d Re i nf o r c e d Co nc r e t e Be a m s Q U F u l a i , Y U Y o n g q i , Z HA O S h u n b o ,H O U P e n g b i n g ( N o a h C h i n a U n i v e r s i t y o f Wa t e r R e s o u r c e s a n d E l
32、 e c t r i c P o w e r , Z h e n g z b o u 4 5 0 0 4 5, C h i n a ) Abs t r a c t:Twe l v e r e i n f o r c e d c o n c r e t e be a ms we r e c o n s t r uc t e d i n t bi s e x pe r i me n t ,1 0 o f whi c h we r e pr e - c r a ck e d u nd e r l o a d s a n d C O rrO d e d b y t h e e l e c t r o
33、c h e mi c a l a pp r o a c h t o s i mu l a t e t he r e a l s t a t u s o f r e i n f o r c e d c o n c r e t e b e a ms wi t h l oa ds La s t l y,f o ur p o i nt be n d i n g e x p e r i me n t s we r e c o nd u c t e d o n t h e s e r e i n f o r c e d c o nc r e t e be a ms The r e s u l t s s
34、h o we d t ha t t h e d e g r e e o f c o rro s i o n wa s di ffe r e n t bo t h i n t h e c r o s s s e c t i o n o f t h e s t e e l ba r a nd a l o ng i t s l o n g i t ud i n a l di r e c t i o n,a nd t he c o r r o s i o n o f r e i n f o r c e me nt Wa S mo r e s e rio us i n t h e c r a c k p
35、 o s t t i o nFu r t h e r mo r e,t h e r e l a t i o ns h i p b e t we e n t he ma x i mum c o rro s i o n r a t e a n d t h e a v e r a g e c o r r o s i o n r a t e wa s es t a b l i s h e d us i ng t h e p a r a m- e t e r s o f n o n- u ni f o r m c o r r o s i o n i n t he l o n g i t u di n a
36、 l d i r e c t i o n o f s t e e l ba r s On t hi s b a s i s,t he fle x u r a l c a pa c i t y f o rm ul a wa s pr o po s e d,a n d t he a g r e e me n t be t we e n c a l c u l a t e d v a l u e s a n d e xp e r i men t a l r e s u l t s wa s r e a s o n a b l e Ke y wo r ds:no n un i f o rm ;c o r r o s i o n;r e i nf o r c e d c o nc r e t e be a m ;pr e - c r a c k;fle x u r a l c a p a c i t y ( 责任编辑 : 陈海 涛)