重復(fù)拉伸荷載下銹蝕鋼筋力學(xué)性能

羅小勇等

摘要：通過(guò)銹蝕鋼筋重復(fù)拉伸荷載試驗(yàn)，分析了重復(fù)拉伸荷載作用下銹蝕對(duì)鋼筋力學(xué)性能的影響，并建立了銹蝕鋼筋本構(gòu)關(guān)系模型.試驗(yàn)表明，重復(fù)荷載作用下，隨著銹蝕率的增大，鋼筋力學(xué)性能退化，變形能力下降，屈服平臺(tái)逐漸縮短甚至消失；耗能性能降低，破壞時(shí)更加表現(xiàn)為脆性斷裂，使得結(jié)構(gòu)在地震發(fā)生時(shí)更易出現(xiàn)脆性破壞，甚至突然倒塌.基于試驗(yàn)成果本文建立了銹蝕鋼筋應(yīng)力應(yīng)變本構(gòu)關(guān)系模型，研究成果可為銹損結(jié)構(gòu)耐久性、殘余承載力及抗震性能評(píng)估提供技術(shù)依據(jù).

關(guān)鍵詞：鋼筋銹蝕；重復(fù)荷載；力學(xué)性能；本構(gòu)關(guān)系

中圖分類(lèi)號(hào)：TU511 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

混凝土結(jié)構(gòu)中鋼筋銹蝕是導(dǎo)致其耐久性失效的主要原因之一.MEHTA P K教授指出：“當(dāng)今世界，混凝土結(jié)構(gòu)由于耐久性損傷引起結(jié)構(gòu)破壞的原因按重要性遞減順序依次是：鋼筋銹蝕、寒冷地區(qū)的凍害、侵蝕環(huán)境的物理化學(xué)作用”1.當(dāng)結(jié)構(gòu)耐久性損傷后首先面臨的問(wèn)題可能是結(jié)構(gòu)抗震能力的不足.鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)在腐蝕與地震作用下的動(dòng)力響應(yīng)，不僅影響居住者的舒適性，而且影響結(jié)構(gòu)的安全性和耐久性2.

由文獻(xiàn)3-6可知銹蝕鋼筋的研究對(duì)地震區(qū)的建筑結(jié)構(gòu)分析很有意義.目前對(duì)銹蝕鋼筋力學(xué)性能的研究主要以單調(diào)荷載試驗(yàn)研究為主7-15，也有對(duì)其進(jìn)行有限元分析16，通過(guò)對(duì)不同銹蝕程度的鋼筋進(jìn)行單調(diào)拉伸試驗(yàn)，分析銹蝕對(duì)其力學(xué)性能的影響7-11，研究其本構(gòu)關(guān)系12，少數(shù)文獻(xiàn)研究了銹蝕鋼筋的疲勞性能13-16以及鋼筋銹蝕過(guò)程17和鋼筋銹蝕對(duì)結(jié)構(gòu)破壞模式的影響18.在地震作用下，剪力和彎矩交替作用在結(jié)構(gòu)上，這種循環(huán)作用逐漸的擠壓和分離保護(hù)層混凝土，最終導(dǎo)致鋼筋成為唯一的承重構(gòu)件19.地震作用下鋼筋可能承受重復(fù)荷載作用，但目前未見(jiàn)有關(guān)銹蝕鋼筋重復(fù)荷載作用力學(xué)性能研究的報(bào)道，本文則通過(guò)試驗(yàn)研究重復(fù)荷載下銹蝕對(duì)鋼筋力學(xué)性能及本構(gòu)關(guān)系的影響.

1試驗(yàn)方法

1.1試件制作

試驗(yàn)采用HRB400級(jí)鋼筋，直徑16 mm，共12根，長(zhǎng)度均為500 mm，設(shè)計(jì)銹蝕率分別為：0，3%，6%，…，33%.試驗(yàn)前首先用天平秤取每根鋼筋初重，為使得鋼筋銹蝕與實(shí)際工程混凝土中鋼筋的銹蝕相似，將其澆入混凝土板內(nèi)，利用鋼筋外加直流電源加速鋼筋銹蝕.

混凝土板尺寸為550 mm×500 mm×100 mm，為了防止鋼筋加載端部發(fā)生破壞，對(duì)鋼筋端部采用蠟封方式進(jìn)行絕緣處理.電流密度為100 μA·mm-2，當(dāng)鋼筋混凝土板達(dá)到預(yù)定通電時(shí)間后，關(guān)閉電源，拆除導(dǎo)線，通電完成后混凝土板如圖1所示.將其破型后從板中取出銹蝕鋼筋，如圖2所示，按《普通混凝土長(zhǎng)期性能和耐久性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》GBT 50082-2009計(jì)算銹蝕率，截面銹蝕率取游標(biāo)卡尺測(cè)得的最大截面銹蝕率，見(jiàn)表1.試驗(yàn)中試件破壞截面往往發(fā)生在截面損失最嚴(yán)重部位，因此本文分析中所采用的銹蝕率指截面銹蝕率.

1.2重復(fù)拉伸荷載試驗(yàn)

試驗(yàn)根據(jù)《金屬材料室溫拉伸試驗(yàn)方法》GBT 228-2002進(jìn)行，試驗(yàn)設(shè)備采用電液伺服材料試驗(yàn)機(jī)及數(shù)據(jù)自動(dòng)采集儀，如圖3所示.

重復(fù)拉伸加載試驗(yàn)所采用加載機(jī)制為力控制加載，即每種鋼筋屈服力之前，荷載增步為一定值，在達(dá)到屈服力以后，減少荷載增量，直至破壞.重復(fù)荷載加載機(jī)制見(jiàn)圖4.通過(guò)對(duì)試件單調(diào)拉伸力學(xué)性能可知，未銹蝕試件的屈服荷載為89.11 kN，極限荷載113.3 kN.考慮鋼筋銹蝕后試件極限荷載降低，試驗(yàn)程序設(shè)定重復(fù)加載機(jī)制為：當(dāng)程序設(shè)定荷載小于60 kN時(shí)，加載步長(zhǎng)設(shè)定為20 kN，每次加載到設(shè)定荷載后卸載到0 kN，繼續(xù)加載；超過(guò)60 kN時(shí)，加載步長(zhǎng)設(shè)定為5 kN，每次加載到設(shè)定荷載后卸載到0 kN，繼續(xù)加載，直至試件拉斷.每級(jí)循環(huán)荷載的最大值和完全卸載處，程序設(shè)置持荷6 s，此時(shí)荷載基本穩(wěn)定，記錄下鋼筋應(yīng)變，并根據(jù)荷載和銹蝕最嚴(yán)重截面面積計(jì)算各試件彈性模量，見(jiàn)表1.試件拉斷后，用游標(biāo)卡尺量取斷裂面左右5 d標(biāo)距范圍內(nèi)的斷后伸長(zhǎng)量，計(jì)算試件的伸長(zhǎng)率，見(jiàn)表1.

2試驗(yàn)結(jié)果

2.1破壞形態(tài)

試件斷裂后發(fā)現(xiàn)，未銹蝕試件斷裂面有頸縮現(xiàn)象，銹蝕試件隨銹蝕率的增大，頸縮愈不明顯，鋼筋表現(xiàn)為脆性破壞.主要原因是隨著銹蝕程度的提高，混凝土板表面逐漸產(chǎn)生銹脹裂縫，且均勻分布，導(dǎo)致鋼筋銹蝕并不均勻，出現(xiàn)坑蝕現(xiàn)象，使得試件在其加載過(guò)程中應(yīng)力集中，導(dǎo)致脆斷.

2.2荷載變形曲線

各銹蝕試件的荷載變形曲線見(jiàn)圖5.由各試件重復(fù)荷載下的滯回曲線可得各試件荷載位移曲線骨架線，見(jiàn)圖6.由圖6可知，隨著銹蝕率的增大銹

蝕鋼筋變形能力逐漸降低，屈服荷載和極限荷載逐漸減小，銹蝕率在20%左右時(shí)，屈服平臺(tái)逐漸消失，甚至無(wú)明顯屈服現(xiàn)象.

由圖7可知：重復(fù)荷載下鋼筋隨著銹蝕程度的增加，其實(shí)際屈服強(qiáng)度、極限強(qiáng)度、伸長(zhǎng)率及彈性模量逐漸降低；其中，實(shí)際屈服強(qiáng)度及極限強(qiáng)度變化較小，但伸長(zhǎng)率及屈服強(qiáng)度退化速度相對(duì)較快，說(shuō)明重復(fù)荷載下銹蝕對(duì)鋼筋延性影響較大.主要原因是由于鋼筋在混凝土中銹蝕不是非均勻分布，部分區(qū)域出現(xiàn)坑蝕現(xiàn)象，坑蝕的不均勻分布及坑蝕深度越大，鋼筋延性退化越明顯；另外，鋼筋銹蝕后，鋼筋內(nèi)部材料晶格發(fā)生一定程度的改變19，也可能導(dǎo)致銹蝕鋼筋脆性斷裂破壞.

4重復(fù)荷載下銹蝕鋼筋本構(gòu)關(guān)系

4.1本構(gòu)關(guān)系模型

重復(fù)荷載試驗(yàn)前對(duì)未銹蝕試件進(jìn)行單調(diào)拉伸試驗(yàn)，將未銹蝕試件重復(fù)荷載骨架曲線與單調(diào)荷載曲線進(jìn)行對(duì)比結(jié)果見(jiàn)圖8.

由圖8可看出，彈性階段重復(fù)荷載下的荷載位移曲線與單調(diào)拉伸荷載下曲線一致，重復(fù)荷載下強(qiáng)化段與單調(diào)荷載下強(qiáng)化段斜率接近；另一方面，在重復(fù)荷載作用下，荷載位移曲線較早進(jìn)入強(qiáng)化段，其屈服臺(tái)階長(zhǎng)度要比單調(diào)荷載作用下短，其破壞位移要比單調(diào)荷載作用下小，重復(fù)荷載下試件延性有所降低.結(jié)構(gòu)在重復(fù)荷載作用下，若使用材料單調(diào)荷載下的本構(gòu)關(guān)系，則可能導(dǎo)致結(jié)構(gòu)計(jì)算延性偏大，偏于不安全.

根據(jù)銹蝕鋼筋重復(fù)荷載下的實(shí)驗(yàn)結(jié)果及力學(xué)性能退化分析可知，銹蝕鋼筋力學(xué)性能發(fā)生退化，隨著銹蝕率的增大鋼筋變形能力降低，屈服平臺(tái)逐漸縮短，當(dāng)銹蝕率達(dá)到20%時(shí)屈服平臺(tái)消失.

基于這一特征，本文采用圖9所示的銹蝕鋼筋應(yīng)力應(yīng)變本構(gòu)關(guān)系模型——三折線模型12.當(dāng)鋼筋銹蝕率低于20%時(shí)，取模型圖9a；當(dāng)銹蝕率超過(guò)20%時(shí)，屈服平臺(tái)消失，取模型圖9b.

a銹蝕率<90%

b銹蝕率>20%

當(dāng)銹蝕率小于20%時(shí)：對(duì)于屈服平臺(tái)長(zhǎng)度變化可近似地假設(shè)屈服平臺(tái)長(zhǎng)度隨鋼筋銹蝕率的增大按線性規(guī)律退化，強(qiáng)化應(yīng)變?chǔ)舎c可以按式6確定.其中，ρcr為屈服平臺(tái)消失時(shí)的臨界銹蝕率，取為20%；未銹蝕鋼筋強(qiáng)化應(yīng)變?nèi)∏?yīng)變的4倍20，則屈服平臺(tái)段應(yīng)變可取屈服應(yīng)變的3倍，銹蝕后通過(guò)引入銹蝕率進(jìn)行修正來(lái)考慮銹蝕對(duì)其的影響.由試驗(yàn)結(jié)果可知，加載過(guò)程中鋼筋伸長(zhǎng)率與應(yīng)變變化趨勢(shì)基本一致，故極限應(yīng)變?chǔ)舥c取值可參考伸長(zhǎng)率退化模型，見(jiàn)式7.其中，未銹蝕鋼筋極限應(yīng)變，可取屈服應(yīng)變的25倍20，銹蝕后通過(guò)引入銹蝕率進(jìn)行修正來(lái)考慮銹蝕對(duì)其影響

知：鋼筋未銹蝕直至銹蝕率達(dá)到20%時(shí)，隨著銹蝕率的增大鋼筋變形性能逐漸減小，屈服平臺(tái)逐漸縮短直至消失，這與試驗(yàn)結(jié)果一致；另外，隨著銹蝕程度的增大，屈服點(diǎn)變得愈加不明顯當(dāng)荷載達(dá)到極限荷載時(shí)，鋼筋突然斷裂.

5結(jié)論

基于銹蝕鋼筋重復(fù)拉伸荷載試驗(yàn)，分析了銹蝕對(duì)鋼筋力學(xué)性能影響以及本構(gòu)關(guān)系的變化，得出的主要結(jié)論如下：

1由于鋼筋在混凝土中的銹蝕不是均勻分布，部分區(qū)域發(fā)生坑蝕現(xiàn)象，坑蝕的不均勻分布及坑蝕深度越大，鋼筋延性退化越明顯；鋼筋銹蝕后，鋼筋內(nèi)部材料晶格發(fā)生一定程度的改變，導(dǎo)致了銹蝕鋼筋脆性斷裂破壞.

2銹蝕使得鋼筋變形能力降低，屈服平臺(tái)逐漸縮短，破壞時(shí)頸縮愈不明顯；隨著銹蝕率的增大，鋼筋力學(xué)性能逐漸降低，其中彈性模量降低更為迅速，銹蝕對(duì)鋼筋延性影響較大，另外，重復(fù)拉伸荷載作用下鋼筋隨著銹蝕程度的增加，耗能性能降低，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)能量存儲(chǔ)能力不足，抗震性能下降，在地震時(shí)發(fā)生脆性破壞.

3基于試驗(yàn)結(jié)果本文建立了銹蝕鋼筋應(yīng)力應(yīng)變本構(gòu)關(guān)系模型，研究結(jié)果可為銹損結(jié)構(gòu)耐久性、殘余承載力及抗震性能評(píng)估提供技術(shù)依據(jù).

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