室外环境中钢筋混凝土受弯构件抗力退化分析

收稿日期：2006－10－25

作者简介：徐勇(1970－)，男(汉族)，山东泰安人，工程师。

摘要：混凝土碳化、钢筋锈蚀、保护层胀裂引起混凝土结构性能退化，本文在试验研究和非线性有限元分析的基础上，建立了锈蚀钢筋混凝土受弯构件正截面和斜截面承载性能分析方法和计算模型，通过实例分析了锈蚀钢筋混凝土受弯构件正截面抗弯、斜截面抗剪性能变化特征和规律。

关键词：钢筋混凝土；钢筋锈蚀；计算模型；退化

中图分类号：TU375

文献标识码：B

文章编号：1008－0422(2007)02－0067－03

1 前言

一般室外环境中钢筋混凝土受弯构件抗力退化是一个复杂的演变过程，一般室外环境中钢筋混凝土受弯构件将经历混凝土碳化、钢筋脱钝、钢筋锈蚀、钢筋和混凝土粘结性能发生变化、混凝土保护层胀裂等过程。钢筋锈蚀对钢筋混凝土受弯构件的影响主要表现在钢筋截面减少和强度降低、混凝土截面损伤以及混凝土和钢筋之间粘结性能退化。研究钢筋混凝土受弯构件大气环境抗力退化规律是在役结构耐久性评估的基础，也是确保在役结构安全使用的重要内容。本文从钢筋混凝土受弯构件正截面抗力和斜截面抗力两个方面研究混凝土结构碳化、钢筋锈蚀、保护层胀裂对钢筋混凝土受弯构件承载力性能的影响。

2　室外环境中混凝土中钢筋锈蚀深度模型

随着碳化的发展，混凝土逐渐失去了对钢筋的保护，从而引起钢筋锈蚀。文献在试验和工程实测数据的基础上，给出混凝土中钢筋锈蚀深度的计算模型。混凝土保护层开裂前：

式中：t――结构使用时间(a)；ti――钢筋开始锈蚀时间(a)，由文献计算；λel――混凝土保护层开裂前的钢筋锈蚀速度(mm／a)，由下式计算

式中：fcu――混凝土立方体抗压强度(MPa)，RH――为环境湿度(%)，Kcr――为钢筋位置修正系数，Kce――为小环境条件修正系数。

混凝土保护层锈胀开裂后：式中：δcr――混凝土保护层锈胀开裂时的钢筋锈蚀深度(mm)，由下式计算：

tcr――锈胀开裂时间(a)，由文献计算。

3　锈蚀钢筋混凝土受弯构件正截面抗力退化模型

试验结果和有限元分析结果表明，钢筋锈蚀引起钢筋和混凝土之间粘结性能退化，改变了钢筋混凝土受弯构件的受力特征和破坏机理，因此锈蚀钢筋混凝土受弯构件的计算方法和一般钢筋混凝土受弯构件计算方法有很大区别。

钢筋锈蚀后锈蚀钢筋和混凝土之间粘结性能退化，造成锈蚀钢筋与混凝土滑移增大，锈蚀钢筋应变和混凝土应变不再满足平截面假定。文献打破平截面假定的约束，给出锈蚀钢筋混凝土受弯构件相对受压区高度ξn计算模型为：

式中：fc――混凝土轴心抗压强度；b――截面宽度；ho――截面有效高度；η――钢筋锈蚀率；As――钢筋截面面积；Es――钢筋弹性模量。

m(η)――混凝土和钢筋应变比值m(η)，按下式计算：式中：β为锈蚀钢筋粘结强度折减系数，按下式计算：

将式(5)求得的ξn代入式(8)可求得锈蚀钢筋应变εs为：

(1)若　，式(5)求得的ξn成立，说明由于锈蚀造成钢筋达不到屈服，这时钢筋拉力为：

(2)若　，说明锈蚀钢筋已经达到屈服，则应重新计算ξn

这时钢筋拉力为：

锈蚀钢筋混凝土构件极限受弯承载力Mu为：

4　锈蚀钢筋混凝土受弯构件斜截面抗力退化模型

近年来的工程调查表明，由于箍筋直径小且保护层厚度小的不利条件，往往箍筋锈蚀程度比纵向受力钢筋锈蚀程度要严重，箍筋锈蚀对钢筋混凝土受弯构件抗剪成分的影响主要表现在以下几个方面：(1)箍筋锈蚀造成箍筋截面面积和强度减小，从而使锈蚀箍筋承受的剪力减小；(2)箍筋锈蚀造成箍筋和混凝土之间粘结性能降低，锈蚀箍筋和混凝土之间出现滑移，箍筋不能很好地约束斜裂缝的开展，斜裂缝开展较快，从而造成斜裂缝两侧骨料咬合力降低，混凝土骨料咬合力沿垂直梁轴方向的分量减小；(3)剪压区钢筋锈蚀形成的锈胀裂缝，造成剪压区截面损伤，从而使剪压区未开裂混凝土所能承担的剪力变小。

锈蚀钢筋混凝土简支梁斜截面极限承载力Vu(η)可表示为：

式中，Vcu(η)――锈蚀钢筋混凝土简支梁混凝土所承担的剪力；Vs(η)――锈蚀箍筋所承担的剪力。

文献认为在锈胀裂缝出现之前，箍筋锈蚀对混凝土抗剪性能造成的影响可以忽略不计，将Vcu(η)表达成如下形式：

式中，fc混凝土轴心抗压强度Mpa;b――截面宽度(mm)；h0为截面有效高度(mm)；p为纵向配筋率；λ为剪跨比，当λ＜1时，取λ=1；当λ＞4时，取λ=4;η――箍筋锈蚀率；ησ为混凝土保护层胀裂时所对应的箍筋锈蚀率，ησ的表达式为：

式中，Csv――箍筋保护层厚度(mm)：dsv――箍筋直径(mm);fcu――混凝土强度等级(Mpa)。

文献将锈蚀箍筋所承担的剪力Vs(η)表达为：

式中，Asv――配置在同一截面内箍筋各肢全部截面面积(mm)；fyv――箍筋强度(N／mm2)；s――箍筋间距(mm)

5　实例分析

某地区一钢筋混凝土单筋矩形截面屋面主梁，通过次梁传递的集中恒载平均值和标准差为μG=72KN，σG=5．03KN；集中雪荷载平均值和标准差为μS=1．457KN,σS=0．648KN，梁跨度6000mm，计算简图见图1。主梁混凝土强度等级为C20，混凝土保护层厚度为25mm，纵向钢筋为5Φ16ll级钢筋，箍筋为Φ8l级钢筋，间距S=200mm，沿梁纵向均布。地区室外年平均相对湿度RH=71％，年平均温度T=13℃，构件处于室外干湿交替环境。

5．1正截面受弯抗力分析结果

根据文献计算得到，角部钢筋开始锈蚀时间tOj=16．03a，中部钢筋开始锈蚀时间tOz=31．42a。角部钢筋混凝土保护层锈胀开裂时间tcrj=24．07a，中部钢筋混凝土保护层锈胀开裂时间tcrz=48．79a。通过式(5)～式(12)得到，正截面抗力平均值和标准差随结构服役时间的变化曲线如图2、图3所示。

根据计算结果和图示曲线可以得出以下结论：

a．正截面抗力平均值随时间下降，其衰减过程基本上可以分为五个阶段，第一阶段为角部钢筋锈蚀之前[0，toj]，第二阶段为角部钢筋开始锈蚀到角部钢筋混凝土保护层胀裂[toj,tcrj]，第三阶段为角部钢筋混凝土保护层胀裂到中部钢筋开始锈蚀[tcrj,toz]，第四阶段为中部钢筋开始锈蚀到中部钢筋混凝土保护层胀裂[toz,tcrz]，第五阶段为中部钢筋混凝土保护层胀裂之后[tcrz,∞]。

b．在第一阶段，抗力平均值保持不变，从第二阶段开始到第四阶段末，随着钢筋锈蚀程度的增加，混凝土保护层不断胀裂，正截面抗力衰减越来越快，当达到第五阶段开始时，抗力平均值约减少5．3％。

c．抗力标准差随时间增大，其变化过程也可分为五个阶段，在钢筋锈蚀之前，抗力标准差不变，钢筋锈蚀以后，抗力标准差随时间增大，且增长速度随钢筋锈蚀程度增大而变快。

5．2斜截面受剪抗力分析结果

根据文献计算得到，箍筋开始锈蚀时间to=12．43a。箍筋混凝土保护层锈胀开裂时间tcr=30．77a。通过式(13)～式(18)计算得到，斜截面抗力平均值和标准差随结构服役时间的变化曲线如图4、图5所示。

根据计算结果得出以下结论：

a．斜截面抗力平均值随时间下降，其衰减过程基本上可以分为三个阶段，第一阶段为箍筋锈蚀之前[0，t0]，第二阶段为箍筋开始锈蚀到箍筋保护层锈胀开裂[t0，tcr]，第三阶段为保护层锈胀开裂之后[tcr，∞]。

b．箍筋锈蚀之前，斜截面抗力平均值保持不变；钢筋锈蚀以后，斜截面抗力开始衰减，在锈胀开裂时，抗力平均值约减少5．6％，保护层锈胀开裂之后斜截面抗力衰减较快；当箍筋锈断之后，斜截面抗力又保持不变，剪力全部由核心区混凝土和弯起钢筋承担。

c．斜截面抗力标准差随时间增大，其变化过程也可分为三个阶段：在钢筋锈蚀之前，斜截面抗力标准差不变和变异系数保持不变；钢筋锈蚀以后，斜截面抗力标准值和变异系数随时间增大而增大，且增长速度随钢筋锈蚀程度增大而变快：当箍筋锈断之后，斜截面抗力标准值和变异系数又保持不变。

6　结论

室外环境中混凝土结构碳化、钢筋锈蚀、保护层胀裂对钢筋混凝土受弯构件正截面抗弯和斜截面抗剪造成很大的影响，混凝土中钢筋锈蚀将引起钢筋混凝土受弯构件正截面和斜截面承载能力降低，承载性能的变异程度增加。特别应该引起注意的是，由于箍筋保护层厚度小的不利条件，往往箍筋锈蚀程度比纵向受力钢筋锈蚀程度要严重，混凝土中钢筋锈蚀对钢筋混凝土受弯构件抗剪的影响要比对钢筋混凝土受弯构件抗弯的影响要大得多，这一点在钢筋混凝土结构耐久性评估过程中应该引起足够的重视。

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