鋼筋銹蝕對混凝土梁結構性能的影響研究

李利民

（中鐵十一局集團城市軌道工程有限公司，湖北 武漢430074）

對于鋼筋混凝土構件，鋼筋和混凝土能共同工作的基礎是二者之間具有足夠的粘結強度。根據退化機理分析，銹蝕鋼筋的力學性能退化以及銹蝕鋼筋與混凝土粘結性能退化是導致鋼筋混凝土銹蝕梁的結構性能退化的主要因素。鋼筋混凝土受彎構件是鋼筋混凝土結構中重要的受力構件。目前，對于銹蝕鋼筋混凝土結構性能退化的研究多以梁構件為研究對象。

1 銹蝕對混凝土梁破壞特征的影響

銹蝕梁的破壞特征與完好梁有很大的不同。當銹蝕程度較小時，二者幾乎完全相同；但隨著銹蝕程度的加劇，鋼筋與混凝土之間的粘結性能逐步退化，銹蝕受彎構件裂縫逐漸向跨中集中，裂縫數量減少，間距增大，分布趨于更不均勻；當銹蝕量較大時，粘結性能嚴重退化，鋼筋混凝土協同工作能力下降，裂縫集中在跨中部位。文獻[1]通過試驗研究發(fā)現，鋼筋不發(fā)生銹蝕，粘結性能良好，梁跨中純彎段出現了較密的裂縫，在剪彎區(qū)出現較為完全的斜裂縫。最后，在純彎區(qū)段，混凝土受壓破壞，結構表現為正截面彎曲破壞；當鋼筋銹蝕率較小時，在銹蝕區(qū)段裂縫的分布同完好結構相比稀疏一些。其原因是銹蝕使鋼筋與混凝土間的粘結性能發(fā)生退化，減弱了鋼筋與混凝土間的應力傳遞，但尚能較為有效地粘結，最后的破壞形式仍為混凝土受壓破壞；當鋼筋銹蝕率較大時，鋼筋與混凝土間的粘結性能產生較大的退化，而且鋼筋的截面面積也產生了較明顯的減小。裂縫的發(fā)展情況同完好結構比較有了較明顯的變化，垂直裂縫明顯變得稀疏，裂縫的發(fā)展區(qū)域向跨中靠近。文獻[2]通過有限元分析發(fā)現，銹蝕梁的受力特征與鋼筋銹蝕程度有很大關系：1）銹蝕量較小時，銹蝕梁的破壞形態(tài)與未銹梁基本相同；2）隨著銹蝕率逐漸增加，鋼筋與混凝土之間的粘結性能逐漸退化，銹蝕梁裂縫逐漸向跨中集聚，裂縫數量減少，間距增大，分布趨于更不均勻；3）當銹蝕量較大時，粘結性能退化嚴重，鋼筋和混凝土共同工作能力下降，裂縫集中在跨中部位；4）隨銹蝕率的增大，破壞時梁中部截面開裂高度上升，加載點截面更為明顯，說明隨著鋼筋與混凝土之間粘結性能的退化，梁中部中和軸明顯上升。

梁的延性性能與粘結性能、鋼筋的塑性性能發(fā)展有著密切的關系。正常的鋼筋混凝土受彎構件破壞過程一般是受拉區(qū)混凝土開裂，中和軸上移，受拉區(qū)鋼筋屈服，受壓區(qū)混凝土壓碎。銹蝕梁，在混凝土壓碎時的荷載與鋼筋屈服是的荷載之比小于正常構件，且隨著銹蝕量的增大而減小，即構件的延性發(fā)生了退化。文獻[1]通過對銹蝕鋼筋混凝土梁的荷載-位移試驗結果得到銹蝕梁在三種不同銹蝕率下的延性比，見表1。

表1 不同銹蝕率鋼筋混凝土梁延性比

分析其原因為在銹蝕率較小的情況下，鋼筋能充分發(fā)揮強度，但粘結性能的退化使鋼筋塑性性能不能充分發(fā)揮，影響了結構的延性發(fā)揮。在銹蝕率較大的情況下，粘結性能的破壞導致鋼筋不能發(fā)揮其塑性性能，結構的破壞形式從延性破壞變?yōu)榇嘈云茐摹?/p>

2 銹蝕對鋼筋混凝土應變協調關系的影響

鋼筋與混凝土間變形協調關系是鋼筋混凝土受彎構件計算模型的基本假定之一。對銹蝕鋼筋混凝土受彎構件，試驗研究和有限元分析結果表明，鋼筋銹蝕后，鋼筋和混凝土的粘結性能退化，增大了鋼筋和混凝土之間的相對滑移，改變了鋼筋與混凝土之間的應變協調關系。當銹蝕率較小時，在跨中同一點處鋼筋應變和混凝土應變相差較小；當銹蝕增大到一定程度時，在跨中同一點鋼筋應變和混凝土應變不協調程度變化很大，且不協調程度隨荷載增加而增大。文獻[2]通過對不同銹蝕程度的鋼筋混凝土梁在同一截面的應變歷程變化分析得到，開裂之前，混凝土和鋼筋的應變基本相同，開裂之后混凝土應變則明顯大于鋼筋應變，而且二者之差隨著銹蝕程度的加劇而增大，反映出銹蝕率增大使鋼筋與混凝土之間應變不協調程度明顯增大；文獻[3]通過對局部銹蝕梁結構數值模擬分析，認為在不同的銹蝕率下，在混凝土開裂前，受拉區(qū)鋼筋與混凝土共同受拉，屬線彈性階段，撓度隨荷載呈線性變化。在混凝土開裂后，拉力由鋼筋承擔，撓度逐漸呈現出非線性變化，直至最后撓度發(fā)生突變，而且隨著銹蝕率的增大，撓度發(fā)生突變的起點也在提前。分析其原因，當銹蝕率較大時，鋼筋與混凝土間的粘結性能發(fā)生退化，減弱了鋼筋與混凝土間的應力傳遞，使得鋼筋與混凝土間的協調變形能力下降。

3 銹蝕對鋼筋混凝土受彎構件剛度的影響

文獻[1]通過對鋼筋平均銹蝕率為 0%、2%、5%、8%、10%、11%、12%的混凝土梁試驗，研究了不同銹蝕率下的荷載-撓度變化，研究結果表明，在受拉區(qū)混凝土開裂之前，鋼筋銹蝕程度對跨中撓度影響較小，在該階段，構件的剛度基本表現為彈性剛度。受拉區(qū)混凝土開裂之后，構件的荷載-撓度曲線基本上仍為直線段，隨著銹蝕程度的增加，直線段的斜率呈下降趨勢，在銹蝕程度高時這種趨勢更加明顯，它反映了構件山于粘結性能退化引起的剛度退化。文獻[3]認為隨著受拉區(qū)混凝土的開裂，構件剛度有一個突變，突變程度和銹蝕程度有很大關系。在銹蝕較小的情況下，突變很小，說明當銹蝕率較小時，受拉區(qū)混凝土的開裂不會立刻引起鋼筋和混凝土之間產生很大的滑移。在銹蝕率較大的情況下，突變較大，說明在銹蝕程度較嚴重的情況下，受拉區(qū)混凝土的開裂會立刻引起鋼筋和混凝土之間產生較大的滑移。在比較不同銹蝕程度受彎構件受拉區(qū)混凝土開裂后的剛度發(fā)現，在鋼筋混凝土受彎構建中存在一個粘結滑移退化界限，當粘結滑移退化程度小于該界限是，銹蝕引起的粘結滑移退化對構件剛度影響較小；當粘結滑移退化程度大于該界線時，銹蝕引起的粘結滑移退化對構件剛度影響較大。文獻[4]通過對銹蝕鋼筋混凝土梁的自振頻率測試結果可以看出，局部梁段的鋼筋銹蝕和橫向裂縫的出現都將使試驗梁的自振頻率降低，這說明鋼筋銹蝕所造成的梁段剛度降低比較嚴重。

4 結語

混凝土中鋼筋發(fā)生銹蝕后，鋼筋的有效斷面減少，力學性能劣化，混凝土保護層銹脹開裂也將引起混凝土有效斷面減少，并造成鋼筋與混凝土之間粘結性能退化，影響鋼筋與混凝土的共同工作，對混凝土梁破壞特征、鋼筋混凝土應變協調關系及鋼筋混凝土受彎構件剛度等結構性能指標均造成了一定程度的影響，致使構件結構性能發(fā)生變化。

［1］袁迎曙，余索.銹蝕鋼筋混凝土梁的結構性能退化[J].建筑結構學報，1997，18（4）：51-57.

［2］李自超.銹蝕鋼筋混凝土構件性能退化及承載力研究[D].上海：同濟大學，2006.

［3］閃勇.銹蝕鋼筋混凝土梁抗彎承載力的數值模擬[D].鄭州：鄭州大學，2006.

［4］趙新.鋼筋混凝土梁銹蝕損傷定位譽區(qū)別[J].振動與沖擊，2007，20（3）：35-38.