考虑箍筋锈蚀影响的约束混凝土抗压强度模型.pdf

30第 49 卷 第 4 期2023 年8月四川建筑科学研究Sichuan Building Science考虑箍筋锈蚀影响的约束混凝土抗压强度模型秦荷成1，陶伯雄1，2，姜 攀1，韦炫辰2（1.广西建设职业技术学院，广西 南宁 530007；2.广西大学土木建筑工程学院，广西 南宁 530004）摘 要：基于加速锈蚀箍筋约束混凝土试件的单轴受压试验，获取了 36 组不同锈蚀程度条件下箍筋约束混凝土的抗压强度试验数据，分析了配箍形式和箍筋质量锈蚀率等因素对抗压强度和破坏形态的影响规律，结合混凝土材料的极限强度面和破坏准则，建立了锈蚀箍筋约束混凝土的抗压强度模型，并验证了模型的有效性。分析表明：随着箍筋质量锈蚀率的增大，约束混凝土的抗压强度逐渐减小；当配箍形式相同时，箍筋间距越大，箍筋质量锈蚀率对抗压强度的影响越显著；当箍筋间距相同时，箍筋质量锈蚀率对配置方形箍试件的抗压强度影响程度大于配置棱形箍试件；当箍筋质量锈蚀率分别约为 16.7、10.0和 30.0时，大部分方形箍、棱形箍和螺旋箍在试件轴压破坏位置处发生断裂。关键词：箍筋；锈蚀；约束混凝土；抗压强度；破坏形态DOI：10.19794 ki.1008-1933.2023.0043中图分类号：TU375 文献标志码：A 文章编号：1008-1933（2023）04-0030-06CompressivestrengthmodelforconfinedconcreteconsideringinfluenceofhoopcorrosionQIN Hecheng1，TAO Boxiong1，2，JIANG Pan1，WEI Xuanchen2（1.Guangxi Polytechnic of Construction，Nanning 530007，China；2.School of Civil Engineering&Architecture，Guangxi University，Nanning 530004，China）Abstract：Uniaxial compression test of concrete specimens confined by accelerated corroded hoops was carried out and 36 sets of test data of compressive strength for confined concrete with different corrosion levels were obtained.The influences of factors such as the configuration of hoops and hoop mass corrosion rate on the compressive strength and failure mode of specimens were analyzed.Meanwhile，a computational model for compressive strength of concrete confined by corroded hoops was developed by combining the ultimate strength surface and failure criterion of concrete material.Finally，the applicability of the proposed model was validated based on experimental data.The analysis results show that the compressive strength of confined concrete decreases with the increase of hoop mass corrosion rate.When the configuration of hoops is the same，the influence of hoop mass corrosion rate on the compressive strength exhibits more significantly when the space of hoops is larger.When the space of hoops is the same，the hoop 收稿日期：2022-10-19基金项目：广西教育厅中青年教师科研基础能力提升项目（2020KY35014）第一作者：秦荷成（1982），男，硕士，副教授，研究方向：混凝土耐久性、结构可靠性分析。通讯作者：韦炫辰（1985），女，硕士，助理研究员，研究方向：工程材料。E-mail：1304900922 E-mail：544724379 312023 第 4 期秦荷成，等：考虑箍筋锈蚀影响的约束混凝土抗压强度模型mass corrosion rate will affect the compressive strength of the specimens with square hoops larger than that of the specimens with prismatic hoops.When the hoop mass corrosion rate is about 16.7，10.0 and 30.0，most of the square，prismatic and spiral hoops are broken at the axial compression failure position of specimens respectively.Keywords：hoop；corrosion；confined concrete；compressive strength；failure mode0 引 言混凝土抗压强度是钢筋混凝土结构非线性力学行为分析的重要参数1-5。目前，国内外学者围绕箍筋约束混凝土的抗压强度模型开展了大量研究。其中：文献 6-7 在研究非约束混凝土抗压强度基础上，通过引入考虑箍筋体积配箍率和箍筋屈服强度等因素影响的增强系数，建立了适用于方形箍筋约束混凝土的抗压强度模型；文献 8考虑截面形状的影响，通过引入有效约束应力，建立了适用于方形、矩形和圆形截面的箍筋约束混凝土抗压强度模型；文献 9-10 通过引入压力系数和有效约束应力，建立了箍筋约束混凝土抗压强度模型；文献 11-13 研究了高强箍筋约束高强混凝土抗压强度模型；文献 14 建立了适用于方形截面的箍筋约束混凝土抗压强度模型，并分析了配箍形式、箍筋体积配箍率和箍筋屈服强度等因素对混凝土抗压强度的影响规律。需要说明的是，上述模型均未考虑箍筋锈蚀的影响。然而在实际工程中，箍筋比纵筋往往更容易发生锈 蚀15。箍筋锈蚀不仅会降低有效承载面积，而且会削弱对核心区混凝土的约束作用，从而影响约束混凝土的抗压强度。为了研究箍筋锈蚀的影响，文献 16 基于加速锈蚀试验，获得了锈蚀箍筋约束混凝土的应力-应变全曲线试验数据；文献 17通过加速锈蚀试验，研究了箍筋锈蚀对混凝土棱柱体试件破坏形态的影响。但是，上述研究均没有建立锈蚀箍筋约束混凝土的抗压强度模型。文献 18-20 对棱柱体中的箍筋进行了加速锈蚀试验，分析了箍筋锈蚀对抗压强度的影响规律，但是局限于方形截面和方形箍，无法适用于圆形截面或棱形箍和螺旋箍，导致适用性有限。因此，有必要研究建立一种能够综合考虑截面形状和配箍形式等重要因素影响的锈蚀箍筋约束混凝土的抗压强度模型。鉴于此，本文基于锈蚀箍筋约束混凝土试件的单轴受压试验，分析了配箍形式和箍筋质量锈蚀率等因素对试件抗压强度和破坏形态的影响，进而结合混凝土材料的极限强度面和破坏准则，建立了锈蚀箍筋约束混凝土的抗压强度模型，并验证了模型的有效性。1 锈蚀箍筋约束混凝土的单轴受压试验试验包括 12 个方形箍试件（A 系列）、12 个棱形箍试件（B 系列）和 12 个螺旋箍试件（C 系列）。根据配箍率的不同，每个系列分为 L（低配箍率）、M（中配箍率）和 S（高配箍率）3 组。试件的几何尺寸及配筋如图 1 所示。纵筋和箍筋的直径分别为 10、6 mm，A、B 和 C 系列试件的纵筋根数分别为 4、8 和 6 根，纵筋和箍筋的屈服强度分别为 568、360 MPa。采用外加直流电（恒定电流密度约为 0.5 mA cm2）的方式加速箍筋锈蚀，通过调整通电时间来控制箍筋质量锈蚀率。采用失重法确定箍筋质量锈蚀率。36 组锈蚀箍筋约束混凝土试件单轴受压试验的基本数据见表 1。由表 1 可知，随着箍筋质量锈蚀率的增大，抗压强度逐渐降低。以 AM 组试件为例，AM1、AM2 和 AM3 的箍筋质量锈蚀率分别为 7.3、12.5和 21.6，相比于 AM0，其抗压强度分别降低了 6.2、8.0和 14.5。对于 A 和 B 系列试件，当配箍形式相同时，箍筋间32第 49 卷四川建筑科学研究距越大，箍筋质量锈蚀率对抗压强度的影响越显著。例如，BL3、BM3 和 BS1 的箍筋质量锈蚀率分别为 12.3、13.4和 14.9，相比于 BL0、BM0 和 BS0，其抗压强度分别降低了 12.4、8.9和 2.9。当箍筋间距相同时，箍筋质量锈蚀率对 A 系列试件抗压强度的影响程度大于 B系列试件。例如，AL2 和 BL2 的箍筋质量锈蚀率分别为 9.8和 10.3，相比于 AL0 和 BL0，其抗压强度分别降低了 7.8和 2.7；AS2 和 BS2的箍筋质量锈蚀率分别为 16.7和 20.8，相比于 AS0 和 BS0，其抗压强度分别降低了 10.1和7.6。图 1 试件的几何尺寸及配筋 mmFig.1 Geometryandreinforcementofspecimens表 1 试件单轴受压试验的基本数据Table1 Basicdataofspecimensunderuniaxialcompressiontest编号 fco MPaSh mm Xcorr fcc MPa 编号 fco MPa Sh mm Xcorr fcc MPa 编号fco MPaSh mm Xcorr fcc MPaAL025.46500032.0BL024.96500033.8CL018.05500026.3AL125.4654.930.6BL124.9657.731.3CL118.05516.824.9AL225.4659.829.5BL224.96510.332.9CL218.05521.822.0AL325.46517.524.8BL324.96512.329.6CL318.05531.520.7AM025.44000033.9BM021.74000036.9CM024.44000036.3AM125.4407.331.8BM121.7405.635.3CM124.4407.634.2AM225.44012.531.2BM221.74010.034.1CM224.44022.830.1AM325.44021.629.0BM321.74013.433.6CM324.44032.929.9AS024.92500039.6BS021.72500044.8CS024.42500044.8AS124.9259.536.8BS121.72514.943.5CS124.4259.342.4AS224.92516.735.6BS221.72520.841.4CS224.42510.042.6AS324.92525.034.3BS321.72525.038.5CS324.42513.633.7注：fco为与箍筋约束混凝土试件具有相同尺寸的非约束（没有纵筋和箍筋）混凝土试件的轴心抗压强度，Sh为箍筋间距，Xcorr为箍筋质量锈蚀率，fcc为锈蚀箍筋约束混凝土试件的抗压强度。3个系列中部分试件的破坏形态如图2所示。观察分析图 2 可知，当试件发生轴压破坏时，箍筋断裂位置主要集中在柱轴压破坏处，且部分纵筋向外弯曲。对于 A 系列试件，当箍筋质量锈蚀率小于 12.5时，箍筋未发生断裂，当箍筋质量锈蚀率大于 16.7时，大部分箍筋发生断裂。对于B系列试件，当箍筋质量锈蚀率不超过10.0时，箍筋未发生断裂，当箍筋质量锈蚀率大于 10.0时，大部分箍筋发生断裂，且纵筋明显向外弯曲。对于 C 系列试件，根据未锈蚀箍筋试件 CL0 和CM0 的破坏形态可知：当箍筋间距较大时，纵筋在不同高度位置处向外弯曲，混凝土保护层剥落面积较小；当箍筋间距较小时，箍筋对核心区混凝土的约束作用较好，纵筋向外弯曲的现象不明显，混凝土保护层的剥落面积较大。通过对比分析锈蚀箍筋试件 CL2、CL3、CM3 和 CS3 的破坏形态可知，当箍筋质量锈蚀率大于 30.0时，箍筋发生断裂，纵筋向外弯曲。332023 第 4 期秦荷成，等：考虑箍筋锈蚀影响的约束混凝土抗压强度模型图 2 部分试件的破坏形态Fig.2 Failurepatternsofpartialspecimens2 锈蚀箍筋约束混凝土的抗压强度模型将试验中获得的混凝土多轴强度数据逐一描绘在主应力（1，2，3）坐标空间中，可以得到混凝土的极限强度面。通过原点并与 3 个主应力坐标轴夹角相等的直线即为静水压力轴，静水压力轴与任一主应力轴组成的平面与极限强度面的交线分别称为拉、压子午线。根据混凝土的破坏准则21，压子午线的抛物线方程为_oct=b0+b1_oct+b2_oct2 （1）式中：b0、b1和 b2为拟合系数，_oct和_oct分别为八面体正应力oct和八面体剪应力oct与 fco的相对值。根据压子午线的应力条件，箍筋约束混凝土核心区处于多轴应力状态，其满足条件1=2=-fl3=-fcc（fl为箍筋对混凝土核心区的有效约束应力），则有：（2）（3）结合式（1）（3）建立锈蚀箍筋约束混凝土的抗压强度 fcc的表达式（式（4）。（4）基于文献 8 的理论推导，考虑箍筋锈蚀后体积配箍率的减小和屈服强度的降低，有效约束应力 fl可以定义为 （5）式中：Ke为有效约束系数，sc和 fyhc分别为锈蚀箍筋的体积配箍率和屈服强度22-23。sc=（1-Xcorr）s；fyhc=（1-sXcorr）fyh （6）式中：s为锈蚀箍筋屈服强度的修正系数，文 献23推荐取 0.005；s和 fyh分别为箍筋体积配箍率和屈服强度。对于圆形截面的箍筋约束混凝土试件，有效约束系数 Ke的计算公式为8（7）式中：cc为纵筋与核心区混凝土的面积比，ds为圆形截面核心区的直径，s为箍筋净距。对于方形截面的箍筋约束混凝土试件，有效约束系数 Ke的计算公式为834第 49 卷四川建筑科学研究 （8）式中：bc为方形截面的核心区宽度，n 为纵筋的根数，w为相邻纵筋的水平净距。根据式（5）（8）计算锈蚀箍筋对核心区混凝土的有效约束应力 fl，基于表 1 中的 36 组锈蚀箍筋约束混凝土的单轴受压试验数据，拟合确定系数 b0、b1和 b2的值分别为 0.188、-0.906 和-0.147，代入式（4）建立锈蚀箍筋约束混凝土的抗压强度模型（9）有效约束应力 fl，抗压强度计算值与试验值见表 2。由表可知，对于 A、B、C 系列试件，的均值和标准差分别为 0.97 和 0.07，0.98 和 0.04，1.07 和 0.08。由此可见，本文建立的锈蚀箍筋约束混凝土的抗压强度模型具有较高的计算精度。表 2 中 36 个试件的抗压强度计算值和试验值的比较如图 3 所示。由图可知，36 个试件的抗压强度计算值和试验值的散点大致分布在等值线两侧，说明本文模型具有较高的计算精度。图 3 抗压强度计算值和试验值的比较Fig.3 Comparisonbetweencalculatedvaluesandtestedvaluesofcompressivestrength表 2 有效约束应力和抗压强度Table2 Effectiverestrainedstressandcompressivestrength编号fl MPa MPa MPa编号fl MPa MPa MPa编号fl MPa MPa MPaAL00.6528.832.00.90 BL01.5032.333.80.96 CL01.8026.526.31.01AL10.6228.730.60.94 BL11.3931.831.31.02 CL11.5025.224.91.01AL20.5928.529.50.97 BL21.3531.632.90.96 CL21.4124.822.01.13AL30.5428.324.81.14 BL31.3231.429.61.06 CL31.2324.020.71.16AM01.2531.633.90.93 BM02.8834.936.90.95 CM02.6336.736.31.01AM11.1531.231.80.98 BM12.7234.335.30.97 CM12.4335.934.21.05AM21.0930.931.20.99 BM22.5933.734.10.99 CM22.0334.130.11.13AM30.9830.429.01.05 BM32.4933.333.60.99 CM31.7632.929.91.10AS02.1935.339.60.89 BS05.0643.444.80.97 CS04.4544.144.80.98AS11.9834.436.80.93 BS14.3140.643.50.93 CS14.0442.542.41.00AS21.8233.735.60.95 BS24.0139.441.40.95 CS24.0142.442.61.00AS31.6332.934.30.96 BS33.7938.638.51.00 CS33.8541.733.71.24均值0.970.98 1.07标准差0.070.04 0.083 结 论本文基于锈蚀箍筋约束混凝土的单轴受压试验，分析了配箍形式和箍筋质量锈蚀率等因素对抗压强度和破坏形态的影响规律，建立了锈蚀箍筋约束混凝土的抗压强度模型，并得出了以下 结论：1）随着箍筋质量锈蚀率的增大，锈蚀箍筋约352023 第 4 期秦荷成，等：考虑箍筋锈蚀影响的约束混凝土抗压强度模型束混凝土的抗压强度逐渐减小；当配箍形式相同时，箍筋间距越大，箍筋质量锈蚀率对抗压强度的影响越显著；当箍筋间距相同时，箍筋质量锈蚀率对配置方形箍约束混凝土抗压强度的影响程度大于配置棱形箍约束混凝土。2）在锈蚀箍筋约束混凝土试件的轴压破坏位置处，箍筋是否发生断裂与配箍形式和箍筋质量锈蚀率有关。当箍筋质量锈蚀率分别约为16.7、10.0和 30.0时，大部分方形箍、棱形箍和螺旋箍发生断裂。3）所建立的锈蚀箍筋约束混凝土的抗压强度模型不仅适用于方形截面与圆形截面，而且能够考虑配箍形式、箍筋间距、箍筋质量锈蚀率等重要因素的影响，具有良好的计算精度和适用性。参 考 文 献：1 宋鹏彦，吕大刚，崔双双.地震作用下钢筋混凝土框架结构连续倒塌极限状态可靠度分析 J.建筑结构学报，2013，34（4）：15-22.2 VU N S，YU B，LI B.Prediction of strength and drift capacity of corroded reinforced concrete columns J.Construction and Building 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