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    锈蚀钢筋混凝土梁剩余抗弯承载力评估.pdf

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    锈蚀钢筋混凝土梁剩余抗弯承载力评估.pdf

    2011年第8期总第262期 Number 8in2011Tota1No.262 混 凝 土 Concrete 理论研究 THE0RETICAL RESEARCH doi10.3969.issn.10023550.20i 1.08.007 锈蚀钢筋混凝土梁剩余抗弯承载力评估 张永利.董振平。王庆霖。王应生 西安建筑科技大学土木工程学院,陕西西安710055 摘要锈蚀钢筋混凝土梁出现锈胀裂缝后即进入裂缝修复期,在裂缝修复期间锈蚀梁仍然需要必要的安全储备。分析锈蚀钢筋混凝土 梁受力机理的基础上,通过锈蚀钢筋应变滞后比,合理考虑锈蚀钢筋与混凝土的协同工作性能,提出了更合理的锈蚀钢筋混凝土梁的剩余 抗弯承载力评估方法。 关键词 锈蚀钢筋混凝土梁;应变滞后;抗弯承载力 中图分类号TU528.01 文献标志码A 文章编号 10023550201108002103 uation on the remaining flexural capacity of corroded RC beams ZHANG Yong-li,DONGZhen-ping,WANGQing-lin,WANG Ying-shcng School ofCivilEngineeringXi’anUniversityofArchitecture andTechnology,Xi’an710055,China AbstractWhen the expansion cracks OCCUr,the Corroded reinforced concrete beam Repair period .During the repair of cracks,the corroded beams still need the necessary safety reserves.Based on the analysis of corroded reinforced concrete beams on the basis of the mechanism,than throughthe corroded strain hysteresis,bythe reasonable consideration oftheworkperance betweenthe corroded steel bars and concrete ,the reasonable uation on the remaining flexural capacity ofcorroded RC beams was proposed. Key wordscorroded reinforced concrete beam;strain hysteresis;flexural capacity 0 引言 在正常使用情况下,混凝土中的钢筋在碱性环境中处于钝 化状态,钢筋表面形成的致密氧化物钝化膜可保护钢筋免于 锈蚀。混凝土一旦碳化中性化致使钢筋脱钝或由于氯离子的 渗透使钢筋的钝化膜遭到破坏,在有水和氧的条件下就会引起 钢筋的锈蚀。钢筋锈蚀广泛存在于各类混凝土结构中,一些室外 干湿交替和处于高湿、高温等不利环境下的混凝土结构,近海、 近咸水湖地带的钢筋混凝土结构、寒冷地区洒化冰盐的道路和 桥梁、在港口处于水位变动区和浪溅区的结构,钢筋腐蚀十分 为严重。 钢筋腐蚀造成的危害已为人所共知,近20年来,我国对钢 筋锈蚀的发生、发展、锈后混凝土构件性能退化等方面开展了一 系列的理论与试验研究、工程调查与检测,在此基础上,相继开 展了对混凝土结构的耐久性评估和耐久性设计文件的编制工 作,现已出版的中国工程建设标准化协会标准CECS220--2007 混凝土结构耐久性评定标准和GB 50476--2008混凝土结构 耐久性设计规范贝0集中反映了我国这些年来的研究成果。 图1表示钢筋混凝土构件在锈蚀发生、发展过程中的耐久 性寿命模型。我国的混凝土结构耐久性评定标准与国内外的 文献相同【I_2],定义耐久性极限状态为钢筋锈蚀后构件表面出现 尚可接受的外观损伤的状态,可接受外观损伤状态则视构件的 功能要求可以由构件出现0.1 InlTl的锈胀裂缝或裂缝宽度达到 某一限值水平确定。构件的正常使用寿命为 铺 懈 图1耐久性寿命模型 l 1 式中 钢筋开始锈蚀的时间; 一从钢筋开始锈蚀到构件表面出现尚可接受的外观 损伤的时间。 随钢筋锈蚀进一步发展,构件将进入极限强度状态,对应 的时间称为构件的极限寿命。 2 为出现锈胀裂缝至构件进入强度极限状态的时间,文献[2] 确定极限强度时取荷载分项系数等于1.0,即构件在破坏前仍具 有最低限度的安全储备。阶段 值得关注,主要是进入耐久性极 限状态后,构件即需对锈胀裂缝进行修复, 亦可称为裂缝修复 期,由于构件锈胀开裂具有高度的离散性,在修复期内有的构 件可能锈蚀十分严重,已危及到构件的安全使用,因而在裂缝 修复期间必须保证结构构件有必要的安全储备。另一方面一些 收稿日期2011_J02_J07 基金项目国家杰出青年科学基金50725824;“十一五”国家科技支撑计划课题2006BAJ03A02.03 21 配筋很细、保护层偏大的板类构件在出现锈胀裂缝前,即可能 因钢筋过度锈蚀而破坏。因此,如何正确评估锈蚀构件的剩余承 载力仍然是混凝土结构耐久性评估或耐久性设计需要解决的 问题。近年来国内外关于锈蚀钢筋混凝土梁的抗弯承载力已开 展了不少试验研究,本文将就此问题作进一步的讨论。 1锈蚀梁的抗弯承载力研究及受力机理 导致锈蚀受弯构件承载力下降的因素主要有以下三个一 是钢筋面积的损失;二是由于非均匀锈蚀,造成钢筋应力集中 产生的钢筋力学性能下降;三是由于钢筋锈蚀产生沿筋裂缝 后,钢筋与混凝土的黏结性能退化,从而引起两者的协同工作 性能下降。钢筋截面损失可以通过现场检测或建立的钢筋锈蚀 速率预测模型确定;锈蚀钢筋的力学性能,我国也已进行过大 量锈蚀钢筋的力学性能试验I 。关于黏结性能退化,较早的文 献【58】多用一个协同工作系数考虑锈蚀后黏结性能退化对承 载力的影响,根据锈胀裂缝宽度、构件破损状态或钢筋锈蚀率 确定协同工作系数的大小,系数下限一般取为0.60.8。文献【8】 建议的协同工作系数具有一定的代表性 r1.0 W≤0.25 rflin {1.o w-O.25O.25 rlrlnl≤ ≤3.5[2.5]mm 3 l ≥3.5[2.5]mm 式中 协同工作系数方括号内数字用于圆钢; 构件锈胀裂缝宽度; 系数,根据锈胀裂缝长度跨度比,取0.015.-.0.077 [0.022-0.1 1 1】; 协同工作系数下限值,根据锈胀裂缝长度跨度比 取0.75~0.95。 锈蚀梁试验表明 ,对低配筋率构件,尽管已出现较宽的 锈胀裂缝,弯曲破坏时受拉钢筋仍可屈服,考虑协同工作系数 后,估算的承载力反而偏低,并且协同工作系数下限值除与裂 缝长度有关外,主要与配筋率、梁跨高比等因素有关 ,其值可 能在相当大的范围内变化。对高配筋率构件,由于受拉钢筋应变 滞后,有可能在受拉钢筋屈服之前,受压区混凝土先压坏,使受 拉钢筋不能充分利用,承载力降低。因此现阶段因黏结性能退化, 引起抗弯承载力下降的计算方法都还不够完善,仍然缺乏受力 机理分析的基础。 近期发表的国外关于锈蚀梁抗弯剩余承载力的文献【101 1】 中,都是根据快速腐蚀梁的试验结果,给出以腐蚀电流密度或 最大坑蚀深度为参数的承载力降低系数回归公式。试验表明, 最大坑蚀深度可以是平均锈蚀深度的3~10倍,并随平均锈蚀量 增加而增加,将显著影响构件的承载力。因此对氯腐蚀环境以坑 蚀为主的构件,在确定锈蚀钢筋力学性能时,宜考虑最大坑蚀 深度这一因素的影响。 就大多数情况而言,钢筋锈蚀后即便出现严重的锈胀裂缝, 梁弯曲变形后,锈蚀钢筋仍与混凝土间紧密接触,有着共同的 弯曲曲率,仅当锈蚀十分严重,黏结力基本丧失,钢筋应变沿全 跨分布均匀,与破坏截面的平均应变相比,存在明显应变滞后 现象。对一般锈蚀的钢筋也会因黏结力部分退化存在一定程度 的应变滞后,因此只要根据应变滞后程度修正钢筋的拉应变,就 仍可利用平截面假定按混凝土梁理论计算锈蚀梁的抗弯承载 力。只有当钢筋锈蚀异常严重,受拉区混凝土沿梁长度大量脱落, 钢筋与拉区混凝土已有明显间隙的情况下,构件处于扁拱的受 22 力状态,平截面假定不成立,此时宜按拱理论验算承载力。 2锈蚀钢筋黏结性能退化模型 掌握锈蚀钢筋黏结力的退化规律是分析黏结力退化对承 载力影响的基础。近年来为了解钢筋锈蚀后钢筋与混凝土的黏 结退化规律、黏结滑移关系,国内外均开展了不少试验研究,试 验方法包括中心拉拔试验、梁式或半梁式试验,钢筋多采用电 化学快速腐蚀,部分试件设有箍筋。试件保护层厚度与钢筋直径 tLdd取1.34~7,锚固长度与钢筋直径tL1,/d取4~25。直接建 立不同锈蚀程度钢筋的黏结强度表达式需要大量试验,因此现 在所有研究都是进行锈蚀钢筋梁与未锈蚀钢筋梁黏结强度的 对比试验,以期得到随钢筋锈蚀程度增加,黏结强度退化的规 律。所有试验均表明,当钢筋锈蚀量很小,保护层尚未开裂时, 由于锈胀力增加了摩阻力,与未锈钢筋相比,黏结力都有不同 程度的增加,但当保护层出现沿筋裂缝后,黏结力则开始下降, 图2为无箍筋试件黏结强度退化系数 与钢筋锈蚀深度的关 系,其中黏结强度退化系数为锈蚀钢筋极限黏结强度与未锈钢 筋黏结强度比。 垛 鬻 鲻 嘏 钢筋腐蚀深度/mm 图2黏结强度退化与钢筋锈蚀深度的关系 由于试验方法、试验条件各不相同,试验数据离散性较大。 短锚固试件一般用于建立黏结应力滑移关系比较合理,而在实 际结构中,钢筋多处于长锚固状态,采用长锚固试件的试验结 果反映钢筋黏结强度退化规律应更符合实际。根据文献[12131 Ud为25的试验数据,建议的黏结强度退化系数如下 kl1.586--6,,,. 4 式中6 保护层开裂时的钢筋锈蚀深度; 占钢筋的锈蚀深度。 当6 ≤0,取k1.0。由于存在残余黏结力,对圆钢k不小 于0.08,对变形钢筋 不小于0.15。混凝土结构耐久性评定标 准定义6 为锈胀裂缝宽度0.1 mm时相应的钢筋锈蚀深度,一 般为O.04~0.07 inln,该标准根据国内外的研究成果给出以下计 算公式 6 0.012cldO.000 84fo.018 5 3锈蚀梁的钢筋应变滞后比 我国钢筋混凝土受弯构件采用钢筋与混凝土的平均应变 符合平截面假定的极限状态设计法。钢筋锈后由于黏结力退 化,钢筋应力应变沿梁长度或沿锈胀裂缝区段的分布趋于均 匀,存在钢筋应变滞后现象,可以用极限状态下破坏截面由平 截面假定确定的受拉钢筋处的拉应变与钢筋实际应变的比值, 反映钢筋应变滞后的程度,该比值称为钢筋应变滞后比m。 大量的试验研究表明,无锈蚀钢筋混凝土粱拉区混凝土受 拉开裂后,乃至在破坏阶段,如采用大应变测量标距大于裂缝 间距,量测的混凝土和钢筋平均应变仍能符合平截面假定,受 拉钢筋处的拉应变为 8尸 h0 6 鉴于钢筋的平均应变即为裂缝间距范围内的平均应变,与 压区对应的拉区在裂缝间距范围内的变形值为句Z 。 当钢筋锈蚀出现锈胀裂缝,黏结力下降,使横向裂缝间距 增大。裂缝间钢筋的平均应变将小于未锈蚀时的钢筋应变,存 在应变滞后现象。此时,与压区对应的锈蚀钢筋在裂缝间距范围内 的平均应变可近似取为 一 , 8 0 7 Z仳 式中fm未锈梁受力后的裂缝间距; 锈蚀梁受力后的裂缝间距。 依据钢筋应变滞后比定义 自 ,由式6、7可得锈蚀 梁的钢筋应变滞后比为 mlmJl 8 4锈蚀梁的裂缝间距 锈蚀梁的裂缝间距是确定钢筋应变滞后比、评估抗弯承载 力的重要参数,由于黏结力退化,锈蚀梁裂缝间距与非锈蚀梁 相比,将随钢筋锈蚀量增加而增大 。 我国规范[ 41关于平均裂缝间距的计算,采用黏结滑移理论 为主并考虑保护层厚度等因素影响的两项表达式 z 6丘 0.08 /p 9 式中 1.9c; b0.08deq{p 0{ 。 锈蚀梁的平均裂缝间距参照式9有 labf,/T 10 式中 r 锈蚀梁的平均黏结强度值; 一 未锈蚀梁的平均黏结强度值。 由k-Tmc/Tm,将a,b代入式10,可得锈蚀梁裂缝间距表达式 l--1.9c0.08d /o0 11 式1 1与试验结果 21的比较见图3,文献[12】为轴心受拉 试验,采用变形钢筋。文献[7]为锈蚀梁试验。裂缝间距式1 1计 算值与试验值比值的平均值1.032,标准差O.239,计算值与试 验实测值总体上能较好吻合,表明钢筋锈后黏结力退化模型取 值的合理性。 5锈蚀梁剩余抗弯承载力评估 按现行混凝土设计规范,界限破坏时取等效受压区高度 xb0.8c,根据应变滞后比m的定义,钢筋拉应变乘以m值应符 合平截面假定,由此可得界限相对受压区高度 0.8/1嘶居 12 昌 旨 厘 I5 0.35 0.55 0.75 0.95 1.15 黏接强度退化系数k 图3裂缝间距计算值与实测值比较 当按实际配筋计算的相对受压区高度超过界限相对受压 区高度时,截面破坏时钢筋应力将小于其屈服强度,由截面平 衡条件和平截面假定,可求得截面破坏时受拉钢筋的应力。 E 1 s。 。 3.2m 。8 E 一g 】E。 13 取e--0.003 3, 分别取2.1xl05,2.0 xl0 ,式13简化为 o,l/2m[480 2502 218mfy/0.5_693]Es取2.1xl0 14 o,l/2m[435 6002 112mfr/se0.5 66O】E取2.0 xl0 15 根据以上分析,除梁的保护层严重脱落,钢筋已与混凝土 脱离,一般锈蚀梁的抗弯承载力都可以按现行混凝土结构设 计规范进行评估,仅需采用钢筋锈蚀后的截面面积和锈蚀后 的钢筋实际屈服强度,并应根据黏结力退化状况,确定锈蚀梁 是否因黏结退化超过界限相对受压区高度,进而确定极限状态 方程中的钢筋拉力。 计算锈蚀梁承载力时,由式12确定锈蚀梁的界限相对受 压区高度,其中锈蚀钢筋应变滞后比由式8确定。式8中的裂缝 间距分别由式9、11计算,其中黏结力退化系数按式4计算。 考虑到可能仅有部分钢筋锈蚀,锈蚀梁的相对受压区高度 建议按式16计算 仁 f16 。 Abho 式中A 一受拉钢筋中未锈钢筋截面面积,ram2; ,一受拉钢筋中未锈钢筋抗拉强度设计值,MPa; 第i根锈蚀受拉钢筋截面面积,ITlnl ; , _第i根锈蚀受拉钢筋抗拉强度设计值,MPa。 当按式16计算的相对受压区高度小于式12算得的界 限相对受压区高度时,极限状态下钢筋屈服,即可按现行规范 计算,否则应按式13或式14、15计算钢筋应力,取代屈服 强度后按现行规范计算。 6算例 算例1取自文献【7]变形钢筋试验梁中锈蚀量最大的A22 梁,锈胀裂缝宽度2.2 II1111,算例2取自笔者所做的拆解梁试验旧 中锈蚀量最大的L4梁,算例3取自文献[9】。 表1算例 注叩为钢筋截面锈蚀率;6为钢筋锈蚀深度;砖为黏结强度退化系数;z 为锈蚀梁平均裂缝间距计算值;f 未锈梁裂缝间距;Ors为受拉钢筋应 力; 、 为极限弯矩计算值与实测值, 为按式3文献[8】计算值。 算例对比分析表明,本文建议的方法更好地体现了锈蚀梁 中钢筋与混凝土协同工作机理,其计算值与试验值吻合良好,可 合理评估锈蚀梁的剩余抗弯承载力,而按协同工作系数考虑黏 结退化的影响,可能过低或过高评估锈蚀梁的剩余承载力。当梁 支座处钢筋锈蚀严重,需要验算钢筋锚固时,可应用文献[15】给 下转第26页 23 瑚瑚 m 。。 通过整理数据,得到28 d极化电阻的变化趋势图,如图2。 、 岛 勺 水灰比 图2 28 d极化电阻的变化趋势 从图2中可以得出,对于3种不同的胶凝材料水泥、水泥 粉煤灰、水泥矿渣,随着水灰比的降低同一种胶凝材料钢筋 混凝土的28 d极化电阻增大,因此锈蚀电流和锈蚀速率减小。从 增幅上来看,胶凝材料为水泥的28 d极化电阻的增幅最大,掺人 矿渣的次之,掺人粉煤灰的增幅最小。同时,水灰比低并不一定 意味着钢筋混凝土的极化电阻大,因为掺合料也会对极化电阻 有很大的影响。 同时从图2中可以看出,对于同一水灰比的钢筋混凝土试 件,矿渣和粉煤灰的掺入都大大提高了极化电阻,降低了锈蚀 电流和锈蚀速率,原因在于两种混合料的掺入都提高了混凝土 的密实度和抗渗性,导致钢筋锈蚀的电化学反应难以进行。与掺 人粉煤灰的钢筋混凝土试件相比,掺入矿渣的试件对极化电阻 的提高程度更大,锈蚀电流和锈蚀速率也相对更小,掺人矿渣 对钢筋混凝土抗锈蚀能力的提高更为显著。 3结论 1对于掺入混合料的钢筋混凝土,在标准养护室养护28、 上接第23页 出的未锈蚀钢筋锚固强度公式乘以式6的黏结强度退化系数 进行验算。 参考文献 【1】CECS220---2007,混凝土结构耐久性评定标准fs1.计划出版社,2007. 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