锈蚀箍筋约束混凝土柱低周反复荷载试验研究.pdf

1 2 四川建筑科学研究 S i c hu a n Bu i l di n g Sc i e n c e 第 3 9卷第 6期 2 0 1 3 年 1 2月 锈蚀箍筋约束混凝土柱低周反复荷载试验研究 陈茗宇， 牛荻涛， 李 强 ( 西安建筑科技大学土木工程学院， 陕西 西安7 1 0 0 5 5 ) 摘要： 通过电化学方法对混凝土柱内箍筋进行实验室加速腐蚀试验， 得到箍筋锈蚀程度不同的混凝土柱试件， 进 一 步开展了箍筋锈蚀约束混凝土柱低周往复加载试验， 研究了箍筋锈蚀造成 的混凝土损伤 、 箍筋的锈蚀形态以及 箍筋锈蚀对钢筋混凝土柱破坏过程和破坏形态的影响。试验结果表明： 混凝土构件中箍筋在转角部位锈蚀严重， 混凝土保护层的开裂是以构件角部顺纵筋开裂为主 ； 箍筋锈蚀产物在 昆 凝土内的扩散、 堆积导致混凝土保护层提 前脱落， 使其对试件承载力的贡献减弱； 箍筋锈蚀程度的不同导致试件破坏过程和最终破坏形态有所差异： 随着箍 筋锈蚀程度的增大， 试件破坏形式由延性较好的弯曲破坏向剪切脆性破坏转变； 箍筋轻微锈蚀构件中钢筋与混凝 土问的粘结作用不受影响。 关键词： 箍筋锈蚀 ； 混凝土柱； 往复荷载； 破坏形态 中图分类号： T U 3 2 3 1 文献标志码： B 文章编号： 1 0 0 81 9 3 3 ( 2 0 1 3 ) O 6 0 1 2 0 4 0引 言 1 试验准备 文献 1 2 研究表 明， 由于箍 筋保护层 厚度较 小 ， 当混凝土碳化至箍筋 表面时 ， 箍 筋首先发生锈 蚀 ， 且锈蚀程度较纵筋严重 ； 作为箍筋 的小直径光圆 钢筋受锈蚀影响的敏感性更强 ， 当锈蚀率超过 1 0 以后 ， 其 应 力一 应 变关 系 曲线 屈 服平 台已基 本 消 失 。箍筋锈蚀后， 对纵筋和核心混凝土的约束能 力减弱 ， 不仅对构件的受压屈曲不利， 而且会降低构 件 的延性和刚度， 从而降低构件的抗震性能。因此 ， 研究钢筋锈蚀后构件抗震性能的退化规律 ， 必须考 虑箍筋锈蚀 的影响。 文献 4 8 对纵筋锈蚀后压弯构件抗震性能进 行了全面研究 ， 虽然在试件破形后发现箍筋锈蚀严 重 ， 但未对箍筋锈蚀 的影响进行进一步分析研究 ， 所 建立的恢 复力模型也未考 虑箍 筋锈蚀 的影 响。 目 前 ， 国内外对箍筋锈蚀压弯构件抗震性能研究几乎 空 白。本文拟通过 3根箍筋锈蚀约束钢筋混凝土柱 和未锈蚀钢筋混凝 土柱低周往复加载试验 ， 深入分 析箍筋锈蚀对钢筋混凝土柱破坏过程和破坏形态的 影响， 研究压弯构件的力学性能退化规律， 为在役锈 蚀构件的抗震评估和抗震加固提供依据， 指导新建 工程项 目的抗震设计。 收稿 日期 ： 2 0 1 2 -0 5 - 0 2 作者简介： 陈茗宇( 1 9 8 6一 ) ， 男， 陕西汉中人， 硕士， 研究方向： 混凝 土结构耐久性 。 Ema i l ： c j _ 0 1 0 9 1 6 3 e o m 1 1 试件设计与制作 本试验共制作钢筋混凝土柱 4个 ， 编号分别为 R C 一 1 、 R C 2、 R C 3 、 R C - 4 ， 其中 R C 1 为未锈蚀对 比试 件 ； 箍筋间距 、 直径分别 为 7 0 mm、 8 m m， 保护层厚 度为 1 5 m m。试件尺寸及钢筋配置如图 1所示 ， 采 用钢筋的力学性能见表 1 。 图 1 试件 尺寸及 配筋 表 1 钢筋力学性 能参数 各试件混凝土强度设计等级均为 C 2 5 ， 水泥采 用 P 0 3 2 5级水泥， 搅拌水为自来水， 粗骨料为天 然碎石 ， 最大粒径尺寸为 1 5 m m， 试验用河砂为天然 中砂 ； 配 合 比 ( 按 重 量 ) 为 水 泥 ： 水 ： 砂 - 石 子 = 1 ： 0 4 8 ： 1 7 9 ： 3 0 4 。钢筋骨架绑扎时 ， 为避免纵筋 锈蚀， 采用绝缘胶带将箍筋与纵筋隔离。将浇筑好 的试件静置4 8 h 后拆模， 在自然环境下浇水养护2 8 天。在试件制作的同时预留标准混凝土立方体试 陈茗宇 ， 等： 锈蚀箍筋约束混凝土柱低周反复荷载试验研究 1 5 低周往复加载试验中发现， 锈蚀较轻试件混凝土保 护层脱落形式与完好试件基本一致， 主要为块状脱 落， 而锈蚀严重试件则主要为片状形式脱落。这是 因为箍筋锈蚀产物在保护层和核心区混凝土之 间的 界面扩散 、 堆积 ， 且分布面积较大 ， 造成混凝 土保护 层与核心混凝土间的粘结性能退化 。混凝土保护层 较早退出工作导致其对试件承载力的贡献减弱， 从 而降低了试件的承载能力。 2 4锈蚀箍筋对混凝土柱抗震性能退化机理分析 由过镇海 提 出的矩形箍筋约束 混凝 土受力 分析和区域划分图可知， 箍筋角部刚度大 ， 变形小 ， 两个垂直方向的拉力构成了对核心混凝土沿对角线 方向的强大约束， 因此矩形箍筋约束混凝土主要是 角部发挥作用， 角部严重锈蚀的箍筋对核心混凝土 和纵筋的约束作用明显减弱， 导致往复荷载作用下 核心混凝土压碎 ， 纵筋屈曲成灯笼状破坏， 混凝土柱 的承载力、 延性、 刚度和耗能能力等均有不同程度降 低， 其破坏形式逐渐向脆性剪切破坏转变。 3 结 论 本文通过 电化学方法对箍筋约束混凝土柱 内箍 筋进行了实验室加速腐蚀试验， 得到箍筋锈蚀程度 不同的混凝土柱试件， 继而进行 了低周往复加载试 验， 研究了箍筋锈蚀造成的混凝土损伤、 箍筋的锈蚀 形态以及箍筋锈蚀对钢筋混凝土柱破坏过程和破坏 形态的影响。得到以下结论 ： 1 ) 箍筋转角部位的严重锈蚀导致试件在转角 处产生竖向主裂缝 ， 且随着箍筋锈蚀程度的增大 ， 试 件角部锈胀裂缝数量增多 ， 宽度 、 长度呈增大趋势 ； 2 ) 箍筋锈蚀产物在混凝土 内的扩散 、 堆积导致 混凝土保护层提前脱落， 对试件承载力的贡献减弱； 3 ) 试件 的破 坏形式 因箍筋锈蚀程度 不 同而有 所差异 ， 随着箍筋锈蚀程度 的增大 ， 试件破坏形式 由 延性较好的弯曲破坏向剪切脆性破坏转变； 4 ) 箍筋轻微锈蚀 的构件 ， 其钢筋与混凝土 间的 粘结作用不受影响。 参 考 文 献： 1 刘西拉 重大土木与水利工程安全性及耐久性的基础性研究 J 土木工程学报 ， 2 0 0 1 ， 3 4 ( 6) ： 1 -4 2 张喜德， 韦树英， 等 混凝土结构中箍筋的锈蚀机理分析 J 广西大学学报 ： 自然科学版 ， 2 0 0 3， 2 8 ( 1 )： 1 0 1 3 3 张伟平， 商登峰， 顾祥林 锈蚀钢筋应力一 应变关系研究 J 同 济大学学报： 自然科学版， 2 0 0 6 ， 3 4 ( 5 ) ： 1 0 6 4 2 4 王学民 锈蚀钢筋混凝土构件抗震性能试验与恢复力模型研 究 D 西安： 西安建筑科技大学， 2 0 0 3 5 史庆轩， 牛荻涛， 等 钢筋锈蚀前后混凝土偏心受压构件承载 力试验研究 J 西安建筑科技大学学报 ： 自然科学版， 1 9 9 9 ， 3 1 ( 3 ) ： 2 1 8 2 1 6 颜桂云 锈蚀钢筋混凝土压弯构件恢复力性能的试验研究与 承载力的理论分析 D 西安： 西安建筑科技大学土木工程学 院 ， 2 0 0 1 7 陈新孝， 牛荻涛， 王学民 锈蚀钢筋混凝土压弯构件的恢复力 模型 J 西安建筑科技大学学报： 自然科学版， 2 0 0 5 ， 3 7 ( 2 ) ： 1 5 5 1 5 9 8 贡金 鑫， 仲伟秋 ， 赵 国藩 受 腐蚀钢 筋混凝 土偏 心受压 构件低 周反复性能的试验研究 J 建筑结构学报 ， 2 0 0 4 ， 2 5 ( 5 ) ： 9 2 9 7 9 T AME R A， K H AL E D A E f f e c t i v e n e s s o f i mp r e s s e d c u r r e n t t e c h n i q u e t o s i m u l a t e c o r r o s i o n o f s t e e l r e i n f o r c e m e n t i n c o n c ret e J 1 J o u rna l o f Ma t e ri a l s i n C i v i l E n g i n e e ri n g ， 2 0 0 3， 1 5 ( 1 )： 4 1 - 4 7 1 0 C H RI S T O P H E R HI G G I N S ， WI L L I AM C F a r r o w I I I T e s t s of rei n f o r c e d c o n c r e t e b e a m s w i t h c o r r o s i o n d a m a g e d s t i r r u p s J A C I S t r u c t u r a l J o u r n a l ， 2 0 0 6， J a n u a r y - F e b r u a r y： 1 3 3 1 41 1 1 过镇海 混凝土的强度和本构关系： 原理与应用 M 北京： 中 国建筑工业 出版社 ， 2 0 0 4