銹蝕鋼筋混凝土深梁斜截面承載力研究

劉娟

（天水師范學院，甘肅天水 741000）

0 引言

在沿海環境、室外淋雨環境及工業環境侵蝕下，混凝土中鋼筋往往銹蝕嚴重，產生的后果就是混凝土開裂、剝落，而鋼筋的銹蝕在混凝土結構耐久性損傷的占主要的內部因素。做為在建筑結構中的主要承重構建的鋼筋混凝土深梁，目前世界各國學者就鋼筋混凝土簡支深梁的剪切強度問題進行深入的研究，但對考慮鋼筋銹蝕情況下深梁的剪切強度問題研究相對較少。本文以極限分析方法為基礎，結合混凝土的塑性理論，提出考慮鋼筋銹蝕的鋼筋混凝土簡支深梁抗剪強度的影響，鋼筋銹蝕率的增大時，深梁的承載力和延性反而均出現下降趨勢。

1 斜截面承載力計算公式的建立

多數情況下，抗剪承載力不足導致鋼筋混凝土深梁的破壞。破壞情況發生時，我們常見到的“拉桿拱”受力體系通常是在彎剪區產生斜裂縫出現。在鋼筋混凝土結構中，鋼筋銹蝕時的屈服強度往往和鋼筋銹蝕率是密切相關的，具體的關系為：

fy——未銹蝕鋼筋的屈服強度；

fyr——銹蝕鋼筋的屈服強度；

η——銹蝕鋼筋銹蝕率（%）。

在鋼筋混凝土深梁結構中，梁段通常掐工況下被劃分為6 個區域，Ⅰ、Ⅱ區域應力為零，Ⅳ、Ⅴ區域為雙向受壓區，Ⅵ區域為縱向受拉鋼筋單向受拉區，Ⅲ區域是斜向受壓區，該區域受混凝土受腹筋約束。在保證縱筋的強度、錨固及局部承壓強度后，腹筋約束下的混凝土達到極限強度時，這種情況下深梁靜力容許的剪力就是梁豎直截面能承受的剪力。

2 有限元分析模型

2.1 模型建立

鋼筋混凝土深梁分析模型尺寸與算例選用的尺寸相同。分析模型采用分離式有限元模型。本文以結構模型以線性強化彈塑性模型為主，為了清楚直觀地分析銹蝕鋼筋和混凝土兩者之間的影響關系，縱向鋼筋單元和混凝土單元之間插入三個相互垂直的非線性彈簧單元。非線性彈簧有位置而無幾何體積，三個非線性彈簧單元具有各自的剛度，其中，平行于縱向鋼筋方向的非線性彈簧（Kz）的力一位移關系是模擬鋼筋和混凝土之間的粘結滑移作用，可采用文獻的粘結—滑移關系進行模擬。垂直于鋼筋方向的兩個非線性彈簧（Kx，Ky）的力一位移關系是模擬鋼筋和混凝土的徑向作用。按照算例尺寸和配筋建模，考慮到計算精度與效率的平衡，可以通過建立一半對稱模型進行計算。通過計算分析鋼筋銹蝕率與深梁的開裂荷載、極限承載力變化關系呈反比趨勢。由于有限元分析時考慮了在鋼筋銹蝕率較小時，鋼筋銹蝕對粘結強度的增強作用，有限元方法獲得的結果隨鋼筋銹蝕率的增加而略有提高。

2.2 裂縫分析

對于深梁，已不能按純受彎構件進行受力分析，深梁會形成“拉桿拱”受力體系，該體系的拱腹是加荷點至支座的混凝土，拉桿是縱向受拉鋼筋。對于適筋梁在荷載較小時，梁內形成的主壓力線（拱作用）和主拉力線（梁作用）共同作用而傳至支座附近，當荷載在不斷增加的情況下，豎向裂縫（垂直于梁底面）和斜裂縫連續不斷出現在梁內。不斷增加荷載，斜裂縫進一步發展，應力重新在梁內分布，這時由拱、梁共同受力轉化為以拱受力為主，此時低應力區在深梁的中下部產生；此時，縱向受拉鋼筋應力增大到一定程度時形成“拉桿拱”受力體系，該體系以以加荷點至支座的混凝土為拱腹，縱向受拉鋼筋作為拉桿。當深梁縱向受力鋼筋的配筋率不小的情況下，底部受拉鋼筋（拉桿）還未屈服，“拱腹”混凝土在壓碎或劈裂的情況下，往往出現剪切破壞。當深梁的縱向受力鋼筋的配筋率不大時，“拱腹”內側混凝土首先開裂，但在“拱腹”混凝土破壞之前，底部受拉鋼筋（拉桿）第一時間出現屈服的情況，此現象被定義為斜截面彎曲破壞。

由圖1、圖2 可以看出，不同鋼筋銹蝕率時深梁裂縫發展規律基本相同，首先在深梁的跨中底部出現彎曲裂縫，然后當荷載不斷增加時，現斜裂縫不斷在支座處出呈現，當荷載的再增加時，從支座位置開始，斜裂縫以大約45°角方向斜向上延伸，裂縫不斷加多加寬，直至構件破壞。構件破壞時梁斜截面上已經布滿了裂縫，且大都集中在剪跨區。從裂縫的發展情況能看，鋼筋未銹蝕的鋼筋混凝土深梁，在“拱腹”混凝土裂縫開展較多，支座處混凝土被壓碎，為剪切破壞；鋼筋銹蝕率為12%時，斜裂縫發展區域明顯偏下（在“拱腹”內側），跨中裂縫發展較大，為斜截面彎曲破壞。

圖1 DB-0 破壞裂縫

圖2 DB-12 破壞裂縫

2.3 撓度分析

通過圖1 分析，當鋼筋混凝土深梁中銹蝕的鋼筋截面尺寸相同、配筋相同的情況下，在鋼筋銹蝕率≦5%時，銹蝕鋼筋混凝土深梁跨中撓度的破壞與鋼筋銹蝕率是正向關系，即當鋼筋銹蝕率加大時，銹蝕鋼筋混凝土深梁的延性隨之增大。由此可見銹蝕鋼筋混凝土構件塑性破壞是可以預見的，為我們作業中的質量提供強有力的保證。當鋼筋銹蝕率＞5%時，銹蝕鋼筋混凝土深梁跨中撓度的破壞與鋼筋銹蝕率是反向關系，即當鋼筋銹蝕率加大時，銹蝕鋼筋混凝土深梁的延性隨之急劇遞減，尤其鋼筋銹蝕率達到12%時的鋼筋混凝土深梁的破壞模式被稱為典型的脆性破壞。

3 結論

（1）從得到的結果來看，當鋼筋銹蝕率的增加時深梁的開裂荷載、極限承載力反而下降。由于有限元分析時考慮了鋼筋銹蝕對粘結強度的增強作用，在鋼筋銹蝕率≦5%時，有限元方法獲得的結果隨鋼筋銹蝕率的增加而略有提高。

（2）從裂縫的發展情況能看，鋼筋未銹蝕和鋼筋銹蝕率≦5%的鋼筋混凝土深梁，剪切破壞為主；鋼筋銹蝕率達到12%時，斜截面彎曲破壞占主導。

（3）當鋼筋銹蝕率較低時，銹蝕鋼筋混凝土深梁跨中撓度的破壞與鋼筋銹蝕率是正向關系，即當鋼筋銹蝕率加大時，銹蝕鋼筋混凝土深梁的延性隨之增大。

（4）通過以理論為基礎，進行有限元分析后發現，二者附和較好，推導公式略為保守，推導公式能夠為銹蝕鋼筋混凝土深梁的設計提供依據。