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    锈蚀钢筋混凝土梁抗弯承载力计算方法.pdf

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    锈蚀钢筋混凝土梁抗弯承载力计算方法.pdf

    2011年第8期总第262期 Number 8 in 2Ol1Total No.262 混 凝 土 Concrete 理论研究 THEORETICAL RESEARCH doi10.3969.issn.10023550.201 1.08.004 锈蚀钢筋混凝土梁抗弯承载力计算方法 吴庆。庄悦 江苏科技大学土木工程与建筑学院,江苏镇江212003 摘要 基于锈蚀钢筋混凝土梁内钢筋与混凝土间黏结强度随锈蚀量的变化,对锈蚀梁的抗弯承载力进行了研究。当钢筋锈蚀量较小时, 锈蚀梁内钢筋与混凝土间黏结强度随锈蚀量变化不大,锈蚀梁的力学性能同未锈蚀梁,可运用传统的梁理论计算锈蚀梁的抗弯承载力; 但随着钢筋锈蚀量的增加,钢筋与混凝土间黏结强度发生退化,锈蚀梁的力学性能介于黏结完好梁与无黏结梁之间,与传统的计算梁的 抗弯承载力的方法不同,应考虑梁的各截面间相互作用。基于梁整体的受力平衡和变形协调,提出概念明确、通用性强的锈蚀钢筋混凝土 梁抗弯承载力计算方法;经试验验证,数据吻合很好,其结果有益于完善和发展锈蚀钢筋混凝土梁抗弯承载力的计算方法。 关键词 锈蚀钢筋混凝土梁;锈蚀程度;抗弯承载力;退化机理 中图分类号TU528.叭 文献标志码A 文章编号 l0023550201108001005 Calculation for flexural capacity of corroded RC beams reinforced concrete beams wUOing.ZHUANG Yue College ofCivilEngineering andArchitecture,JiangsuUniversityofScience andTechnology,Zhenjiang 212003,China Abstract Flexural carrying capacity of corroded reinforced concrete beams is modeled and calculated on the basis of the change of bond strength between corroded steel and concrete.At lower degrees of corrosion level,bond strenIgth between steel and concrete doesn’t have great changes with increasing degrees of corrosion,the mechanica1 behavior of the corroded RC beams iS the same as that of the non-corroded ones, flexural carrying capacity of corroded RC beams can be calculated by conventional theory of the beam.When reduction of bond strength occurs due to higher degrees of corrosion,the mechanical behavior of the corroded RC beams lies in between that of the perfectly bonded and unbonded beam.It is different from the traditional way in RC beams.the interaction between cross sections of beams should be considered.In the present pa per,the change ofbond strength between corroded steel and concrete is considered,and on the basis ofthe condition ofequilibrium of forces and compatibility ofdeations forwhole beams,a calculation for flexural capacity,conceptually explicit and widely applicable,was pro posed,taking consideration ofboth corrosion degree and reinforcement index.The results were useful to perfect the calculation ofthe flex ural bearing capacity ofcorroded reinforced concrete beams. Keywordscorroded reinforced concretebeam;corrodeddegree;flexuralbearing capacity;deteriorationmechanism 0 引言 随着混凝土内钢筋锈蚀会引起混凝土开裂、钢筋截面减小 并发生坑蚀、钢筋与混凝土间的黏结失效以及混凝土剥落,最终 导致钢筋混凝土梁的承载能力下降和刚度退化。而且,随着钢 筋锈蚀率的增加,梁的受力特征和破坏机理会随之改变。凶此 锈蚀钢筋}昆凝土梁的计算方法和一般钢筋混凝土梁有一定的 区别,确定其变化规律模型是结构耐久性评估和建筑物可靠性 鉴定的关键一环。 锈蚀钢筋混凝土梁承载力计算模型的建立是一个极为复 杂的问题。目前的研究主要是定性分析钢筋锈蚀对构件刚度、 强度和破坏形态等宏观力学性能.。]的影响。由于测试技术和手 段的限制,在承载力计算模型方面,大多数学者主要是通过两 种途径考虑黏结性能退化对承载力的影响一是先按无锈蚀构 件计算承载力,然后乘以协同工作降低系数p ;二是对受拉钢 筋乘以协同工作降低系数,然后按现行规范公式计算 】。这两 种处理方法都是以试验研究结果为基础,以正常钢筋混凝土计 收稿日期2011_J02_02 l0 算理论为前提,都没有很好解决由于黏结性能退化而引起的锈 蚀钢筋与混凝土相对滑移增大的问题,涉及到锈蚀钢筋混凝土 梁的应力应变特性、破坏机理、破坏模式及混凝土受压区高度 的变化等更深层次的研究较少尚未建立一个相对完善的锈蚀 梁承载力的计算理论和方法。 分析表明,钢筋锈蚀主要从三个方面影响梁的承载力一是 钢筋坑蚀特点和截面损失导致其力学性能退化,从而引起梁的 承载力降低;二是受压区混凝土截面损伤造成梁的受弯承载力 降低;三是锈蚀引起钢筋与混凝土之问黏结性能退化导致二者 之间不能很好的协同工作,使受拉钢筋强度不能充分发挥,而且 黏结性能退化也会使混凝土受乐区高度减小,最后导致梁破坏 机理的改变。 本文运用理论力学、弹性力学基本理论,并立足于现行混 凝土结构计算理论,提出了较为实用的锈蚀梁承载力计算模型。 旨在研究钢筋锈蚀程度、混凝土劣化程度等因素对受腐蚀钢筋 昆凝土梁承载力计算方法的影响,从而补充了受腐蚀钢筋}昆凝 土构件受力性能研究方面的不足,为受腐蚀钢筋混凝土构件安 全性评估及维修加固决策提供一个重要的理论依据。 1 正截面破坏的混凝土梁承载能力计算模型 1.1锈蚀混凝土梁截面基本假定和截面破坏计算模型 在计算锈蚀钢筋混凝土梁的抗弯强度前,先来分析与锈蚀 梁相应的未锈蚀梁,从未锈蚀梁的计算理论出发,进而得到锈 蚀钢筋混凝土梁的理论计算分析方法。计算时采用如下假定 1截面应变保持一致,即遵循平截面假定。 2钢筋的本构关系采用三折线模型,如图1a所示。 3受压混凝土的应力一应变曲线采用Hognestad的抛物线 形式o--- [28 s妇。 】。这里 为混凝土的抗压强度,如 图1b所示。 a钢筋的本构关系 b混凝土应力一应变曲线 图1应力一应变曲线 4不考虑混凝土的抗拉强度。未锈蚀钢筋混凝土梁的受 力简图如图2所示。 Ibx 二 ’ 一一一 L一 b 图2梁的受力简图 『 X0,aoCbxfiA。 1∑ 0,帆 h。一争或慨 A h。一手 相对受压区高度 s 一 D 一 2 ho bhoa 。 1.2锈蚀钢筋的力学性能 钢筋力学性能退化主要是由于钢筋截面减小和坑蚀的影 响。锈蚀钢筋的屈服强度、弹性模量的计算可运用式3~6。 屈服强度 O ≤5%时 1-0.029‘P 3 p≥5%时 1.175-0.064‘P 4 弹性模量 0%o≤5%时, 1-0.052PE。 5 P≥5%时,E 0.8950.031P 6 1.3锈蚀钢筋截面损失和黏绔陛能 钢筋锈蚀会引起其自身截面损失和黏结性能退化。在发生 明显的黏结滑移破坏之前,梁中钢筋与混凝土问的受力机理的 改变不是很清楚,因此,这里用一个协同工作降低系数来考虑 发生黏结破坏以前的黏结退化的影响。即钢筋锈蚀产生的钢筋 截面损失和黏结性能两种因素的影响,通过纵向受拉钢筋等效 截面面积综合考虑[91,表示为 A , s A 7 1 式中A一纵向受拉钢筋的等效截面面积; 第i根受拉钢筋未锈蚀时的截面面积; k 第i根受拉钢筋协同工作系数。 主要考虑黏结性能退化的影响,由文献[14]可得 一0.272 2w1.043 8 8 式中岛第i根受拉钢筋截面面积的减少系数。 按沿钢筋圆周方向均匀锈蚀,不考虑靠近保护层一侧锈蚀 情况更严重的现象,按锈蚀率进行换算即可 s 1 9 如果是双筋矩形截面,对于受压区锈蚀钢筋,它与受压区 混凝土共同受压变形,二者之间的相对滑移很少,故认为其间 的协同工作系数k-i.0,即 A ,。。 s A 10 il 式中A . 纵向受压钢筋的等效截面面积; 以第i根受压钢筋未锈蚀时的截面面积。 1.4混凝土截面的几何损伤 文献[91O]对混凝土保护层开裂后的构件强度计算方法进 行了相关的研究,认为混凝土保护层胀裂脱落引起了构件截面 的几何损伤,可以由式11计算 fheh一 cl 2 ,.1、 I6 6一dc3-}-C4 1 1 式中h、b截面原有高度和宽度; 。、b。锈胀后截面计算高度和计算宽度; C 、122截面高度方向的两侧保护层厚度; c 、C4截面宽度方向的两侧保护层厚度; 几何损伤系数。 对于梁 当锈胀裂缝宽度ztJ≤3.0 mm时,or0.15w;当 3.0 mm时,a1.0t 。这里是针对锈蚀程度较小的情况,因此,取 a0.15w。 1.5锈蚀程度较小时梁正截面破坏的承载力计算模型 对于锈蚀程度相对较小的钢筋混凝土受弯构件,由于钢筋 与混凝土间的黏结性能退化不多,底部纵向钢筋与混凝土间的 锚固尚好,在弯矩作用下几乎不会产生相对滑移,因此认为其 破坏形式与未锈蚀时相似,发生适筋延性破坏而不会出现黏结 撕裂破坏。如图3所示。 P P 一一一一一一一j一一一一一一 __/ / 。 亡 f , 1 O O 图3锈蚀程度较小梁的力学计算模型 这样,沿用普通钢筋混凝土的力学模型和计算模型,在考 虑锈蚀钢筋力学性能退化、黏结性能退化引起协同工作系数的 l1 f__●● 』 变化、混凝土截面损伤进行综合计算。 对于单筋矩形截面,根据平衡条件可以得到 r 1.1 l XO, .。 A , 1∑ , 1 2’ 如果是双筋矩形截面,则 i∑ 0, A .。 ,。』4 . 1∑ 0,慨. h 一 1 。 % ’ 式中 锈蚀钢筋混凝土梁正截面受弯承载力; Ot 受压区}昆凝土矩形应力图所取应力与昆凝土抗压 强度设计值的比值; 混凝土轴心抗压强度; 6 锈胀构件截面宽度; 锈胀构件截面有效高度,hoch~as; 保护层厚度; 受压区等效矩形应力图高度; 受拉和受压锈蚀钢筋名义屈服强度。 l I I , 0.5 。{I 认为锈蚀钢筋受压时的强度退化与受拉时相同,均按式1 3 计算。 代入相关系数后,得到锈蚀程度较小的梁计算模型。 单筋矩形截面 M7-O,5a 。f J , 双筋矩形截面 一o.s f 该模型是在正截面破坏形式基础上推导而来,最后的承载 力主要决定于跨中纵筋的力学性能。将前文相应锈蚀钢筋本构关 系模型代入模型中,便得到只考虑锈蚀程度的承载力计算模型。 单筋矩形截面 f r Me .u -- O.5adob。{I 1 , 一0.272 2w1.043 81 M 双筋矩形截面 z,oZ-o.2722 1.043 81-p M ∑1 。 式中 , 对应了梁底和梁顶配置的第i根和第 根钢筋; tn,n对应了梁底和梁顶配置的钢筋数量。 2黏结撕裂破坏的承载能力计算模型 随着钢筋锈蚀率增加,钢筋混凝土构件的基本性能必然随 之发生退化。研究表明,当锈胀裂缝达到一定程度时,构件会由 适筋破坏演变为黏结撕裂破坏。不管是适筋破坏还是黏结撕裂 破坏,结构的破坏形态都是从有预兆的塑性破坏变为无预兆的 脆性破坏。其承载力由受压区混凝土抗压、受拉区钢筋承拉,二 者共同工作,发展到主要取决于锈后钢筋混凝土之间的黏结强 度。【大J此,需要在有限元分析的基础上,通过理论分析锈蚀严重 的梁的受力机理和破坏形态,进而建立与锈蚀率相关的钢筋混 凝土基本构件的性能退化规律、破坏理论模型以及承载力预计 模型,着重建立钢筋混凝土基本构件由正或斜截面破坏向黏 结撕裂破坏演变的力学模型。当混凝土构件锈胀开裂后,钢筋与 混凝土间的黏结力逐渐退化。但锈蚀达到一定程度后,梁主要以 钢筋端部锚固滑移为主[11-12】。在发生黏结滑移的临界状态,黏结 应力所提供的锚固区钢筋拉力仍能够保证与受压区混凝土的 平衡,那么其受力特点仍然类似于普通钢筋混凝土结构原理中 的空间拉杆拱模型,与混凝土之间无可靠黏结的锈蚀钢筋相当 于拉杆,受压区混凝土形成拱轴线,其力学模型和相应计算模 型如图4所示 P P 7 l , 一 , , 一一 一一一一一一一一一一一一一、 JL , s 、、 f , 1 12 Q Q 图4发生黏结撕裂破坏梁的力学计算模型 0e f一 } 16 } 舢 一 , n c , 当锈蚀梁中钢筋与混凝土间的黏结强度随锈蚀量的增加 而减小时,原用于计算未锈蚀梁极限弯矩、依赖于所有截面应 变协调的规范公式将不再适用于计算锈蚀梁的极限弯矩。但无 论梁中钢筋与混凝土问是否存在黏结,力的平衡方程和变形的 协调条件总是满足【】3],即以下的方程总是成立的 一 fI fl 厂0,f yf 18 式中y水平方向; s 纵向受拉钢筋的应变; 与受拉钢筋同一水平处混凝土的应变; ,J梁的跨度。 首先,考虑与未锈蚀梁相应的锈蚀钢筋混凝土梁,将具有 平均极限黏结强度亍 0且几何形状和大小以及钢筋力学性能 与该锈蚀梁相同的钢筋混凝土梁定义为黏结完好梁。根据平截 面假定,对此黏结完好梁,可得出以下的方程 , l苫 l n oc--X cl 19 c1 式中 黏结完好梁中受拉钢筋应变,s 。≤s 且s、 T/E ; s 受压区边缘混凝土压应变且 。≤s ; s 混凝土的极限压应变; 。受压区高度; ,E 锈蚀受拉钢筋的屈服强度和弹性模量。 其次,同样考虑与未锈蚀梁相应的锈蚀钢筋混凝土梁,将 整个梁跨£内均无黏结仅梁端faf . 处有黏结且与该锈蚀梁 具相同几何形状和大小以及相同钢筋力学性能的钢筋混凝土 梁定义为完全无黏结梁。假定此梁端锚固端1 。, 处的平均极 限黏结强度均为亍 0。对该完全无黏结梁,其变形协调式如下 s 2 I s ,斗 O--Xz2 l。20 J 0 西 式中s 无黏结梁跨度L内钢筋的常拉应变, ; 乜科 相应的梁跨度L内钢筋的拉应力; ,f。钢筋混凝土梁的剪跨和常弯矩区段; s 受压区边缘混凝土压应变; Xc2受压区高度。 考虑到与常弯矩区段%内混凝土的应变相比,剪跨吼内混凝 土的应变很小,因而,可以忽略不计剪跨吼内混凝土的应变㈣。 故式20可简化为 sc2 21 ,J c2 现在,来考虑锈蚀钢筋混凝土梁。由于确切描述锈蚀梁的力 学性能相对困难,因而,也不易建立锈蚀梁中受拉钢筋的应变、 受压区边缘混凝土应变与受压区高度之间的关系。但从黏结完 好梁的变形协调条件表达式19、完全无黏结梁的变形协调条 件表达式21以及黏结完好梁、锈蚀梁、完全无黏结梁内的平 均极限黏结强度之间的相对关系,将锈蚀梁中受拉钢筋的应变 s 受压区边缘混凝土应变s一受压区高度 的关系表达为 亍 ]8 22 式中s ; g[亍u 卜锈蚀梁中平均极限黏结强度的亍u 插值函数。 通过线性插值方法得到,为 l0 23 这里,平均极限黏结强度亍 的范围为0≤亍 ≤亍 0。 将式23代入式22,有 s f ’ , 其中锈蚀梁中受拉钢筋的应变s 应满足s ≤s ;受压区边 缘混凝土应变s 应满足 ≤s 。分别将亍 的上限值和下限 值代入式24,可得到黏结完好梁的变形协调式19和完全无 黏结梁的变形协调式21。 现在,考虑锈蚀钢筋混凝土梁中力的平衡方程,由钢筋混 凝土梁的弯矩平衡可得 , 0e一 l 25 整理得到 慨 2 f y,cg y,se 26 锈蚀钢筋混凝土梁中钢筋的拉应力; 将式7和式24代/k,-i26,得到 一叫 ‘ 叫 2o0cf1./1 嚼 一 ∑-0.2722w1.043 81-p 土共 髫 篓 萎 是将转化为 土共同受压变形,而且锈蚀钢筋受压时的强度退化与受拉钢筋 。。 \ / 退化规律相同,那么上式转化为双筋矩形截面的计算公式时,只 单筋矩形截面 [ ‘ 双筋矩形截面 2 , ∑-0.272 2w1.043 81-p [ ‘ 2auCb 璺 2 。f .船骞c , L 722洲_04 1 .c il 。 f .主 、_ -c善 ●, j 2 e 式中 J对应了梁底和梁顶配置的第i根和第 根钢筋; 肌n对应了梁底和梁顶配置的钢筋数量。 3试验验证 运用本文建立的模型对文献[15]中锈蚀钢筋混凝土梁的抗 弯承载力进行了计算,并与相应的试验梁的试验结果进行了对 比,见表1。 4结论 当钢筋锈蚀量较小时,锈蚀梁内钢筋与混凝土间黏结强度 随锈蚀量变化不大,锈蚀梁的力学性能同未锈蚀梁,可运用传 统的梁理论计算锈蚀梁的抗弯承载力;随着钢筋锈蚀量的增加, 29 表1 锈蚀梁试验值与理论计算值对比 , 一一 钢筋与混凝土问黏结强度发生退化,锈蚀梁的力学性能介于黏 结完好梁与无黏结梁之间,与传统的计算梁的抗弯承载力的方 13

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