重復(fù)拉伸荷載下銹蝕鋼筋力學(xué)性能及本構(gòu)關(guān)系探討

文/張偉鑫、夷靜 鹽城交通中等專業(yè)學(xué)校 江蘇鹽城 224000

重復(fù)拉伸荷載下銹蝕鋼筋力學(xué)性能及本構(gòu)關(guān)系探討

文/張偉鑫、夷靜 鹽城交通中等專業(yè)學(xué)校 江蘇鹽城 224000

在地震作用下，混凝土中的鋼筋會(huì)受到重復(fù)拉伸荷載的作用，本文對(duì)銹蝕鋼筋進(jìn)行了重復(fù)拉伸荷載試驗(yàn)，分析了銹蝕對(duì)鋼筋力學(xué)性能的影響，并以此為基礎(chǔ)建立了銹蝕鋼筋本構(gòu)關(guān)系模型，探討了銹蝕鋼筋的本構(gòu)關(guān)系。

重復(fù)拉伸荷載；銹蝕鋼筋；力學(xué)性能；本構(gòu)關(guān)系

前言：

鋼筋銹蝕是影響混凝土結(jié)構(gòu)耐久性的重要原因，混凝土結(jié)構(gòu)耐久性損傷后，其抗震能力會(huì)下降，在腐蝕作用和地震作用下，不僅會(huì)影響居住的舒適性，同時(shí)對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)的安全性和耐久性也有著影響。當(dāng)前對(duì)銹蝕鋼筋力學(xué)性能的研究主要集中在單調(diào)荷載方面，而在地震的作用下，混凝土中的鋼筋結(jié)構(gòu)可能會(huì)受到重復(fù)荷載的作用。基于以上，本文簡(jiǎn)要探討了重復(fù)拉伸荷載下銹蝕鋼筋的力學(xué)性能及本構(gòu)關(guān)系。

1　重復(fù)拉伸荷載試驗(yàn)

1.1制作試件

采用十二根直徑為16毫米的HRB400級(jí)鋼筋，其長(zhǎng)度一致，銹蝕率分別為0、3%、6%、9%……33%。在實(shí)驗(yàn)之前，實(shí)驗(yàn)前對(duì)鋼筋進(jìn)行稱重，將鋼筋澆筑在混凝土板內(nèi)，之后外加直流電源進(jìn)行加速腐蝕，以此達(dá)到實(shí)際工程銹蝕條件。在銹蝕完成后去除銹蝕鋼筋，按照性能和耐久性實(shí)驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)來(lái)計(jì)算鋼筋的銹蝕率，一般來(lái)說(shuō)，截面損失最嚴(yán)重的部位會(huì)發(fā)生界面破壞，因此本文選取截面修飾率為主要研究對(duì)象。

1.2試驗(yàn)方法

選取電液伺服材料試驗(yàn)機(jī)以及數(shù)據(jù)自動(dòng)采集儀為試驗(yàn)設(shè)備，采用力控制加載的方式來(lái)進(jìn)行重復(fù)拉伸加載試驗(yàn)，在鋼筋達(dá)到屈服力以前，設(shè)定荷載的增幅為定值，在鋼筋達(dá)到屈服力之后，對(duì)荷載增幅進(jìn)行較少，直到鋼筋破壞為止［1］。采用重復(fù)荷載加載機(jī)進(jìn)行加載試驗(yàn)，通過(guò)鋼筋實(shí)踐單調(diào)拉伸力學(xué)性能可以得出，沒有銹蝕的鋼筋其屈服力為89.1kN，其極限荷載為113.3kN，在受到銹蝕之后，其極限荷載會(huì)出現(xiàn)降低，因此設(shè)置如下加載機(jī)制：如果程序荷載比60kN小，設(shè)定加載增幅為20kN，加載到60kN后進(jìn)行卸載，卸載到0kN之后加載，如果程序設(shè)定荷載超過(guò)了60kN時(shí)，將加載的增幅設(shè)定為5kN，當(dāng)加載到設(shè)定荷載之后進(jìn)行卸載，之后繼續(xù)加載，知道鋼筋拉斷為止，循環(huán)和在最大值及完全卸載處將持荷設(shè)定為6s，此時(shí)荷載處于穩(wěn)定，對(duì)鋼筋的應(yīng)變進(jìn)行基隆路，并以銹蝕截面面積和荷載為基礎(chǔ)進(jìn)行鋼筋試件彈性模量的計(jì)算，鋼筋試件拉斷之后用游標(biāo)卡尺量取伸長(zhǎng)量，計(jì)算鋼筋試件的伸長(zhǎng)率［2］。

1.3結(jié)果分析

1.3.1形態(tài)破壞

在鋼筋試件斷裂之后，沒有出現(xiàn)銹蝕的鋼筋試件的斷面出現(xiàn)了頸縮現(xiàn)象，而對(duì)于出現(xiàn)銹蝕的鋼筋試件來(lái)說(shuō)，隨著銹蝕率的提升，這種頸縮現(xiàn)象逐漸不明顯，鋼筋試件的破壞為脆性破壞狀態(tài)。隨著銹蝕程度的提升，混凝土板面會(huì)出現(xiàn)銹脹裂縫，這些裂縫分布均勻，這使得鋼筋試件出現(xiàn)不均勻的銹蝕，從而產(chǎn)生坑蝕，在加載的過(guò)程中，鋼筋試件所受的應(yīng)力集中，因此出現(xiàn)脆性破壞而導(dǎo)致斷裂。

1.3.2荷載與變形

不同銹蝕的鋼筋試件其荷載變形曲線是不盡相同的，通過(guò)鋼筋試件的滯回曲線能夠得出其荷載-位移曲線骨架線，根據(jù)鋼筋試件荷載-位移曲線骨架線可知，隨著銹蝕率的提升，鋼筋試件的變形能力降低，而鋼筋試件的極限荷載和屈服荷載則隨著銹蝕率的提升而逐漸減小，當(dāng)銹蝕率達(dá)到20%左右的時(shí)候，屈服現(xiàn)象基本消失。

2　銹蝕鋼筋力學(xué)性能分析

根據(jù)鋼筋試件的力學(xué)性能匯總結(jié)果，對(duì)重復(fù)荷載下鋼筋力學(xué)性能進(jìn)行分析，通過(guò)分析可知，在重復(fù)荷載下，隨著銹蝕程度的增加，鋼筋試件的屈服強(qiáng)度以、伸長(zhǎng)率、彈性模量以及極限強(qiáng)度逐漸降低，其中鋼筋試件的實(shí)際屈服強(qiáng)度和極限強(qiáng)度隨銹蝕程度增加而降低的程度較小，但鋼筋的伸長(zhǎng)率和屈服強(qiáng)度則隨著銹蝕程度的增加而快速退化，由此可見，在重復(fù)荷載下，銹蝕對(duì)鋼筋的延性有著較大的影響［3］。對(duì)其原因進(jìn)行分析，在混凝土中，鋼筋的銹蝕分布并不均勻，有的區(qū)域還存在著坑蝕的現(xiàn)象，這種不均勻的分布以及坑蝕深度的增加使得鋼筋出現(xiàn)十分明顯的延性退化現(xiàn)象，此外，鋼筋的銹蝕會(huì)導(dǎo)致其內(nèi)部材料晶格出現(xiàn)一定程度的變化，這也是導(dǎo)致銹蝕鋼筋出現(xiàn)脆性破壞的重要原因之一。

3　重復(fù)荷載下銹蝕鋼筋本構(gòu)關(guān)系分析

在重復(fù)荷載實(shí)驗(yàn)中，對(duì)沒有銹蝕的鋼筋試件進(jìn)行單調(diào)拉伸試驗(yàn)，將重復(fù)荷載骨架曲線與單調(diào)荷載骨架曲線進(jìn)行對(duì)比，如圖1所示。

圖1鋼筋荷載-變形骨架曲線對(duì)比圖

由鋼筋荷載-變形骨架曲線對(duì)比圖可知，在彈性階段，重復(fù)荷載和單調(diào)荷載下的荷載位移曲線基本一致，二者強(qiáng)化段斜率基本一致，此外，相較于單調(diào)荷載下荷載位移曲線而言，重復(fù)荷載下的曲線更早的進(jìn)入到強(qiáng)化階段，（如圖1中的實(shí)線所示），此外其屈服臺(tái)階段長(zhǎng)度要更短以下，破壞位移也要更小以下，在重復(fù)荷載下，鋼筋試件的延展性有著一定程度的降低。銹蝕鋼筋在重復(fù)荷載下，如果采用單調(diào)荷載下的本構(gòu)關(guān)系進(jìn)行計(jì)算，則可能出現(xiàn)結(jié)構(gòu)計(jì)算延性比實(shí)際值偏大的問(wèn)題，從而影響了安全性。

根據(jù)上文中分析的重復(fù)荷載實(shí)驗(yàn)力學(xué)性能變化可知，鋼筋在銹蝕之后，其力學(xué)性能出現(xiàn)退化是客觀存在的，銹蝕率越大，鋼筋的變形能力退化越嚴(yán)重，屈服平臺(tái)縮短，當(dāng)鋼筋的修飾率達(dá)到20%的時(shí)候，屈服平臺(tái)消失。根據(jù)銹蝕鋼筋的這一個(gè)特征，建立三折線模型［4］。當(dāng)鋼筋銹蝕率比20%低的時(shí)候，選取圖2所示的模型，當(dāng)鋼筋銹蝕率比20%高的時(shí)候，選取圖3所示的模型。

圖2銹蝕率小于20%銹蝕鋼筋本構(gòu)關(guān)系模型圖

圖3銹蝕率大于20%銹蝕鋼筋本構(gòu)關(guān)系模型圖

當(dāng)銹蝕率比20%小的時(shí)候，可以假設(shè)屈服平臺(tái)長(zhǎng)度與鋼筋的銹蝕率成反比例線性變化，以此來(lái)確定屈服平臺(tái)長(zhǎng)度，之后計(jì)算出強(qiáng)化應(yīng)變，20%則為屈服平臺(tái)消失的銹蝕率臨界點(diǎn)，沒有修飾鋼筋強(qiáng)化應(yīng)變?yōu)榍?yīng)變的四倍，屈服平臺(tái)應(yīng)變?yōu)榍?yīng)變的三倍，在鋼筋出現(xiàn)銹蝕之后，引入銹蝕率來(lái)分析銹蝕對(duì)鋼筋的影響。通過(guò)重復(fù)拉伸荷載試驗(yàn)結(jié)果可知，在加載的過(guò)程中，鋼筋的應(yīng)變變化與鋼筋的伸長(zhǎng)率變化的趨勢(shì)基本相同，對(duì)于沒有銹蝕的鋼筋來(lái)說(shuō)，其極限應(yīng)變?yōu)榍?yīng)變的25倍，在鋼筋出現(xiàn)銹蝕之后，將銹蝕率引進(jìn)來(lái)修正銹蝕對(duì)鋼筋的影響。

根據(jù)圖2及圖3的本構(gòu)關(guān)系模型，以上述特征參數(shù)確定方法為依據(jù)，可以得出鋼筋應(yīng)力-應(yīng)變曲線隨著銹蝕率變化的圖形，如圖4所示。

圖4銹蝕鋼筋應(yīng)力-應(yīng)變曲線圖

從銹蝕鋼筋應(yīng)力-應(yīng)變曲線圖中可知，當(dāng)銹蝕率小于20%的時(shí)候，銹蝕率的增加會(huì)導(dǎo)致鋼筋變形性能降低，而屈服平臺(tái)則隨著銹蝕率的增加逐漸減小，在銹蝕率達(dá)到20%的時(shí)候，屈服平臺(tái)消失，這與重復(fù)拉伸荷載試驗(yàn)的結(jié)果相同，此外，在銹蝕程度增加的過(guò)程中，屈服點(diǎn)會(huì)逐漸變得模糊，越來(lái)越不明顯，直到荷載達(dá)到鋼筋極限荷載的時(shí)候，鋼筋會(huì)出現(xiàn)脆性斷裂［5］。

結(jié)語(yǔ)：

本文以銹蝕鋼筋的重復(fù)拉伸荷載試驗(yàn)為基礎(chǔ)，對(duì)銹蝕鋼筋的力學(xué)性能和本構(gòu)關(guān)系進(jìn)行了分析，主要分析了銹蝕對(duì)鋼筋力學(xué)性能的影響，以及在銹蝕作用下，鋼筋本構(gòu)關(guān)系的變化，通過(guò)分析主要得出以下結(jié)論：

（1）在混凝土中的鋼筋，其出現(xiàn)的銹蝕分布并不均勻，混凝土中的部分區(qū)域可能會(huì)出現(xiàn)坑蝕的現(xiàn)象，這種不均勻的分布以及坑蝕的深度會(huì)對(duì)鋼筋的延性產(chǎn)生影響，分布的越不均勻，坑蝕深度越大，則鋼筋的延性退化表現(xiàn)的越明顯。此外，鋼筋銹蝕會(huì)使得其內(nèi)部材料晶格出現(xiàn)一定程度的變化，這也是導(dǎo)致修飾鋼筋出現(xiàn)脆性斷裂的一個(gè)重要原因。

（2）鋼筋銹蝕會(huì)影響其變形能力，且屈服平臺(tái)會(huì)縮短，在破壞的過(guò)程中，隨著屈服平臺(tái)的縮短，其頸縮現(xiàn)象逐漸不明顯，鋼筋的銹蝕率與其力學(xué)性能和彈性模量有著一定的關(guān)系，銹蝕率越大，銹蝕對(duì)鋼筋力學(xué)性能的影響越大，彈性模量降低的速度也越大，因此其對(duì)鋼筋延性的影響也就越大。此外，在重復(fù)拉伸荷載作用下，鋼筋銹蝕程度與其耗能性能有著一定的關(guān)系，隨著銹蝕程度的提升，鋼筋耗能性能會(huì)逐漸降低，這就使得結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)喪失存儲(chǔ)能量的能力，影響了其抗震性能，在地震發(fā)生的時(shí)候，鋼筋很可能出現(xiàn)脆性斷裂的情況。

（3）本文以重復(fù)荷載試驗(yàn)為基礎(chǔ)，建立了銹蝕鋼筋的本構(gòu)關(guān)系模型，對(duì)鋼筋的本構(gòu)關(guān)系進(jìn)行了分析，分析結(jié)果與銹蝕鋼筋的重復(fù)荷載試驗(yàn)結(jié)果一致。

［1］羅小勇，梁巖，張艷芳.重復(fù)拉伸荷載下銹蝕鋼筋力學(xué)性能及本構(gòu)關(guān)系研究［J］.湖南大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2014，（11）：81-86.

［2］周正祥.銹蝕鋼筋疲勞力學(xué)性能研究［D］.中南大學(xué)，2013.

［3］張艷芳.反復(fù)荷載作用下銹蝕鋼筋力學(xué)性能研究［D］.中南大學(xué)，2013.

［4］張偉平，顧祥林，金賢玉，等.混凝土中鋼筋銹蝕機(jī)理及銹蝕鋼筋力學(xué)性能研究［J］.建筑結(jié)構(gòu)學(xué)報(bào)，2010，（S1）：327-332.

［5］張偉平，李崇凱，顧祥林，等.銹蝕鋼筋的隨機(jī)本構(gòu)關(guān)系［J］.建筑材料學(xué)報(bào)，2014，（05）：920-926.