鋼筋銹蝕混凝土梁剛度簡析

孫曉東,仲志鴻

(1.常州市規劃設計院,江蘇 常州 213003;2.常州市排水管理處,江蘇 常州 213003)

1 鋼筋銹蝕混凝土梁研究現狀

安全性(承載能力)和適用性是鋼筋混凝土構件研究的兩個方面。結構承載能力方面的研究工作相對較多;結構適用性的重要體現—結構的剛度,在正常情況下幾乎都能夠滿足要求,相應的研究工作比前者少。當構件鋼筋銹蝕后,對構件剛度變化規律的研究則具有實際意義。文獻[1]、[2]所取得的成果主要集中于定性分析。量化分析方面,文獻[3]通過對試驗結果的分析發現,采用在梁剛度計算模式基礎上進行修正的方法,能夠反映其退化規律。提出銹蝕梁剛度計算公式如式(1)。

式中:ηT為由于銹蝕使粘結力下降引起的梁整體剛度變化系數。Asi為第 i根鋼筋銹損后的剩余截面面積,ηi為第i根鋼筋銹蝕使粘結力下降引起的梁剛度退化系數,As為鋼筋未銹蝕時的截面總面積;λi為第 i根鋼筋的銹蝕深度(單位:mm)。該方法是一個簡化模型,建立的前提是均勻銹蝕,實際工程中結構的鋼筋銹蝕是不均勻的。其他的量化研究工作也僅是提出了一些建議[4]。本文分析影響銹蝕鋼筋混凝土梁剛度變化的各個因素,比較銹蝕梁與對比梁(非銹蝕梁),得出影響銹蝕構件剛度變化的主要因素—主筋銹蝕率,并結合試驗數據,提出銹蝕鋼筋混凝土梁抗彎剛度的計算方法,建立抗彎剛度隨鋼筋銹蝕量的變化模型。

2 鋼筋銹蝕混凝土梁試驗

2.1 試件

設計 9根試驗梁 L0～L8,混凝土強度等級 C30,混凝土設計配合比(kg/m3)為 R42.5水泥∶砂∶石子∶水 =1∶2.23∶3.08∶0.54(混凝土塌落度為 30～70mm)。梁的截面尺寸 b×h=150mm×300mm,梁長 l=3600mm。主筋:2根 20mm的 HRB335級鋼筋,保護層厚度 25mm;箍筋: 8mm間距 150mm HPB235級鋼筋。實驗設計對鋼筋混凝土梁中的主筋進行加速銹蝕,為防止箍筋的銹蝕,在箍筋可能與鹽溶液接觸的表面涂防銹漆。

2.2 銹蝕

將待銹蝕鋼筋部位的混凝土梁 L1～L8埋入用 4%氯化鈉溶液澆濕的砂中,以待銹鋼筋作陽極,以埋入濕鹽砂中的銅絲作為陰極,用 12V直流電源通電,并對每一試件的通電時間和電流強度進行記錄。根據法拉第定律,通過控制銹蝕電流密度和銹蝕時間控制鋼筋的平均銹蝕深度,試驗后取出銹蝕主筋通過稱量法得出主筋平均銹蝕率。

2.3 靜力加載

對梁 L0～L8(L0為主筋未銹蝕梁)分五級靜力加載,荷載上限值為 33 kN,第一級至第五級荷載值依次為 6 kN、13 kN、20 kN、26 kN、33 kN。跨中撓度實測量值如表1。

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3 試驗結果討論

分析影響銹蝕混凝土梁的抗彎剛度的因素,除規范考慮的因素外,添加了由鋼筋銹蝕所引起的粘結力剛度變化影響系數 ηT。文獻[4]考慮不夠全面,因為鋼筋的銹蝕是一個長期的過程,銹蝕率的變化是連續的。且在該過程中,隨銹蝕增加,銹蝕鋼筋和混凝土之間的粘結力并不是單調下降,而是先增加后下降。故上述文獻中的 ηT并非是單調減函數。因此本文將銹蝕剛度變化影響系數考慮為銹蝕率的連續函數,用 ηr=η(r,f)表示,其中 r為銹蝕率,f為不均勻銹蝕度。因此,銹蝕鋼筋混凝土梁剛度計算公式表示如式(2)。

從目前的研究進展來看,要獲取銹蝕剛度變化影響系數,只能由實驗來獲取。要分別考慮兩個因素的影響有一定的困難。構造銹蝕剛度影響系數函數如式(3)。

式中:a為銹蝕梁剛度轉折點鋼筋的銹蝕率(在本文中,梁主筋銹蝕率達 8.04%時梁的整體剛度發生轉折,即 a=8.04%);α1、α2為待定系數,可由實驗統計分析獲得。因此這幾個參數都是經驗數據,對工程實際的應用具有指導作用。

根據本試驗所測結果,計算在不同銹蝕率狀態下梁的剛度影響系數(與對比梁相比,設對比梁的剛度為 1),根據撓度值(表1)可求得各梁整體剛度,比較銹蝕梁與非銹蝕梁的剛度得表2。

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從表中結果可以明顯看出,以對比梁為標準,在一定銹蝕量的范圍內,銹蝕梁的剛度大于非銹蝕梁,且隨銹蝕率的增加而變化(雖然試驗數據具有一定的離散性),銹蝕梁的整體剛度隨銹蝕率增加而變化的總趨勢:先增加后下降。

4 小 結

(1)根據《混凝土結構設計規范》(GB 50010-2002)提出的計算鋼筋混凝土梁的抗彎剛度公式,分析相關文獻中對銹蝕鋼筋混凝土梁剛度的計算模型,指出計算模型中的不足之處。

(2)根據本試驗的測試數據,提出計算銹蝕鋼筋混凝土梁的抗彎剛度模型,確定模型中的參數,需要更多的實驗支持。

(3)分析實驗數據,得出銹蝕率是影響銹蝕鋼筋混凝土梁剛度的重要因素,提出銹蝕鋼筋混凝土梁的修正剛度計算公式。在一定銹蝕率范圍內,銹蝕梁的整體剛度隨銹蝕率增加先增加后下降。

[1]任寶雙,錢稼茹,聶建國.在用鋼筋混凝土簡支橋面梁受彎剛度估算[J].工業建筑,2001,31(1):13-15

[2]惠云玲.混凝土受彎構件腐蝕前后構件性能試驗研究報告[J].冶金建筑研究,1995(7)

[3]王慶霖,池永亮,牛荻濤.銹后無粘結鋼筋混凝土梁的模擬試驗與分析[J].建筑結構,2001,31(4):51-53,63

[4]孫彬,牛荻濤,王慶霖.銹蝕鋼筋混凝土梁抗彎剛度分析與計算[J].建筑結構,2004,34(10):42-45