低循環(huán)反復(fù)荷載下腐蝕鋼筋混凝土柱抗震行為

枚東華

(江西省建工集團有限責(zé)任公司,江西 南昌 330001)

0 引言

在鋼筋混凝土(RC)結(jié)構(gòu)的長期使用中,材料的老化和鋼筋的內(nèi)部腐蝕會直接導(dǎo)致鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)在使用周期內(nèi)的力學(xué)性能和耐久性下降。其中氯化物引起的侵蝕、干濕循環(huán)和混凝土碳化被認(rèn)為是導(dǎo)致鋼筋腐蝕的主要因素,當(dāng)結(jié)構(gòu)位于海洋環(huán)境時,會使混凝土結(jié)構(gòu)進一步惡化[1]。此外,鋼筋的銹蝕會導(dǎo)致鋼筋的力學(xué)性能、鋼筋與混凝土之間的黏結(jié)滑動性能惡化,混凝土構(gòu)件的截面破壞,結(jié)構(gòu)的承載能力和變形能力下降,甚至?xí)斐山ㄖ锏钠茐?危及人們的安全。目前,在傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計中沒有考慮混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性[2],在役結(jié)構(gòu)的設(shè)計安全等級相對低于未受腐蝕的受損結(jié)構(gòu),這些幾十年前設(shè)計的結(jié)構(gòu)存在一系列缺陷。許多破壞性地震的震后調(diào)查報告也表明,腐蝕柱在地震帶中破壞嚴(yán)重。因此,有必要關(guān)注地震帶中被腐蝕的RC柱,并進一步研究腐蝕程度對RC柱抗震行為的影響。

雖然很多學(xué)者對受腐蝕RC柱的抗震性能做了大量的調(diào)查,但研究領(lǐng)域主要集中在只對縱向鋼筋腐蝕或只對箍筋腐蝕的實驗研究。但是關(guān)于箍筋腐蝕和縱筋腐蝕分別對柱子抗震性能退化的影響的實驗研究很少,特別是對于腐蝕嚴(yán)重的箍筋[3],腐蝕程度對柱子破壞模式的影響仍需進一步探討。

基于此,本文對8根腐蝕RC柱進行了低頻循環(huán)荷載試驗,研究了不同鋼筋腐蝕程度對RC柱抗震性能的影響。同時,得到了腐蝕RC柱的滯回曲線、骨架曲線、剛度延性組成的抗震性能指標(biāo),并與未腐蝕RC柱進行了比較。

1 試驗方案

1.1 試驗材料

為了研究不同鋼筋銹蝕程度(質(zhì)量分?jǐn)?shù))的鋼筋混凝土(RC)柱的抗震行為,設(shè)計并建造了8個全尺寸相同的試件,分別標(biāo)為Z1—Z8。Z1試件保持未腐蝕,Z2—Z4為僅有縱向鋼筋腐蝕的試件,相應(yīng)的目標(biāo)電化腐蝕率分別為5%,10%和15%。同時,Z5—Z8試件為僅有箍筋腐蝕的鋼筋混凝土柱,箍筋的電化腐蝕率分別為8%,16%,24%和32%。RC柱試樣的基本參數(shù)在表1中給出。此外,RC柱試件的方形截面尺寸為300 mm×300 mm,每個試件的整體高度為1 525 mm,混凝土凈面為30 mm。所有試件的剪跨比和軸壓比分別為3.4和0.4。此外,每個試件的縱向鋼筋為8根直徑為14 mm的鋼筋,橫向鋼筋直徑為10 mm,間距為100 mm。

表1 鋼筋混凝土柱試件的基本參數(shù)

RC柱的設(shè)計強度等級為C40,28 d后測量的標(biāo)準(zhǔn)立方體的抗壓強度為42.3 MPa。混凝土的彈性模量和抗拉強度分別為3.3×104MPa和3.1 MPa。8根HRB400 D14(直徑14 mm)鋼筋被作為每個試樣的縱向配筋。Z1—Z8的配筋率為1.36%,HPB300 D10光滑鋼筋的間距為100 mm,用作試樣的箍筋。縱向鋼筋由橫向鋼筋固定,以確保RC柱中的核心混凝土具有良好力學(xué)性能。根據(jù)GB/T 228.1—2010標(biāo)準(zhǔn),直徑為14 mm和10 mm的鋼筋屈服強度分別為525 MPa和390 MPa,抗拉強度為665 MPa和394 MPa。

1.2 加速腐蝕試驗

在RC結(jié)構(gòu)的實驗研究中,通電加速腐蝕試驗一直是一種常見的腐蝕方法。因此,本研究采用了外部電流技術(shù),在合理的時間內(nèi)誘發(fā)試驗試件的腐蝕,并在試驗前獲得了所有試件的目標(biāo)腐蝕率和腐蝕時間。為了模擬RC柱中鋼筋的實際非均勻腐蝕狀態(tài),將28 d固化后的這些試樣浸泡在一個裝有質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%的NaCl溶液的容器中。在電化腐蝕試驗前,對試驗區(qū)域的鋼筋質(zhì)量進行稱重。在試驗中,鋼筋籠中的縱筋或箍筋作為陽極,而附著在試樣上的不銹鋼網(wǎng)則作為直流電源的陰極。為了防止縱向鋼筋被電腐蝕時,箍筋受到腐蝕的影響,縱向鋼筋和箍筋的接觸位置被絕緣床墊隔開。為了使鋼筋的腐蝕有一個合理的時間,Z2—Z4的縱筋和Z5—Z8的箍筋的電流密度分別設(shè)計為1.16 mA/cm2和2.56 mA/cm2。

2 結(jié)果與討論

2.1 滯回曲線和能量耗散能力

循環(huán)載荷-位移滯回曲線是通過柱頂?shù)牧臀灰苽鞲衅髦苯訙y量的。同時,為了清楚地呈現(xiàn)腐蝕對RC柱試件循環(huán)響應(yīng)的影響,圖1分別繪制了未腐蝕試件(Z1)和每一個腐蝕試件的滯回曲線對比。從圖1可以看出,在加載初期,荷載隨位移線性增加,在試件屈服前[4],其滯回環(huán)所包圍的區(qū)域并不豐滿或明顯。隨著荷載的進一步反復(fù)和增加,試樣的塑性變形已經(jīng)開始出現(xiàn),剛度逐漸下降,試樣開裂后滯回環(huán)的斜率下降。滯回環(huán)路所包圍的區(qū)域已經(jīng)形成并不斷發(fā)生較大變化。此外,觀察到試樣Z1的滯回曲線的捏合現(xiàn)象并不顯著,呈現(xiàn)出飽滿的梭形,具有較好的耗能能力。同時發(fā)現(xiàn),隨著鋼筋銹蝕程度的增加,滯回曲線的捏合現(xiàn)象逐漸增加,極限荷載后的滯回變得更加不穩(wěn)定。同時,比較Z1和Z5—Z8試件,發(fā)現(xiàn)隨著箍筋腐蝕度的增加,滯回曲線的豐滿度先增大后減小,在極限荷載下,Z5的滯回環(huán)比試件Z1略大,如圖1(e)所示。但是隨著腐蝕程度的增加,Z6的能量耗散能力明顯下降,周圍較窄,如圖1(f)所示。因此,可以清楚地看到,對于腐蝕程度較低的箍筋的柱子,滯回曲線的豐滿度和試件的能量耗散能力略有增加,當(dāng)箍筋的腐蝕比達(dá)到15.2%時[5],滯回曲線的豐滿度和能量耗散能力明顯下降。這是因為腐蝕程度在8.9%以內(nèi)的箍筋產(chǎn)生了輕微的膨脹,加強了箍筋與混凝土的結(jié)合,通過對混凝土的有效約束,試件的力學(xué)性能和變形能力得到了提高,在一定程度上提高了試件的承載力和延性。鋼筋與混凝土之間出現(xiàn)了黏結(jié)滑移,隨著腐蝕程度的不斷增加,由于鋼筋截面的減少,出現(xiàn)了黏結(jié)劣化現(xiàn)象并明顯增加。同時,一些裂縫進一步發(fā)展和滲透,導(dǎo)致試樣的承載力和剛度隨著箍筋腐蝕程度的不斷增加而迅速下降。

2.2 骨架曲線

骨架曲線是低循環(huán)加載試驗過程中所有循環(huán)峰值的包絡(luò)線,可以準(zhǔn)確反映強度、延性和變形的地震行為。所有試件的骨架曲線均由滯回曲線得到,并繪制在圖2中,其中圖2(a)為Z1—Z4試件的骨架曲線,圖2(b)為Z1,Z5—Z8試件的骨架曲線。從圖2中可以看出,所有試件的應(yīng)力-應(yīng)變過程都呈現(xiàn)出彈性、彈塑性和破壞階段。當(dāng)側(cè)向力小于50 kN時,各試件的側(cè)向位移很小,骨架曲線的斜率基本恒定,所有試件的骨架曲線基本一致,說明力與位移之間呈線性關(guān)系。同時,可以得出結(jié)論,在彈性階段,鋼筋的銹蝕和混凝土的破壞對骨架曲線沒有明顯影響。然而,當(dāng)加載力超過50 kN時,可以觀察到在鋼筋屈服之前,各試件的骨架曲線差異逐漸增大。

隨著縱向鋼筋銹蝕程度的增加,試件的屈服荷載、峰值荷載和極限荷載隨著縱向鋼筋銹蝕程度的增加而逐漸下降,分別下降了9.7%,15.3%和14.5%。如圖2(b)所示,試件的承載力隨著縱筋和箍筋的腐蝕程度增加而明顯下降,最大降幅分別達(dá)到15.3%和19.8%。同時發(fā)現(xiàn),腐蝕比為15.2%的Z6試件的屈服荷載、峰值荷載和極限荷載均小于腐蝕比為9.55%的Z3縱筋試件,但二者的差異很小,只有5.1%。腐蝕度為28.6%的箍筋的Z8試件的承載力小于Z3試件,下降了11.8%。這表明,混凝土損傷和鋼筋銹蝕對試件骨架曲線的影響已經(jīng)開始顯現(xiàn)[6-7]。因此,鋼筋銹蝕和混凝土對縱筋屈服后試件的力學(xué)性能有顯著影響,尤其是對這些箍筋銹蝕嚴(yán)重的試件。當(dāng)試件接近破壞階段時,混凝土覆蓋層完全失去作用,混凝土和鋼筋之間發(fā)生黏結(jié)滑動。

2.3 延性分析

為了研究鋼筋銹蝕程度對試件延性系數(shù)的影響,將延性系數(shù)與縱向鋼筋和箍筋腐蝕率的關(guān)系曲線繪制在圖3中。從圖3中可以看出,縱向鋼筋的延性系數(shù)與箍筋試件相比,分別下降了1.2%,6.3%和13.4%。因此,可以得出結(jié)論:隨著縱筋腐蝕程度的增加,試件的延性系數(shù)逐漸下降。但對于箍筋試件,與縱向鋼筋試件相比,試件的位移延性系數(shù)分別增加了1.1%,-20%,-17.1%和-18.7%,說明隨著箍筋腐蝕程度的增加,試件的延性系數(shù)有先增加后減少的趨勢。此外,值得注意的是,箍筋腐蝕對試件的位移延性系數(shù)有較明顯的影響,對于箍筋腐蝕程度為15.2%的試件,約減少20%。這是因為當(dāng)箍筋腐蝕達(dá)到一定程度時,試件的破壞模式由延性彎曲破壞變?yōu)檠有暂^差的脆性剪切破壞。當(dāng)箍筋腐蝕率超過15.2%時,試件的位移延性系數(shù)明顯下降。且隨著腐蝕程度的進一步增加,混凝土中鋼筋表面的膨脹和脫落現(xiàn)象急劇產(chǎn)生與發(fā)展[8]。腐蝕破壞的鋼筋相當(dāng)于鋼筋截面面積的減少,鋼筋籠在塑性鉸接區(qū)對核心混凝土的約束作用明顯減弱。同時可觀察到縱向鋼筋銹蝕程度在14.7%以內(nèi)的試件延性系數(shù)大于箍筋銹蝕程度在15.2%以內(nèi)的試件,而在縱向鋼筋銹蝕程度為20%的延性系數(shù)比箍筋的延性系數(shù)提高了23.3%。

2.4 初始剛度

同時,為了進一步揭示縱向鋼筋和箍筋腐蝕對試件初始剛度的影響,圖4為初始剛度與鋼筋腐蝕率的關(guān)系曲線。從圖4中可以看出,與縱向鋼筋試件相比,箍筋的初始剛度分別增加了9.1%。研究發(fā)現(xiàn),當(dāng)縱筋的腐蝕比小于9.6%時,通過提高腐蝕比可以在一定程度上改善試件的初始剛度。然而,當(dāng)縱筋的腐蝕比大于9.6%時,試件的初始剛度迅速下降。在荷載達(dá)到峰值位移后,縱筋腐蝕的試件的剛度退化幅度略大于箍筋的試件。此外,在整個加載過程中,縱筋嚴(yán)重銹蝕的試件的剛度退化幅度要大于箍筋的剛度退化幅度。此外,從圖4中還可以明顯看出,與縱向鋼筋相比,箍筋的初始剛度分別增加了18.5%。為此,可以得出結(jié)論,腐蝕率在14.7%以內(nèi)的縱向鋼筋試件的性能劣化要比15.2%的箍筋腐蝕的試件要小。

3 結(jié)論

1)腐蝕破壞對RC柱的延性、承載力、剛度能力有很大影響。隨著鋼筋腐蝕率的增加,柱子的滯回曲線飽滿度、剛度和塑性變形性能逐漸降低,滯回曲線的捏合現(xiàn)象明顯增加。箍筋銹蝕對柱子抗震性能的影響比縱向鋼筋銹蝕的影響大。與未腐蝕的柱子相比,縱向鋼筋腐蝕率為14.7%的柱子,其延性系數(shù)降低了13%。然而,隨著箍筋的進一步腐蝕,腐蝕比為15.2%的柱子的延性明顯下降,分別減少了20%。

2)輕微腐蝕的箍筋對試件的延性和剛度影響不大,甚至改善了混凝土柱的抗震性能,腐蝕對鋼筋與混凝土之間的黏結(jié)有增強效果。嚴(yán)重腐蝕的箍筋對柱的抗震性能有顯著影響,當(dāng)箍筋腐蝕比超過15.2%時,柱的抗震行為明顯降低,在結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計中應(yīng)謹(jǐn)慎考慮這種不利影響。