老舊鋼筋混凝土梁性能退化試驗研究

林 遲

(福州市城鄉建設委員會 福建福州350003)

受自身材料特性和使用環境的影響，混凝土結構不可避免地存在耐久性問題，其中鋼筋銹蝕引起的結構性能退化無疑是影響整體結構安全性能的重要原因之一。我國作為建設大國，目前正以前所未有的巨大投資進行著空前規模的基礎設施建設［1，2］，同時城市中也普遍存在大量服役時間較長的老舊建筑。汶川地震后都江堰市的震害表明［3］，受結構性能退化等原因影響，不同服役齡期的鋼筋混凝土結構的抗震能力差異較大。對老齡期混凝土結構的性能退化研究，多采用人工加速退化所得的構件進行試驗，極少有實際結構構件的性能退化試驗數據。為此本文利用遼寧旅順沿海地區上世紀20年代的一批老舊鋼筋混凝土梁，對鋼筋混凝土結構各項材料性能的退化規律進行試驗研究，并對鋼筋粘結性能不足時鋼筋混凝土梁的抗彎能力進行分析，以彌補結構性能退化實測數據的不足。

1 試驗梁背景

試驗建筑位于大連市旅順口區文化街，始建于1927年，原為日據時期的軍官俱樂部，拆遷前使用功能為賓館及網吧，從谷歌地圖上測量該建筑到海邊的距離約為600m見(圖1)。結構形式為磚混結構，主體結構3層，采用現澆混凝土樓板。為獲得該結構的混凝土梁，先鑿除梁范圍外的混凝土樓板見(圖2)，然后沿梁邊緣將鋼筋切斷，之后采用兩點吊裝將梁從結構中緩慢吊下，吊裝過程未發現梁底開裂。所取梁位于建筑三樓，其截面尺寸為700mm×300mm，長度約為7m，混凝土保護層厚度約3.5cm，采用光圓鋼筋，結構的配筋圖見(圖3)所示。

2 試驗梁抗彎性能試驗

2.1 試驗場地準備與設備

試驗選擇在大連理工大學結構實驗室進行。試驗準備包括梁的吊裝、試驗場地準備、梁刷白和粘貼傳感器等步驟。我們通過卡車和吊車將梁從旅順運回大連，之后選擇好試驗場地，將梁吊進試驗室見(圖4)。經過粘貼應變片和刷白等處理工序，完成梁加載前的準備工作。

2.2 加載準備

選用三分點加載方式，試驗加載及應變片布置示意圖見(圖5)。采用高壓油泵通過兩個并聯液壓千斤頂進行加載，利用位移計測量跨中以及梁兩端的位移，同時在跨中和沿斜裂縫開展方向粘貼應變片。加載設備和測量設備見(圖6)所示。

圖1 試驗建筑在地圖中的位置

圖2 梁拆除過程

圖3 梁截面尺寸及配筋(截面4同截面3)

圖4 梁吊裝進實驗室

圖5 試驗加載及應變片布置圖

圖6 試驗設備與加載

2.3 加載

采用C25混凝土和Q235鋼筋近似實際材料，預估試驗梁的開裂荷載和破壞荷載，計算過程如下:

參照《混凝土結構設計規范》(GB50010－2010)［4］，該梁的破壞彎矩為:

參照《水工混凝土結構設計規范》［5］(SL 191－2008)，鋼筋混凝土受彎構件的開裂彎矩為:

式中，γm——截面抵抗矩塑性系數，對于矩形截面取1.55;

ftk——混凝土軸心抗拉強度標準值;

I0——試驗梁換算截面慣性矩;

y0——試驗梁截面形心軸至受拉邊緣距離;

αE——鋼筋彈性模量和混凝土彈性模量之比;

Ec——混凝土彈性模量;

ρ——縱向受拉鋼筋配筋率

代入各參數值可得:

加載在大連理工大學結構實驗室進行，按照試驗方案的要求，這個加載過程包括預加載、加載和卸載，結構的破壞模式如圖7所示。整個加載過程先是底部混凝土開裂(開裂彎矩約為100kNm)，接著底部鋼筋開始屈服(屈服彎矩約為300kNm)，最后頂部混凝土壓壞，梁發生適筋梁破壞。

圖7 構件破壞模式

2.4 試驗梁材料性能試驗

為進一步對構件的性能退化程度及材料性能對構件承載能力的影響進行分析，我們分別對構件的混凝土、鋼筋以及鋼筋混凝土之間的粘結性能進行了研究測量。

(圖8)為混凝土抗壓強度測量試驗，在梁上部區域進行鉆芯取樣，共取了12個樣本，經過處理，選擇6個形態好的樣本進行抗壓試驗。(圖9)為鋼筋混凝土粘結力測量試驗，首先對可進行粘結拉拔試驗的鋼筋混凝土部分進行切割，其次在試驗室對試塊進行打磨處理，切割成橫截面為150mm×150mm的長方形試塊。由于實際構件中取樣的困難和試驗后構件中混凝土開裂的影響，此次只取兩個試塊(三個鋼筋可供拉拔)進行試驗。由于鋼筋力學性能較為穩定，因此選取兩根梁底部鋼筋進行拉伸試驗。

圖8 混凝土鉆芯取樣和樣本處理

2.5 試驗數據分析

(圖10)為鋼筋的本構試驗曲線，結果顯示，兩個鋼筋試件的抗拉曲線基本相同，屈服應力約為250MPa。(圖11)顯示，該梁鋼筋與混凝土的最大粘結力約為4MPa，其中樣本1與樣本2的拉拔試驗結果較為接近，而樣本3在粘結應力達到最大時的滑移量大于其它樣本，達到了1cm。

圖9 鋼筋混凝土粘結力測量試驗

圖10 鋼筋本構試驗結果

圖11 鋼筋粘結應力－滑移曲線

圖12 梁抗彎承載力加載結果

混凝土的鉆芯取樣結果如(表1)所示，混凝土抗壓強度平均值約為28.12MPa。混凝土碳化深度測試見(表2)，試件編號是按照其所在位置確定的:1號試件較為靠近梁端，碳化深度較淺;2號試件較為接近跨中，碳化深度較深，約為6.5cm;3號和4號試件處在兩者之間，碳化深度約為2.5cm。(表3)為底部縱筋和箍筋的銹蝕測量結果，如表所示，鋼筋的銹蝕量較小，均小于1%，表明鋼筋當時的施工質量較好鋼筋在服役80年后仍然能保持較好的工作狀態。

梁抗彎承載力的試驗結果和有限元模擬結果見(圖12)。梁構件的最大承載力約為300kN·m，其中在進行第二根梁試驗時，當跨中變形達到60mm時進行了卸載，卸載曲線斜率與加載時曲線曲率基本相同。采用有限元建模方法分析時，不考慮粘結滑移影響，并假定鋼筋和混凝土可以協同變形，此時梁的破壞彎矩約為450kN·m。可見除了混凝土、鋼筋的強度退化需要考慮外，鋼筋與混凝土之間的粘結力不足對鋼筋混凝土構件承載力的影響也不容忽視。

歐洲混凝土規范CEB－FIP model code 1990(MC90)［6］對該直徑螺紋鋼筋粘結應力的建議值約為13MPa，若粘結力不足則不能采用平截面假定。老齡期的鋼筋混凝土結構曾普遍采用光圓鋼筋，光圓鋼筋與混凝土之間的粘結力主要依靠二者之間的摩擦力，其值大大小于螺紋鋼筋與混凝土之間的機械咬合力，同時在環境作用下，螺紋鋼筋銹蝕等因素也會導致其粘結力降低。本文所取構件中光圓鋼筋雖未銹蝕，但與混凝土的最大粘結力約為4MPa，遠小于規范要求的13MPa;若螺紋鋼筋發生銹蝕，其粘結力也將大大降低。在結構分析中，上述情況都歸結為粘結性能不足，均需通過調整鋼筋與混凝土的粘結力來表征結構整體的性能變化。

現有規范計算方法均基于平截面假定，無法考慮粘結性能不足產生的粘結滑移，采用現有方法進行鋼筋混凝土結構抗震能力分析，必然降低了結構的安全性，應發展實用可靠的分析方法重新對鋼筋混凝土結構的承載力進行評估，本文的試驗結果可為相關方法研究提供真實構件的實測數據。

表1 混凝土鉆芯取樣強度

表2 混凝土碳化深度測量(單位:mm)

表3 鋼筋銹蝕量測量(單位:%)

3 小結

本文利用遼寧旅順沿海地區上世紀20年代的一批老舊鋼筋混凝土梁，對鋼筋混凝土結構各項材料性能的退化規律進行試驗研究，獲得了一批重要的試驗數據，可彌補老舊混凝土結構性能退化研究時實測數據匱乏的不足。

通過此次老舊鋼筋混凝土梁的抗彎承載力試驗，發現老齡期的鋼筋混凝土結構普遍存在粘結力不足或者退化的情況，不考慮粘結力不足的梁抗彎承載力與實際加載結果相差較大，特別是對早期的鋼筋混凝土結構，光圓鋼筋的應用比例較高，而粘結性能較差。同時我們還發現，不同配筋率下粘結性能退化對RC構件的極限承載力的影響不同，若單純只用一個折減系數來考慮粘結性能的影響還不夠全面。因此鋼筋混凝土的粘結性能是影響鋼混構件承載力的主要因素之一，迫切需要提出考慮鋼筋粘結滑移的RC結構抗震能力分析方法，完善多齡期結構抗震能力的分析方法。

［1］金偉良，呂清芳，趙羽習，干偉忠.混凝土結構耐久性設計方法與壽命預測研究進展［J］.建筑結構學報，2007，28(1):7－13.

［2］金偉良，鐘小平.結構全壽命的耐久性與安全性、適用性的關系［J］.建筑結構學報，2009，30(6):1－7.

［3］林遲，侯爽，歐進萍.汶川地震中都江堰市多齡期建筑震害特征［J］.大連理工大學學報，2009，49(5):748－753.

［4］GB50010－2010.混凝土結構設計規范［S］.

［5］SL 191－2008.水工混凝土結構設計規范［S］.北京:中國水利水電出版社，2008.

［6］Comite Euro－International du Beton.CEB－FIP model code 1990.Telford.1993:83.