锈蚀钢筋与混凝土粘结应力模型研究.pdf
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1、第 2 9卷第 1期 2 0 0 8年 2月 建筑结构学报 J o u r n a l o f Bu i l d i n g S t r u c t u r e s Vo 1 2 9, No 1 F e b2 o o8 文章编号 : 1 0 0 0 - 6 8 6 9 ( 2 0 0 8 ) 0 1 -01 1 2 - 0 5 锈蚀钢筋与混凝 土粘 结应 力模 型研 究 卫 军 ,徐 港 ,王 青 ( 1 中南大学 土木建筑学院 , 湖南长沙 4 1 0 0 7 5 ; 2 三峡大学 土木水 电学院 , 湖北宜 昌 4 4 3 0 0 2 ) 摘要 : 研究 了混凝土保护层胀裂时及胀裂前锈蚀对
2、无横向约束光圆钢筋混凝 土试件粘结性能 的影响机理。应用弹性力学 理论 , 建立 了锈胀力计算模型 , 推导出了保护层胀裂时刻钢筋锈蚀深度 的计算表达式 ; 结合 已有研究成果 , 建立 了钢筋表面 摩擦系数计算公式 ; 在综合考虑锈胀力作用及钢筋表面状况变化对粘结强度影响的基础上 , 提出了光圆钢筋粘结应力计 算 模型 , 并通过多个试验结果对理论模型进行 了验证 , 结果表明计算值与试验值吻合 良好 , 从 而定量阐明了保护 层锈胀裂前 光圆钢筋粘结应力随锈胀力增长及钢筋表面摩擦系数增大而增长的内在机理。 关键词 : 混凝土保护层; 光 圆钢筋 ; 锈胀力 ; 粘结应力 中图分类号 : T
3、 U 3 7 5 T U 3 1 7 3 文献标识码 : A B o n d s t r e n g t h mo d e l i n g f o r c o r r o d e d r e i n f o r c i n g b a r i n c o n c r e t e WEI J u n ,X U G a n g ,WAN G Qi n g 2 , ( 1 S c h o o l o f C i v i l E n g i n e e ri n g a n d A r c h i t e c t u r e ,C e n t r a l S o u t h U n i v e r s
4、 i t y ,C h a n g s h a 4 1 0 0 7 5,C h i n a ; 2 C o l l e g e o f C i v i l a n d H y d r o e l e c t ri c E n g i n e e ri n g ,C h i n a T h r e e G o r g e s Un i v e r s i t y , Yi c h a n g 4 4 3 0 0 2,C h i n a ) Abs t r a c t :T h e e f f e c t o f c o r r o s i o n o n t h e b o n d b e t
5、we e n c o n c r e t e a nd p l a i n b a r r e i n f o r c e me n t wi t h o u t s t i r r u p s i S s t u d i e d d u rin g c o v e r c r a c k i n g a n d b e f o r e c o v e r c r a c k i n g A n e w an aly t i c a l mo de l o f s p l i t t i n g s t r e s s e s i S for mu l a t e d b a s e d o
6、n me c h a n i c s o f e l a s t i c i t y T h e n t h e c rit i c al a t t a c k p e n e t r a t i o n d e p t h o f r e i nfo r c i n g b ar a t t h e t i me o f c o v e r c r a c k i n g wa s c a l c u l a t e d Ba s e d o n t h e e x i s t i n g r e s e arc h f r u i t s ,a n e x p l i c i t f u
7、 n c t i o n e x p r e s s i o n f o r t h e f r i c t i o n f a c t o r b e t we e n s t e e l b a r a n d c o n c r e t e wa s p r o v i d e d Wi t h t h e e f f e c t s o f d e t e rio r a t i o n o f b a r s u r f a c e a n d i n c r e a s e o f s p l i t t i n g s t r e s s e s o n b o n d s t
8、r e n g t h t a k e n i u t o c o n s i d e r a t i o na mo d e l wa s p r o p o s e d t o c a l c u l a t e t h e b o n d s t r e n g t h d u rin g c o v e r c r a c k i n g a n d b e f o r e c o v e r c r a c k i n g T i l e t h e o r e t i c al r e s u l t s we r e c o mp are d wi t h e x pe rime
9、 n t al r e s u l t s ,s h o wi n g g o o d a g r e e me n t T h e me c h a n i s m o f i n c r e a s e i n b o n d s t r e n g t h wa s a n a l y z e d q u a n t i t a t i v e l y f r o m t h e i n c r e a s e o f b o t h f r i c t i o n f a c t o r a n d s p l i t t i n g s t r e s s e s Ke y wo r
10、 d s :c o n c r e t e c o v e r ;p l a i n b ar r e i nfo r c e me n t ;s p l i t t i n g s t r e s s e s;b o n d s t r e n gth 0 引言 钢筋腐蚀是影响混凝土结 构耐久性 的最主要 因素 , 与之相关 的研究吸引了国内外 众多学者 , 研究 的 内容涉 及材料 、 构件 和结构等 不同层 次 , 其 中锈蚀 后 的钢筋 与 混凝土粘结性能尤其 为人们所 关心 , 因为可靠 的粘结是 保证混凝土结 构安 全的前 提。虽然 目前大 家对此 已有 定性的共识 , 但定量反映
11、钢筋锈蚀 量对粘结强 度影响 的 研究并不充分 , 且 基本都 是根 据试验 数据拟 合得 到 的 , 仅少 数 学者 建 立 了具 有 力 学 意义 的计 算 模 型 , 如 C o r o n e l l i 将混凝土保 护层看作 梁模 型 , 锈 胀 力作 为梁 上均布荷载 , 周围混凝土产 生的约束 或箍筋 的肋作为 简 支支座 , 建立了锈胀力与粘结强度 的分析模 型 ; 王小 惠 、 刘西拉 考虑锈 胀力及 钢 筋与混 凝土 界面 特性 随锈蚀 程度 的变化 , 建立了无箍筋锈蚀钢筋 混凝土试 件 的粘 结 应力计算模型 。但这些模 型均是针 对变形钢 筋提 出的 , 鉴于 目前仍
12、有 为数众 多 的在役 旧建筑 采用 光 圆钢筋 作 为受力筋 , 建立光圆钢筋与混凝土界 面粘结 强度计算模 型 十分必要。 本文从钢筋的表面状况 变化及 锈胀力产 生人手 , 分 基金项目: 国家 自然科学基金资助项 目( 5 0 2 7 8 0 3 9, 5 0 7 8 0 6 8, 5 0 5 3 8 0 7 0 ) 。 作者简介: 卫军( 1 9 5 7 一) , 男, 河南新乡人, 工学博士 , 教授。 收稿 日期 : 2 0 0 6年 2月 1 1 2 维普资讯 http:/ 析了保护层 开裂前 锈蚀 对无横 向约束光 圆钢 筋混 凝 土 试件粘结性 能的影 响。首 先基于力学
13、原理 , 提 出了保护 层胀 裂前和胀 裂 时刻 的钢筋锈 蚀 深度及 锈胀 力计 算公 式 ; 再结 合 已有 研究成 果 , 给 出 了钢筋 表 面摩擦 系数计 算公式 ; 在此基 础上 , 建 立 了锈 蚀光 圆钢筋 粘结应 力计 算模型, 并通过多个试验结果验证表明计算值与试验值 吻合良好, 所建的计算模型具有较强的适用性。 当保护层胀 裂 以后 , 由于混 凝 土完全 开裂 , 锈 蚀产 物特性受 时 间、 环境等 因素 的影 响 显著 , 裂 缝发展 形式 等不确定因素增 多。限于文 章篇幅 , 本 文暂不讨论 此 阶 段的问题。 1 保护层锈胀裂分析 1 1 钢筋锈蚀深度与锈层厚
14、度的关系 混凝 土 构 件 中钢 筋 与 混 凝 土 交 界 面 是 有 空 隙 的 , 因此 钢筋 受腐 后生 成 的锈蚀 物 首先 将对 其进 行 填充 , 而后 才会产 生锈胀 力 , 同时 当混凝 土内界面被 胀 裂后 , 锈蚀物 又会 流人胀 裂缝 中。所 以 , 产 生锈 胀力 的 有效锈蚀层 的厚度 ( , )可通 过图 1中关 系推导得 出。 图 1中 I 区为锈后 钢筋 , I I区为锈蚀 层 , I I I 区 为混 凝土保护层 中已胀 裂部 分, I V区为保护 层未 胀裂部 分 。 为锈 后钢筋净半径 ; R 。 为钢筋 原半径 ; R 为钢筋 中心 到保护层 内壁 的
15、距离 ; d:R 一 R 。 为钢筋与混凝土交界 面( 内壁 ) 空隙区宽度 ; R 为锈后 钢筋 总半径 ( 包含 锈蚀 层 ) ; R 为钢筋 中心到混凝土胀裂缝最前端距离 , 即开裂 混凝土半径 ; R 为钢筋 中心到构件混凝土保 护层 表面的 距离 图 1 锈蚀 开裂模型 Fi g 1 Co r r o s i on c r a c k i n g mo d e l 首先由图 1 可计算 出钢筋 的总锈损 量 ( 取单 位长度 计算 ) A E =1 T ( R 一 ), 如设 锈蚀产 物 的膨胀 率为 n ( 锈蚀产物与原被锈材料 的体积 比) , 则铁 锈增 加的体积 量为 : A
16、 V r =( 1 l 一 1 ) = , + + , 其 中有 AV , 的锈 蚀物填充 到交界 面空 隙区 , 的锈蚀物 产生锈胀 力 , 的锈蚀物渗透到胀裂缝 中。利用 图 1 所 示关 系 易知: A V =叮 T ( 一 ) , =叮 T ( : ) , 而 由 文献 5 得 : A V 3:叮 T ( 一 ) ( i )。综 上 , 有式 ( 1 ) 成立。 = 耵 ( ; 一 R ) +耵 ( : 一 R j )+ 1 T ( 一 ) ( R 一 , ) = ( n一1 ) 叮 T ( R 一R : ) ( 1 ) 化简式 ( 1 ) 并设 :R o R , 为钢筋锈蚀深度 ;
17、设 = R 一R , 为有效锈蚀层厚度 , 则 有式( 2 ) 成立 。 : 等 ( 2 ) 一 z ) 1 2混凝土的变 形 对于图 1中的混凝 土部分 , 设保 护层完全开 裂前锈 胀力引起的径向位移仍可用弹性力学求解厚壁圆筒位 移 的方法进行分析 。 据经典弹性理论 可知 , 环状 受力 的轴对称物体 的应 力和位移计算方程为 , : +2c; 8: 一 A +2C;T r O: T O r: 0 ( 3 ) M , = 一 ( 1 + ) 争 + 2 C ( 1 一 r ; M : 0 ( 4) 式 中, , 、 分别为受力物体 径向、 环 向和剪切应力 ; 为材料泊松 比; E为材料
18、弹性模量 ; r x 分别为径向、 环向位移 ; A 、 C为系数 。 对于图 2所 示 的混凝 土保护 层受 力情 况满 足如 下 边界条件 : 当 r :R 时 , , =0 ; 当 r=R 时 , : 。 据 此 , 由方程 ( 3 ) 、 ( 4 ) 便 可求得 混凝 土的径 向位移 , = 譬 + ) r i i 雨+ j 当 r:R , 得交界 面处混凝 土的径 向位移为 = 警 + ) ( 6 ) 图 2 混凝土受力示 意图 Fi g 2 P r e s s u r e o n s u r r o un d i n g c o n c r e t e 1 3钢筋锈蚀深度及锈 胀力
19、计 算 对 于铁锈 的力 学性 能 , 目前 还没 有统 一 的认识 , 过 去不少学者在分析相关问题时把锈蚀物按弹性或等效 弹性材料 来考 虑 。但 P e t r e L a z a r 和 G e r ar d利 用划 痕试 验法对锈蚀物的力学性能进行试 验研究 表 明, 其实在钢 筋与混凝土界 面间生 成 的铁锈 是一 种非粘 性不 可压缩 1 1 3 维普资讯 http:/ 晶体的组合体 。据此 , 则 由式 ( 2 ) 计算 出的有 效锈 蚀 层厚度 应等于 由式 ( 6 ) 求得 的混凝 土径 向位 移 ,即 有式( 7 ) 成立 。 ( n一1 ) ( 2 R 0 )一d (
20、2 n 0+d ) 尺i+尺0+d 尺 d f ( 尺 R d ) +1 ( 尺 d ) 。 一1 1 , 1 、 E l ( 尺 R i ) +1 。 ( R R ,) +1 J 分析式 ( 7 ) 可知 , 对于具体问题 , 当钢筋和混凝 土的 材料、 几何参数 已知时 , 如果 R i 、 d和 n 能确定 , 就可求得 钢筋锈蚀深度 。 保护层胀裂时刻的钢筋锈 蚀深度 常常是人们最 关心的问题, 其值显然可通过式( 7 ) 得到。但此时尺 的 取值 , 按不 同的理论有不 同的取法 。如按 T e p f e r s 基于弹 性理论且认为开 裂部分 混凝 土环 向拉 应力 为零 的方法
21、 分析 , 应取 R i:0 4 8 6 R ; 如按保护层胀裂时 , 混凝 土 完全进入塑性状态 , 混凝土 环 向拉 应力 均为 考 虑 , 则 Rj= R 。 7 3; 另外 , 还有一些其它的方法 , 对开裂部分 混凝土应力 并不取 为零或 , 而是利用混凝土受拉应力 应变本构关系计算不 同裂缝宽度 时相应 的应力 , 再通过 力 的平衡建 立方程 , 计算锈胀力 及 尺 ; 。试验表 明第一种 方法偏于保守 , 第二种方法 由于过 高估 计混凝 土的性能 偏不安全, 第三种方法较精确但计算复杂。假设开裂部 分混凝土的裂缝 为弥散分布 , 同时 考虑到保护层 完全胀 裂前裂缝越靠近钢筋
22、越宽, 即相应 的环向拉应力也越 小 , 所以设该 区环 向应 力 服从 如 图 3所示 的三 角形 分 布 , 即裂缝始端混凝土的环 向应力 为零 , 而末端为 , 从 而根据力的平衡有式 ( 8 ) 成 立。 P i Ri + ( 尺i 一尺d ) 2:p Rd ( 8 ) 式中 , P 可 由图 1中保护 层 尚未 开裂部 分 ( I V区 ) 受力 2 一 2 分 析 得 到 , 即 设 r : R , 由 式 ( 3 ) 求 出 : P - = 素; 9 为 锈胀力 。 【 1 4 图 3 保护层开裂部分受力示意图 F i g 3 P r e s s u r e o n c r a
23、c k e d p a r t o f c o v e r 将 P i 表达式代入式 ( 8 ) 并整理后可得锈胀力 P p = 惫 c 籀 , 为了求得 P的极 值 , 将上式对 尺 求导 , 显然 尺 i 应满 足 尺 a尺 R 的条件 , 使 0得 R =0 6 8 1 R ( 1 0 ) 即当径 向裂缝 的半径满足式 ( 1 0 ) 时 , 筒壁承受 的内 压力 P达最大值 。如 内部径 向裂缝的开展超过这 个深度 时 , 未开 裂筒壁混 凝土 已达其最 大承载 能力 , 劈 裂将立 即贯 穿整个保 护层厚 度到达构 件表 面 。将 式 ( 1 0) 代 入式 ( 9 ) 得最大锈胀
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