高樁碼頭環形截面基樁銹蝕抗力折減規律

王娜 ，李沛 ，2，張鵬 ，周佰祥

（1.中交天津港灣工程研究院有限公司，天津 300222；2.河北工業大學，天津 300401）

0 引言

我國各類混凝土設計規范已經開始注重混凝土結構構件的耐久性，并從材料和構造兩方面都做了較為詳細的規定[1]。但是，在結構構件服役期間，鋼筋銹蝕等耐久性劣化現象不可避免。目前的現狀是，人們對耐久性劣化因素與混凝土構件力學性能劣化的定量關系研究不足，即有關混凝土構件力學性能隨耐久性劣化過程的研究報導至今偏少[2]。本文中，基于現行水運工程混凝土結構設計規范，運用相關評估規范和評估標準，研究高樁碼頭結構中普遍存在的因鋼筋銹蝕導致的環形截面基樁抗力衰減問題，并計算獲得基樁抗力折減規律。本文計算結果直觀闡明銹脹裂縫寬度-鋼筋截面銹蝕率-基樁抗力間的定量關系，對現有高樁碼頭結構安全性檢測與評估具有指導意義。

1 基樁抗力計算

鋼筋腐蝕對混凝土構件劣化性能的影響大致分為三方面：1）鋼筋自身截面面積減小，不均勻銹蝕導致鋼筋表面凹凸不平，應力集中，其強度降低、脆性增大、延性變差；2）鋼筋銹蝕導致其與包裹它的混凝土間的黏結錨固遭到破壞，鋼筋強度不能被充分利用；3）銹蝕物體積膨脹使混凝土保護層脹裂甚至脫落，引起混凝土構件截面的幾何損傷。

JTJ 302—2006《港口水工建筑物檢測與評估技術規范》[3]規定：腐蝕后鋼筋混凝土構件承載力驗算可按現行JTS 151—2011《水運工程混凝土結構設計規范》[4-5]的規定執行。

2 參數取值

綜合JTJ 302—2006《港口水工建筑物檢測與評估技術規范》和CECS220：2007《混凝土結構耐久性評定標準》[6]的相關規定，腐蝕鋼筋強度設計值、腐蝕鋼筋強度利用系數和截面幾何損傷計算取值如下。

2.1 腐蝕后鋼筋強度設計值

1） 當截面銹蝕率≤5%且銹蝕較均勻的鋼筋，銹蝕鋼筋的強度設計值可按原鋼筋強度設計值取用。

2） 當截面銹蝕率大于5%且不大于10%的鋼筋，或截面銹蝕率不大于5%但銹蝕不均勻的鋼筋，銹蝕鋼筋的強度設計值按下式計算：

式中：ηs為鋼筋截面銹蝕率，經推導得：

鋼筋銹蝕深度δ，保護層開裂至表面可接受最大外觀損傷（銹脹裂縫寬度 0.1～（2～3）mm）的計算公式：

式中：d為鋼筋直徑；c為保護層厚度。

3） 當截面銹蝕率大于10%時，銹蝕鋼筋強度設計值需通過試驗獲得。

2.2 腐蝕后鋼筋強度利用系數

1）受拉銹蝕鋼筋強度利用系數按照下列方法取值：

①銹蝕構件配筋指標按下式計算：

式中：q0為銹蝕后配筋指標；fc為混凝土原軸心抗壓強度設計值。

②保護層未出現銹脹裂縫或配筋指標大于0.246時，銹蝕鋼筋強度利用系數取1.0。

③保護層開裂，鋼筋銹蝕深度小于0.3 mm，且配筋指標大于0.246時，銹蝕鋼筋強度利用系數按下式計算：mm，且配筋指標大于0.246時，銹蝕鋼筋強度利用系數按下式計算：

2）受壓銹蝕鋼筋強度利用系數取1.0。

2.3 等效截面計算

受壓混凝土構件計算應采用等效截面，等效截面尺寸按下式計算：

式中：r1，c，r2，c分別為等效截面內、外半徑；r1，r2分別為構件原截面的內、外半徑；c1，c2分別為環形截面內、外側保護層厚度；n為銹脹裂縫根數；αcc為保護層損傷系數，按文獻[3]中表A.0.5取值。

3 算例及分析

某高樁碼頭環形截面基樁，外徑r2=200 mm，內徑r1=140mm，rs=170 mm，配置10根φ12的HRB335級鋼筋，As=1 131 mm2，fy=300 N/mm2。實測混凝土強度 α1fcu，m=191 N/mm2，l0，c=4 m。柱承受的軸向壓力荷載N=600 kN；彎矩荷載M=60 kN·m；正截面抗力Nu=677.4 kN，Mu=69.3 kN·m。假定有1根軸向受力鋼筋發生銹蝕時，該基樁的正截面抗壓承載力Nu，c、抗彎承載力Mu，c計算結果見圖1～圖4，顯然：

1）混凝土脹裂是鋼筋銹蝕導致混凝土構件損傷的最直觀表現，以銹脹裂縫寬度w為橫坐標，分別以銹蝕深度 δ、截面銹蝕率 ηs，ηcei，c/rs，c和正截面抗力損失率為縱坐標，圖1～圖4直觀反映了從銹脹開裂（0.1 mm）至表面可接受最大外觀損傷（2～3 mm）過程中混凝土構件的劣化損傷過程；

圖1 w-δ關系Fig.1 Relationship between w-δ

圖2 w-ηs關系Fig.2 Relationship between w-ηs

圖 3 w- ηc e i，c/r s，c 關系Fig.3 Relationship between w- ηc e i，c/r s，c

圖4 w與抗力損失率關系Fig.4 Relationship between w and resistance lossrate

2）隨著銹蝕深度的增加，構件劣化呈現加速趨勢，特別是銹脹寬度達到2 mm以后，構件劣化損傷速度顯著；

3） 銹脹開裂（0.1 mm）至表面可接受最大外觀損傷（2～3 mm）過程中，ηcei，c/rs，c在 0.86～0.80 之間，即鋼筋銹蝕不會導致破壞模式改變；

4） 銹脹開裂（0.1 mm）至表面可接受最大外觀損傷（2～3 mm）過程中，鋼筋銹蝕深度0.05～0.30 mm，截面銹蝕率1.80%～9.86%，正截面抗壓承載力損失率1.24%～55.98%，正截面抗彎承載力損失率1.45%～65.67%?？箯澇休d力的損失略高于抗壓承載力的損失。

4 結語

綜上所述，本文主要結論如下：

1） 鋼筋截面銹蝕率不大于10%時，銹脹裂縫寬度一般在3 mm以內，為可接受銹脹裂縫；

2） 鋼筋截面銹蝕率不大于10%時，一般不會導致受壓構件最終破壞形態的改變；

3）鋼筋銹蝕導致的構件截面抗力降低是顯著的，特別是銹脹裂縫寬度在2～3 mm之間時，其截面抗力折減顯著；

4） 鋼筋截面銹蝕率不大于10%時，銹脹裂縫寬度在3 mm以內，雖不會導致構件破壞形態的改變，但其正截面抗力損失可達60%左右。