钢筋锈蚀对在役混凝土梁承载力影响分析.pdf

1 02 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 7卷第 6 期 2 0 1 1 年 l 2月 钢筋锈蚀对在役混凝土梁承载力影响分析 卢晓峰 ( 扬州工业职业技术学院， 江苏 扬州2 2 5 0 0 0 ) 摘要： 钢筋锈蚀后， 在役的混凝土梁中钢筋与混凝土的粘结作用下降， 影响了梁的承载力； 当粘结作用削弱较少时， 梁的承 载力没有明显下降， 受力模式与完好梁相同； 当粘结作用完全丧失时， 梁的受力模式变为“ 拉杆拱” 式， 承载力明显下降， 且随 着粘结失效区段的增加而逐渐减小。 关键词 ： 粘结性能； 粘结失效； 承载力； 受力模式 中图分 类号 ： T U 3 1 2 文献标识码 ： A 文章编号 ： 1 0 0 81 9 3 3 ( 2 0 1 1 ) 0 61 0 2 0 3 Bo n d we a k e n i n g i mp a c t a n a l y s i s o n t h e b e a r i n g c a p a c i t y o f t h e c o n c r e t e De am S l n S er Vl C e L U Xi a o f e n g ( Y a n g z h o u C o H e g e o f I n d u s t r i a l T e c h n o l o g y ， Y a n g z h o u 2 2 5 0 0 0 ， C h i n a ) Ab s t r a c t ： Af t e r t h e r e i n f o r c e me n t s c o r r o d i n g， t h e c o n c r e t e b o n d i n g r o l e o f c o n c r e t e b e a ms i n s e r c e d e c l i n e d， a n d wh i c h a ff e c t e d t h e c a r r y i n g c a p a c i t y o f b e a ms ； wh e n t h e w e a k e n i n g we r e f e w e r ， t h e c a r r y i n g c a p a c i t y o f b e a ms h a d n o s i g n i fi c a n t d r o p， a n d t h e i r f o r c e mo d e l s w e r e t h e s a me a s t h e i n t a c t b e a ms ； wh e n t h e b o n d i n g r o l e e n t i r e l y l o s t ， t h e b e a ms f o r c e mo d e l b e c a me t h e “ b a r a r c h ” t y p e ，t h e c a r r y i n g c a p a c i t y d e c r e a s e d s i g n i f i c a n t l y ， an d w i t h t h e i n c r e a s i n g o f b o n d i n g f a i l u r e s e c t i o n d i mi n i s h e d Ke y wo r d s ： b o n d p e rf o r ma n c e ； b o n d f a i l u r e ； b e a ti n g c a p a c i t y ； f o r c e mo d e l 0 前言 在役混凝土结构在长期使用过程中， 在 自然环 境等的作用下 ， 将发生材料老化、 结构损伤 ， 这种损 伤必然造成结构性能 的退化 剖， 结构 的抗力也将 随着时间的增 长而衰减 4 。 ， 结构 的安全可靠性发 生了改变 ， 因而对在役混凝土结构 的承 载能力 研究是许多从事工程工作人员普遍重视的问题 。 然而 ， 影响在役混凝土结构极限承载能力 的因 素很多。本文主要研究钢筋锈蚀后， 钢筋与混凝土 的粘结力削弱对在役混凝土梁承载力的影响情况。 1 试验研究 为模拟钢筋与混凝土的粘结性能的下降， 本文 通过减小混凝土与钢筋的粘结面积来实现。对于钢 筋锈蚀较为严重， 钢筋与混凝土之间粘结完全失效 的梁， 试验采用受拉钢筋与混凝土无粘结的方法来 模拟它， 将受拉钢筋完全暴露出来的， 由于粘结失效 长度大小可能对梁的影响程度不同， 故采用了 1 6 收稿 日期 ： 2 0 1 0 4 3 5 - 2 7 作者简介 ： 卢晓峰( 1 9 7 7一) ， 男 ， 江苏东 台人 ， 工学 硕士 ， 教 师， 主要 从事混凝土结构承载力方面的教学与研究。 E ma i l ： l u x i a o f e n g O1 0 1 1 2 6 c o rn 跨度、 1 3跨度、 1 2跨度 、 2 3跨度 、 1 1 跨度粘结完 全失效的 5根试验梁来做研究 ， 如图 1 所示 ； 对于钢 筋锈蚀不太严重 ， 钢筋与混凝土之间粘结部分失效 的梁， 采用受拉钢筋与混凝土部分粘结的方法来模 拟它， 将受拉钢筋部分暴露 出来 ( 受拉钢筋截 面面 积暴露出 5 0 左右 ) ， 如图 2所示。由于部分粘结 失效长度大小可能对梁 的影响程度不 同， 故本文采 用 了 1 6跨度 、 1 3跨度、 1 2跨度 、 2 3跨度 、 1 1 跨 度粘结部分失效的 5根试验梁来做研究 ； 同时， 试验 时还准备一根粘结完好 的梁 ， 便于做试验结果的对 比与分析。为说 明问题 ， 将钢筋与混凝土的粘结作 用 良好的梁简称为全粘结梁， 将钢筋与混凝土的粘 结作用部分失效 的梁简称为部分粘结梁 ， 将钢筋与 混凝土的粘结作用完全丧失的梁简称为无粘结梁。 r r L 9 5 0 8 0 0 9 5 0 1 5 0 _ r1 75 o l 7 5 0 图 1 ( 半跨) 无粘结梁加载示意 F i g 1 ( s e mi - c r o s s N o n - b o n d i n g b e a m l o a d i n g g r a phi c s 试验结果表明 ， 全粘结梁在受力过程 中， 裂 卢晓峰： 钢筋锈蚀对在役混凝土梁承载力影响分析 1 0 3 L 9 5 0 P 8 0 0 P 9 5 0 图2( 半跨) 部分粘结梁加载示意 F i g 2 ( s e mi c r o s s )P a r t l y b o n d i n g b e a m l o a d i n g g r a p h i c s 缝的条数不断增加， 分布较为分散和均匀， 变形是弯 曲变形， 破坏时受拉钢筋首先屈服， 后混凝土被压碎 的 ， 破坏过 程表现 出 良好 的延 性， 形成 典型 的“ 梁 式” 破坏； 无粘结梁裂缝条数较少且集中， 变形以轴 向变形为主， 受压区混凝土为压杆 ， 纵向受力钢筋为 拉杆 ， 受拉钢筋未屈服时混凝土就被压碎 ， 破坏过程 表现 出明显的脆性 ， 形成“ 拉杆拱 ” 的破坏模式 ； 部 分粘结梁受力过程中， 裂缝分布较为分散和均匀， 但 密度不如全粘结梁 ， 变形以弯曲变形为主 ， 破坏时受 拉钢筋首先屈服， 后混凝土被压碎的， 破坏过程具有 一 定延性 ， 此类破坏可 以归为“ 梁式” 破坏。 2 梁承载力计算与分析 2 1 全粘结梁承载力计算 此类梁在受力过程中， 裂缝的分布分散和均匀， 条数很多 ， 随着裂缝的不断出现 ， 受拉区混凝土逐渐 退出工作； 由于钢筋与混凝土的粘结作用良 好， 在受 拉区混凝土退出工作的同时， 其应力有效地传递给 附近的纵向受力钢筋， 荷载加大后钢筋屈服， 继而受 压区混凝土被压碎， 如图3所示。此类梁正截面应 变分布符合平截面假定， 钢筋屈服， 受压区混凝土应 变达到极限压应变 ， 钢筋与混凝土的强度都能充分 发挥。其承载力计算方法为 M ： A ( h 。一0 5 ) ( 1 ) 式中 为受力钢筋抗拉强度设计值； A 。 为受力钢 筋截面面积 ； h 。为混凝 土梁截面有效高度 ； 为混 凝土受压区高度。 图3 全粘结梁破坏示意 F i g 3 Co mp l e t e l y b o n d i n g b e a m l o a d i n g f a i l u r e g r a phi c s 2 2 部分粘结梁承载力计算 此类梁在受力过程中， 裂缝的分布较为分散和 均匀 ， 条数较多 ， 随着裂缝的不断 出现， 受拉 区混凝 土逐渐退出工作； 由于钢筋与混凝土的粘结作用尚 好， 在受拉区混凝土退出工作的同时， 其应力尚能较 有效地传递给附近的纵向受力钢筋， 荷载加大后钢 筋也能屈服 ， 最终由于受压区混凝土被压碎而破坏 ， 如图4 所示。此类梁正截面应变分布基本符合平截 面假定 ， 钢筋屈服 ， 受压区混凝土应变达到极限压应 变， 钢筋与混凝土的强度都能充分发挥。其承载力 与全粘结梁相 比， 没有 明显 下降， 其计算方法 同式 ( 1 ) 。 图 4 部分粘 结( 半跨 ) 梁破坏示意 F i g 4 ( s e mi c r o s s ) P a r t l y b o n d i n g b e a m f a i l u r e g r a phi c s 2 3 无粘结梁承载力计算 此类梁在受力过程中， 裂缝条数较少， 随着裂缝 的不断出现 ， 有粘结 区段的混凝土受拉 区混凝土逐 渐退出工作 ； 由于无 粘结区段钢筋与混凝土的粘结 作用完全丧失 ， 在出现裂缝时， 此区段受拉区混凝土 的应力未能传递给附近的纵向受力钢筋， 钢筋的应 变明显 “ 滞后”， 荷载加大钢筋未屈服 ， 最终 由于受 压区混凝土被压碎而梁破坏 ， 如 图 5所示。此类梁 正截面应变分布不符合平截面假定， 钢筋未屈服， 且 强度不能充分发挥 ， 其承载力 比全粘结梁要小。由 于在混凝土开裂前， 混凝土的应力未能有效地传递 给附近的纵向受力钢筋， 可将这一部分应力视为无 粘结区段对抵抗开裂弯矩那部分的作用完全丧失， 梁的承载力的下降值与这一部分抵抗开裂弯矩值相 当， 梁的承载力大小可按下式计算 ： M =( 1 0一 ) 曲 ( 2 ) Kn = 等 式中2 粘结失效区段长度 ； K粘结性能退化系数； 图 5 无粘结( 半跨) 梁破坏示意 F i g 5( s e mi - c r o s s ) N o n - b o n d i n g b e a m f a i l u r e g r a p h i c s 1 0 4 四川建筑科学研究 第3 7卷 全粘结梁承载力 ； M。 素混凝土梁的开裂弯矩。 2 4结果分析 对 以上一根全粘结梁 、 6根部分粘结梁 、 6根全 粘结梁的承载力分别按式( 1 ) 和式( 2 ) 计算， 其结果 见表 1 。试验结果表明 j ， 6 根部分粘结梁承载力的 试验值与全粘结梁的试验值相近， 并且部分粘结失 效长度对部分粘结梁的承载力没有明显影响； 5根 表 1 试验梁正截面承载力结果分析统计 无粘结梁承载力的试验值 比全粘结 梁的试 验值要 小， 并且承载力随着无粘结区段 长度的增加而逐渐 减小， 见表 1 。表中数据显示， 1 3 根试验梁承载力的 试验值与计算值相比， 除全跨无粘结梁有一定误差 外， 其他基本相符。因而， 在工程实际中， 计算钢筋 与混凝土粘结削弱后 的混凝土梁正截面承载力时 ， 式( 1 ) 和式( 2 ) 的方法值得借鉴。 Ta b l e 1 Ex p e r i me n t a l a n a l y s i s t a b l e o f f l e x u r a l c a p a c i t y o f b e a ms 注： 表示试验梁正 截面 抗弯承载 力计 算值； 研 表示试 验梁 正截面抗弯承载 力试验值。 3 结 论 通过 l 3根试验梁的试验研究与分析 ， 得出以下 结论 ： 1 ) 部分粘结梁受力后变形以弯曲变形为主， 截 面应变符合平截面假定， 破坏时， 钢筋和混凝土都能 充分发挥强度。 2 ) 部分粘结梁与全粘结梁相比， 其承载力没有 明显下降， 可按式( 1 ) 来计算。 3 ) 无粘结梁受力后 ， 混凝 土受 压区形 成压杆， 受拉钢筋为拉杆， “ 拉杆拱” 受力模型破坏时， 钢筋 未能充分发挥强度。 4 ) 无粘结梁与全粘结梁相 比， 其承载力明显下 降 ， 且随着粘结失效区段的增加而逐渐减小， 梁的承 载力可按式( 2 ) 来计算。 5 ) 采用暴露( 部分暴露) 钢筋截面的方法来模 拟钢筋锈蚀后钢筋与混凝土粘结作用的削弱， 但未 能详细讨论暴露钢筋截面百分比与粘结作用削弱程 度的定量关系， 关于这一方面的内容， 有待做进一步 研究。 6 ) 本文讨论 了无粘结梁与部分粘结梁 的承载 力的计算， 但对钢筋与混凝土的粘结作用较弱( 大 于无粘结梁小于部分粘结梁) 的梁的承载力计算未 能阐述， 关于这一方面的内容有待做进一步分析与 研究。 参 考 文 献 ： 1 张素梅 ， 李玉华 受拉钢筋暴露的钢筋混凝土梁承载力研究 J 哈尔滨建筑大学学报， 1 9 9 3 ( 3 0 ) ： 1 4 - 6 0 2 金伟良， 赵金羽 锈蚀钢筋混凝土梁抗弯强度试验研究 J 工 业建筑 ， 2 0 0 1 ( 3 1 ) ： 9 l 2 3 袁迎曙， 等 锈蚀钢筋混凝土梁的结构性能退化模型 J 土木 工程学 报， 2 0 0 1 ， 3 4 ( 3 ) ： 4 6 - 5 1 4 惠云玲， 等 混凝土基本构件钢筋锈蚀性能试验研究 j 工业 建筑 ， 1 9 9 7 ( 2 7 ) ： 1 2 - 1 9 5 王庆霖， 等 锈后无粘结钢筋混凝土梁的模拟试验与分析 J 建筑结构， 2 0 0 1 ， 3 1 ( 4) ： 5 1 - 5 4 6 牛获涛， 等 锈蚀钢筋混凝土梁的承载力分析 J 建筑结构， 1 9 9 9 ( 8 ) ： 2 3 - 2 5 7 卢晓峰 在用混凝土梁抗弯承载力计算方法研究 D 扬州： 扬州大学， 2 0 0 2 ： 1 5 - 2 6 8 袁迎曙， 余索 锈蚀钢筋混凝士梁的结构性能退化 J 建筑 结构学 报， 1 9 9 7 ， 1 8 ： 5 1 - 5 6