局部区段锈蚀的钢筋混凝土柱承载力研究.pdf
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1、2 0 1 1年第 9期 9月 混 凝 土 与 水 泥 制 品 CHI NA C0NCRET E AND CEMENT PR0DUCTS 2 0l 1 N0 9 S e pt e mb e r 局部区段锈蚀的钢筋混凝土柱承载力研究 高 向华 , 王小 惠 , 王建 涛 ( 1 上海交通大学土木工程系, 2 0 0 2 4 0 ; 2 西北有色地质勘查局七一七总队地勘分院, 7 2 1 0 0 0 ) 摘 要 : 研 究了局部 区段 内锈蚀钢 筋暴露、 混凝土保护层 剥落的钢筋混凝土柱 的承 载力问题 。考虑局部 区段 内 不 同钢筋锈蚀率 、 柱两侧钢 筋均 暴露的情形 , 通过 理论分析 ,
2、 提 出了一种计 算局 部 区段 内钢 筋锈蚀情 况下的偏心 受 压枉的承栽力 简化计算模型 , 并通过 实验验证 了模型的可行性。 关 键 词 : 锈 蚀 ; 局 部 区段 ; 钢 筋 暴 露 ; 承 载 力 ; 钢 筋 混凝 土 柱 Ab s t r a c t : T h e l o a d c a p a c i t y o f r e i n f o r c e d c o n c r e t e ( RC )c o l u mn wi t h p a r t i a l l e n g t h c o r r o s i o n i s t h e o r e t i c a l
3、l y s t u d i e d , w h e r e t h e e x p o s u r e o f t h e l o n g i t u d i n a l b a r , d e l a mi n a t i n g o f c o n c r e t e c o v e r a n d l o s s o f t h e b o n d wi t h i n t h i s p a r t i a l l e n g t h a r e c o n s i d e r e d S i mp l i f y a n a l y t i c a l mo d e l a b o
4、u t t h e l o a d c a p a c i t y o f RC c o l u mn w i t h p a rt i a l l e n g t h c o rro s i o n u n d e r e c c e n t r i c i t y l o a d i s p r o p o s e d t h r o u g h t h e t h e o r e t i c a l a n a l y s i s ,a n d t h e f e a s i b i l i t y o f t h e p r o p o s e d mo d e l i s v e r
5、 i fi e d b y t h e e x p e r i me n t r e s u l t s Ke y wo r d s : C o r r o s i o n ; P a rt i a l l e n g t h ; E x p o s e d r e i n f o r c e d b a r ; L o a d c a p a c i t y ; RC c o l u mn 中图分类号 : T U 5 2 8 文献标识码 : A 文章编号 : 1 0 0 0 4 6 3 7 ( 2 0 1 1 ) 0 9 4 9 0 7 0前 言 钢 筋锈蚀造成结 构破坏 的原 因主要 体现
6、在三 个方面 : 钢筋锈蚀造成截面减小和强度降低 ; 混凝 土保护层顺 筋开裂 、 脱落 ; 钢筋和混凝土 间的粘结 性 能退 化 。粘 结 退化对 受 压钢 筋混 凝土 柱 的影 响因 其 内在机制的复杂性 , 使得锈蚀钢筋混凝 土柱承载 力预测较 为困难 ; 同时 , 由于钢筋锈蚀程度和锈蚀 区段的不同, 对柱承载力 的影 响也不同【 J , 较难用理 论公 式 来预 测 。 目前 ,对锈蚀钢筋混凝土柱承载力的研究 , 主 要通过试验研究 , 计算模型的研究较少。对锈蚀钢 筋 和 混凝 土 间 粘结 性 能退 化 的处 理 方 法 , 大 多 以正 常钢筋混凝土构件抗弯承载力的计算模型为基
7、础 , 通过协 同工作 系数 、钢 筋锈后 的粘结 性能退化系 数 、 综合折减系数来反映粘结性能退化的影响。陈 晓 晨 等 2 1 基 于 锈 蚀 钢 筋 与 混 凝 土 的粘 结 退 化 模 型 , 分析 了钢筋锈蚀对钢筋混凝 土柱 承载 力和破坏模 式的影 响 , 建立 了锈蚀钢筋混凝土柱抗压承栽力 的 计算模 型。而在实 际工程 中, 构件 内钢筋的锈蚀往 往发生在局部 区域 , 锈蚀 的程度也均不 同; 当锈蚀 率较大时 ,甚至造成混凝土保护层 的开裂和剥落 , 且随着钢筋和混凝土间粘结性能的退化 , 两者问的 变形也不再协调 , 平截面假定不再成立。 基于此 , 本文采用已建立 的
8、局部区段 内钢筋与 基金项 目: 国家 自然科 学基金项 目( 5 0 5 0 8 0 2 0 ) 。 混凝土间完全无粘结 时, 受拉钢筋与混凝土间的应 变协调关系式 , 并考虑局部 区段 内锈蚀纵筋 因箍 筋 锈蚀 可 能 发生 的 屈 曲破坏 , 建 立 了局 部 区段 锈 蚀 钢筋混凝土柱的大小偏心承载力模型。并选取湖南 大学雷国强的腐蚀柱承载力实验 对模型进行 了试 验验 证 。 1 基 本理 论 1 1 材料模 型 模型 中未锈蚀钢筋应力一 应变关系表达式为 : :f ( 1 ) 其中 , = , 为钢筋的弹性模量 ,取为 2 x 1 0 N mm 。 混凝 土的应 力应变关 系为一
9、 曲线 ,其表达式 为 : o r 【 2 s 一 ( ) J ( 2 ) 其 中 , 为混凝土的圆柱体抗压强度 , 且 =0 8 ; = 0 0 02, = 0 0 03 3。 锈蚀后 , 忽略混凝土强度 的变化的影 响; 对锈 蚀钢筋 , 忽略钢筋锈蚀对其 弹性模量 的影 响 , 仅考 虑锈蚀后钢筋截面面积减小 、 屈服强度的改变。考 虑均匀锈蚀的影响, 锈蚀后钢筋 的截面面积 和屈服 强度 由下式计算5 1 : = ( 1 1 2 4 ) ( 3 ) 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 2 0 1 1 年 第 9期 混凝 土 与水泥 制 品 总第 1 8 5期
10、 A =A D ( 1 一 W) ( 4 ) 其 中, 为未锈蚀钢筋的屈服强度 ; 为锈蚀钢筋 的屈服强度 ; 为钢筋质量损失率 ; o为钢筋的初 始截 面面 积 ; 为钢 筋腐蚀 后的截 面面积 。 1 2 未锈蚀钢筋混凝土柱 的偏心受压正截面承载 力计算 设钢筋 混凝 土柱 中对称 配筋 。受力 情 况和截 面 的等效 矩形 应 力 图分 别如 图 1 所 示 。 _, , 卜 一 一 图 1 柱 受 力 示 意 图 对未锈蚀钢筋混凝土柱 , 当受拉钢筋刚好达到 屈 服 强 度 e = , 受 压 边 缘 混 凝 土 应 变 8 = 8 : 0 0 0 3 3 ,可求 出大小偏心的分界偏心
11、距 完 。当时 e e l捍 时 ,即 或 = ,为 大偏 心受 压 ; e e 界 时 , 即 8 8 , 为小偏 心 受压 。故 e = e完 时 , 即 = 8 , 8 = = 0 0 0 3 3时 的平 衡式 为 : = b + 0 A 0 Am ( 5 ) e完 = b 触 ( h o - O 5 ) + 0 0 ( d 一 ) ( 6 ) 其 中 , = 4 - e c S o ,且 = 一 ( ) (7 ) o - o = E 兰 , 且 O s O t A 。 A 。 ( 8 ) ( e完界= 叼( e 0 + e ) + 0 5 h 一 ( 9) 其 中 , 式 ( 9 )
12、中 e 为 附加偏 心 距 , 取偏 心 方 向截 面 尺 寸 的 1 3 0和 2 0 ram 中 的较 大值 ; e 0 为初 始 偏 心距 ; 卵 为未锈蚀柱偏心距增大系数。 1 f l | 7 7 【 ) ( 。 0 ) 式 ( 1 0 ) 中 Z 。 为 柱 的计算 长 度 ; , = 0 2 + 2 7 e 。 h 。 ; 当 Z h L 时 变化情况。 由图 2的几何关系 、 小变形假定及大量试验数 据 , 并取截面受压区高度为 , 可得 : L = 2 L 2 。 兰 三 r_ ( ) 其 中, , J 为等效塑性 区段 长度 ; 矾为等效软化 区段 长 度 ; = F 0 0
13、 0 2 , e m l : O 0 0 6 S 0 1 4锈蚀钢筋混凝土受压构件的截面尺寸 由于钢 筋 锈 蚀 产 生 的锈 蚀 产 物 町致 使 混凝 土 保护层膨胀开裂。锈蚀钢筋混凝土受压构件考虑锈 胀裂缝损伤后 的截面尺 寸计算如下式 0 ( 主要考虑 对截 面高度方 向上 的影响 ,忽略对截 宽度的影 响 ) : 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 高向华 , 王小惠 , 王建涛 局部区段锈蚀的钢筋混凝土柱承载力研究 h o =h 一 O l c C i ( 1 2 ) 其中, C 为某侧的保护层厚度 , O l 为混凝土截面损伤 系数 ,小 、大偏心受压
14、构件中的 分别由式( 1 3 ) 、 ( 1 4 ) 给出, 式中 W为裂缝宽度 , 单位为 mm: i 0 2 5 w W2 0 mm I Ol , = 3 ( )c 0 0 5 w + 0 4 2 0 mm 3 0 mm J O 1 5 2 0 mm O L = 0 4 5 2 0 m m 3 0 m m 1 5 混凝土柱 中箍筋锈蚀对纵筋屈曲行 为影响分 析 混凝土柱 中锈蚀纵筋 的屈曲模 态取决于纵筋 屈 曲变型的余弦曲线所跨越 的箍筋根数 , 若将变形 曲线跨越根箍筋 , 纵筋压 曲模态称为 阶 , 压 曲曲 线波长度则为 m S , s为箍筋间距 , 如图 3所示。 箍筋 的约束作
15、用主要取决于其轴 向抗拉刚度。随着箍筋 锈蚀程度加重 , 其抗拉 刚度发生退化 , 对纵筋 的轴 向约束作用相应减弱。 运用图 3 , 可定性的确定锈蚀 纵 向主筋的屈曲长度。 P P P 重 P P P 1 阶屈 曲模态 2阶屈 曲模态 3阶屈 曲模 态 图 3 锈蚀 纵筋的压曲模 态 19 1 1 6 暴露钢筋的屈 曲临界力 钢筋混凝 土构件 中, 当锈蚀率 比较大时 , 锈蚀 产物极有可能致使混凝土保护层剥落 、 箍筋锈蚀严 重 , 此时箍筋对主筋的约束作用较小 , 主筋极容易 发生屈曲 , 其屈曲临界力可由下公式计算: 2 , Lr - ( 1 5 ) 4 ( ) 、 其中 为钢筋屈曲
16、临界应力 , E为钢筋弹性模量 , 为钢筋的惯性矩 ; 4 , 为受压 区单根钢筋最小截面 面积 ; 为考虑箍筋锈蚀对纵筋屈 曲影响的压曲曲 线 波 长度 。 1 7受 拉 区 钢 筋 暴露 的 钢筋 混 凝 土 构 件 中的 应 变 协调关系式 对 于局部受拉区钢筋暴露 、 钢筋与混凝土间无 粘结的钢筋 混凝 土构件 ,平截面假定 已经不再适 用 。为使问题简单化 , 可以选择受拉区钢筋暴露 、 无 粘结区域建立变形协调条件。由文献可知 , 对于受 两点对称集 中力的梁 , 其应变协调式为 3 1 : pu b , J = C 譬 ,Jeq , l掘 , , p u b = ( 1 6 )
17、其 中, 曲为梁 内受拉区钢筋暴露 、 无粘结区域长度 , 为等效塑性铰长度 , 。 为等效塑性铰长度 内 受压区边缘混凝土最大应变 , 为局部区段 内钢 筋 的应变 ; h o 为受拉区钢筋暴露 的钢筋混凝土构 件的截面有效高度。 此协 调式同样适 用于受拉 区钢筋暴露 的偏心 受压钢 筋混 凝 土柱 , 其 中 : 2 L o = 2 。警一 。 ) 2模 型 建立 对 锈 蚀偏 心 受 压钢 筋 混凝 土柱 , 当受 拉 区 和受 压 区钢筋均暴露时 , 受压 区钢筋承受压力 , 近似认 为受压 区钢筋和混凝土间应变关系仍然满足平截 面假定 , 因此 , 其应力 主要 由屈 曲临界力 和
18、屈服强 度 中的最小值来控制 ; 而受拉区钢筋和混凝土不再 满足平截面假定。 以受拉 区钢筋 屈服界定大小偏心 , 设受拉 区钢 筋恰达到屈服应变时为临界情况 , 其界限破坏时截 面的等效应力 图如图 4所示 。界限破坏时 , 柱 的承 载力 公式 如 下 : = b 。 + A A ( 1 8 ) Nu 8 = b ( 厂 一 0 5 ) + A ( ) ( 1 9 ) O s = rai n 。 , ) ( 2 0 ) : ( 2 1 ) 一4 ( a s ) e = 叼 ( 8 0 + 8 。 ) + 0 5 h a s ( 2 2 ) 其 中 为受压区钢筋 的屈 曲临界力 , 为受压
19、区 钢筋的的惯性矩 , A , 为锈蚀受压 区单根钢筋 的最 小截面 , 为锈蚀受压区钢筋的暴露长度 , 为受 压区混凝土的最大剥落深度 ; 、 p由式( 7 ) 给出 ; 叼 为锈蚀柱偏心距增大系数。 式( 2 2 ) 中, 卵 主要是考虑 了纵 向弯曲的影响 , 与 一 5】一 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 2 0 1 1 年第 9期 混凝土与水泥制品 总第 l 8 5期 b _ - | r 一一一一1 1 , 。 图 4 锈蚀偏心 受压钢筋混凝土柱界限破坏时截面示意图 厂 与 e 。 的比值有关( , 为侧向挠度) 。由于l厂 相对于 e 。 一 般 较
20、 小 , 并且 锈蚀 柱 的侧 向挠 度相 比于 未锈 蚀 柱 变化并不大 ,故锈蚀对偏心距增大系数的影响较 小 , 在本 文 中 , 取 叼 = r 。 式( 2 0 ) 中, 当f y 时 , r , 属于受压区钢 筋屈曲破坏情况 ,设受压区边缘混凝土应变 为 占 , 则联立式 ( 2 3 2 6 ) 可求得 PC , 代入式 ( 1 8 - 1 9 ) 可求解 出 e界 。当 , 时 , 受 压 区钢筋 屈服 , , 重新 带入式 ( 2 3 2 6 ) 町求得 , 代入式 ( 1 8 1 9 ) 可求解 出 e 2 。 = 缆 s 8 s X +Xr ( 1 ( 2 3 ) ( 2 4
21、) ( 2 5) L e , I =2 L o = 2 。 一 ( 2 6 ) 若 解 出 为负 数或无 解 ,说 明不存 在界 限情 况 和大偏心情况 , 受拉区钢筋受拉并不屈服 , 然后受 压 区钢筋就屈曲破坏了,此时只存在小偏心情况 , 即 受拉 区钢 筋 受 拉 不 屈 服 或 受 压 而受 压 区 钢 筋 屈 曲破坏所有的偏心距均按小偏心情况进行计算。 故 由以 卜 可 知 : 当 e P I ( 或 P 2 ) 时 , 即 , 受 拉 钢 筋屈 服 , 为大偏 心受压 。 一 52 6 卜 一一 一一1 土 柳 下 _I 丁 风 当 e e l ( 或 。抖2 ) 时 , 即 ,
22、受拉钢筋受拉 不屈 服或 受压 , 为小 偏心 受压 。 2 1锈蚀钢筋7 昆 凝土柱大偏心受压 e e ( 或 e ) 大 偏心 受 压柱 的破坏 属 受拉 破 坏 , 达 到 承 载 力 极 限状态时 , 受拉 区钢筋必受拉屈服 ; 受压 区钢筋 有可能发生屈 曲破坏 , 其应力主要 由屈 曲临界力和 屈服强度 中的最小值来控制 , 其承载力计算公式如 下 : = b + A ( 2 7 ) e = b ( 一 0 5 ) + A ( h o - a ) ( 2 8) or s = rai n ) ( 2 9) e = r ( e o + e ) + 0 5 h 一 ( 3 0) 2 -
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