锈蚀钢筋混凝土梁的结构损伤及其检测方法探讨

摘 要： 锈蚀钢筋混凝土结构损伤的检测和评估是进行维修、加固改造的前提，如何有效的进行损伤检测是迫切需要解决的问题。本文从混凝土中钢筋锈蚀机理从发，结合目前锈蚀钢筋混凝土梁受力性能的研究现状，探讨针对锈蚀钢筋混凝土梁，可以采取哪些有效的结构损伤检测方法。

关键词： 钢筋混凝土梁；钢筋锈蚀；结构检测

前言

钢筋混凝土结构具有：易于浇筑成型、刚度大、工程造价低、后期维护费用少，使之成为土木工程中的一种主要的结构形式，在土木工程中得到了广泛的应用与研究[ ]。但是长期以来“重强度轻耐久”的设计思想一直在结构设计中占据着主导地位，从而使得耐久性问题越来越突出。作为一个综合性的问题，耐久性主要包括钢筋锈蚀、化学侵蚀、冻融损伤、碱-骨料反应等多个方面，相关研究结果表明，钢筋锈蚀被列为影响混凝土耐久性的首要因素。锈蚀钢筋结构构件主要存在承载力降低、结构刚度的退化，从而引起混凝土结构的过早破坏，而对锈蚀钢筋混凝土结构进行维修、加固改造前必须进行有效的检测和评估。所以，在对钢筋锈蚀的大量研究领域中，采用何种检测方法能快速、有效地获得锈蚀钢筋混凝土梁的受力性能、抗弯承载力、刚度退化、疲劳性能等指标的研究是目前急切关注的话题。

1 混凝土中钢筋锈蚀机理

混凝土中钢筋锈蚀微观机理的研究是认识混凝土保护层锈胀开裂的前提，是人为通过试验获得锈蚀构件的前提，也是研究混凝土损伤评估方法的基础。

钢筋的锈蚀过程可以看成是一个电化学反应过程。

根据供氧情况不同，最终产物也不同。钢筋表面形成的结构疏松的氧化产物层便是这些产物混合在一起堆积在阳极区的钢筋表面的结果。研究表明，所有的铁原子氧化产物的体积与原体积相比，都有不同程度的增加，如图1.1所示[2]：

2 锈蚀钢筋混凝土梁受力性能研究现状

由于钢筋的锈蚀产物相比原体积而言占据着更大的体积，从而对包围在钢筋周围的混凝土产生径向膨胀力，当径向膨胀力超过混凝土的抗拉强度时，便会引起混凝土开裂。从而导致混凝土对钢筋的约束作用的减弱，加剧钢筋与混凝土之间的粘结性能的退化，最终降低钢筋混凝土构件或结构的承载力和使用性能[3]。

从现有的研究成果来看，认为导致锈蚀钢筋混凝土梁受弯性能退化的主要原因是钢筋锈蚀引起的钢筋力学性能退化及钢筋与混凝土之间粘结性能的退化。

试验[4][5][6]研究表明，对于均匀锈蚀的钢筋混凝土梁，当钢筋锈蚀率较小时，可以认为梁的抗弯性能受影响比较小；随着锈蚀率的增大，钢筋与混凝土之间的粘结强度出现大幅度降低，导致在钢筋和混凝土之间不能有效地传递力，这样钢筋的强度得不到充分发挥，梁的受弯性能便受到影响。特别地，当锈蚀程度较严重时，梁的破坏模式可能会由受弯破坏转变为脆性的锚固破坏或锈蚀钢筋拉断。考虑钢筋锈蚀对构件承载力的影响因素中，除钢筋锈蚀程度外，在相同的锈蚀程度下，构件的混凝土强度、配筋率、跨高比、荷载作用形式等也对其退化有一定的影响。

结合对锈蚀混凝土梁结构性能的分析可知，一般认为以下四个方面是引起锈蚀梁刚度退化的主要因素：材料力学性能的劣化、钢筋截面面积的减小、构件有效承载面积的削弱以及混凝土与钢筋之间的粘结力退化。对于前三个方面对刚度的影响一般容易理解，第四个方面通常是按现行规范通过裂缝间纵向受拉钢筋应变不均匀系数来反映的。钢筋发生锈蚀后，钢筋与混凝土间的粘结力退化，严重时甚至完全丧失，从而导致钢筋与混凝土间的协同工作性能降低，裂缝间的钢筋应变趋于均匀，使得裂缝间纵向受拉钢筋应变不均匀系数增大，从而使锈蚀梁的刚度降低。所以在对锈蚀梁的刚度进行分析时，钢筋与混凝土间的粘结力退化因素必须考虑进去，而且其退化规律是建立锈蚀梁刚度退化的关键。

3 结构损伤检测方法

结构的损伤检测方法可以分为局部法和整体法[7]。局部法是指依靠无损检测技术（NED）对特定构件进行精确的检测、查找，描绘缺陷的部位，主要包括：目测、X射线、超声波、光干涉技术、电磁学检测和声发射等检测方法。其中目测法作为最常用的方法之一，存在的不足是主观因素影响大，而且对构件内部损伤肉眼没法看见，这样便不足以正确识别出结构损伤的存在及其程度。而X射线、超声波等非破损检测方法作为损伤识别中较常使用的无损检测法，存在的不足是工作量大、适用范围有限、有时难以测试结构的特殊部位、不能实现在线监测、不能实现整体损伤检测等。

整体法试图评价结构整体的状态，可以间断或连续评价结构的健康，确定损伤存在的可疑区域。目前，基于结构测试的损伤识别法已经得到了广泛的研究。通过结构测试获得的数据与模型分析获得的结构进行综合比较分析，保证理论值与相应的试验值在最大程度上吻合，从而得到结构刚度等参数变化的信息，实现结构的损伤判别与定位定量分析。按测试方式分为基于静力测试的损伤识别法、基于动力特性的损伤识别法以及基于静动力综合特性的损伤识别法。

3.1基于静力测试的损伤识别方法

结构的静力识别具有较高的精度和稳定性等优点。测试技术相对较成熟，在结构损伤诊断方面，已经取得了一定的研究成果。Sanayei et al.和Saletnik[8][9]等均对静力识别的应用前景抱乐观态度，在静力算法计算和测试技术上做了大量的工作。Banan et al.[10]用完备与不完备的静力位移测试数据估计单元的刚度，提出了一种简单的参数分组方案并解决了测试数据稀少下的识别问题。蔡晶[11]等运用静态结构识别方法，提出了服役结构损伤探测及状态评估的概率分析方法。研究表明，运用静力识别方法，效果是比较理想的。同时，静力识别的存在一些不足：对试验条件要求相对较高、在实际结构中加载困难、实时性较差等缺陷正在得到不断的改善。

3.2基于动力特性的损伤识别方法

基于动力测试的损伤检测方法是基于结构的刚度、质量以及材料物理参数的对应关系上的。属于整体检测技术，通过动力测试具有可以获得结构的全面信息、能检测到无法到达位置的损伤、检测结果的准确程度较少受人为因素影响，还可以进行实时在线监测，可以对结构的安全储备和退化的途径做出系统的评估，被认为是一种最有前途的结构损伤整体检测方法。对结构损伤敏感参数的选择是保证结构损伤诊断准确可靠的前提，常用的敏感参数主要包括：固有频率、阻尼比、振型、振型曲率、应变模态、功率谱、频响函数、模态保证准则（MAC）和坐标模态保证准则（COMAC）等。

其中，基于固有频率的结构损伤识别的基本原理是：结构物理参数与振动频率之间存在对应关系。同时，从经济角度出发，频率指标是最简单、最经济、最实用、最易获得的模态参数，与其它的模态参数相比受其它因素影响较小，并且是当前技术测得最准的结构动力特征。另外，频率的整体辨识特性使测量点可以根据实际情况进行定制，因此，频率常被选来作为结构损伤的敏感特征参数进行损伤识别[12]。

Salawu[13]评述了土木工程领域应用固有频率的变化作为结构损伤诊断依据的结构评估方法，对损伤和频率变化之间的关系进行了讨论，结论是：基于固有频率的损伤识别方法对结构的常规评估是有用的。李大伟在文献[14]中提到结构频率具有容易测量且测量数据较准确的优势。文龙[15]等在文献中的研究表明：结构损伤前后固有频率明显降低，并且随着损伤程度的增大固有频率衰减加剧，固有频率的衰减在一定程度上反映了结构的损伤性状。

3.3 基于静动力综合特性的损伤

采用动力特性的损伤识别方法中，振动测量值容易受到多种因素的影响而使结果精度受到限制，而结构静力测试由于测试技术的成熟性，其结果的测量精度一般能够得到保证。因此，一些研究者着力于在损伤识别中将静、动力测试方法结合起来进行研究，将两者的优点统一起来。文献[16]中利用静、动力两类测量数据，对随机结构的损伤识别方法进行了研究，探讨了存在模型误差和测量噪声影响的结构损伤识别问题。同济大学的范立础和张启伟[17]提出了一种综合利用振动与静力测量数据的损伤识别方法，该方法表明利用静动力测试过程中获得的信息，与仅用振动测量值来进行损伤识别的方法相比而言更加可靠。

4 结论

本文在了解钢筋混凝土结构的锈蚀机理、受力性能特点的基础上，分别阐述静力测试、动力测试和静动力测试不同测试方法在损伤检测中的优越性和局限性，为结构在进行损伤检测、评估前提供有效的参考性。

参考文献

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