负载锈蚀钢筋混凝土梁变形性能试验研究.pdf

水利水电技术第 4 4卷2 0 1 3年第9期 负载锈蚀钢筋 混凝土梁变形 性能试验研究 王 青 ，温婷 ，徐港 ，梁桂林 ( 1 中南大学 土木工程学院，湖南 长沙4 1 0 0 7 5 ；2 三峡大学 土木 与建筑学院，湖北 宜昌4 4 3 0 0 2 ) 摘 要 ：通过 对不同负荷 条件下锈 蚀梁 的承 栽力试验 ，探 讨 了持荷 大小与试件 内钢 筋锈 蚀程度 间 的关 系，分析 了钢筋锈蚀率大小对 混凝 土梁 变形性能的影响规律 。研 究结果表 明 ：负载作 用对钢 筋锈 蚀有促进作用 ；混凝土强度 的后期增 长能有效地弥补锈 蚀对 梁变形 造成的不利影响 ；混凝 土 强度相近 时，随钢 筋锈蚀程度增加 ，锈 蚀 梁跨 中挠度增 大 ，挠度计 算时应考虑粘 结性 能退化 引起 的 抗 弯 刚度 降低 的影 响 。 关键词 ：负载 ；锈蚀 ；钢筋混凝土梁；挠度 中图分类号 ：T V 3 3 2 1 2 文献标识码 ：A 文章编号 ：1 0 0 0 0 8 6 0 ( 2 0 1 3 ) 0 9 0 1 3 7 0 4 Ex pe r i me n t a l s t ud y o n d e f or m a t i o n pe r f o r m a nc e o f c o r r o d e d r e i nf or c e d c o nc r e t e be am un de r s us t a i ne d l o a d WA N G Q i n g 一 ， WE N T i n g ，X U G a n g ，L I A N G G u i l i n ( 1 S c h o o l o f C i v i l E n g i n e e ri n g ， C e n t r a l S o u t h U n i v e r s i t y ， C h a n g s h a 4 1 0 0 7 5 ，H u n a n ，C h i n a ； 2 C o l l e g e 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 h i n a T h r e e G o r g e s U n i v e r s i t y ， Y i c h a n g 4 4 3 0 0 2， H u b e i ，C h i n a ) Ab s t r a c t ：T h r o u g h t h e t e s t s o n t h e b e a ri n g c a p a c i t i e s o f c o rro d e d r e i n f o r c e d c o n c r e t e b e a ms u n d e r v a ri o u s l o a d i n g c o n d i t i o n s ， t h e r e l a t i o n s h i p b e t w e e n t h e s i z e o f s u s t a i n e d l o a d a n d t h e c o r r o d e d d e g r e e o f s t e e l r e i nfo r c e me n t i n t h e s p e c i me n h a s b e e n e x p l o r e d a n d t h e l a w o f t h e i mp a c t f r o m t h e c o r r o s i o n r a t i o o f t h e r e i nfo r c e me n t o n t h e d e f o r ma t i o n p e r f o r ma n c e o f t h e b e a ms h a s b e e n a n a l y z e d a s w e l 1 T h e r e s u l t s i n d i c a t e t h a t t h e l o a d h a s a p r o mo t i n g e f f e c t o n t h e c o r r o s i o n o f r e i nfo r c e me n t a n d t h e i n c r e a s e o f t h e c o n c r e t e s t r e n g t h d u ri n g t h e l a t e r p e ri o d c a n e f f e c t i v e l y ma k e u p t h e u nfa v o r a b l e i mp a c t fro m t h e c o r r o s i o n o n t h e d e f o rm a t i o n o f t h e b e a mWh e n t h e c o n c r e t e s t r e n g t h s o f t h e b e a ms a r e s i mi l a r ，t h e mi d s p a n d e fl e c t i o n s i n c r e a s e a l o n g wi t h t h e i n c r e a s e s o f t h e r e i nfo r c e me n t c o rro s i o n d e g r e e s T h e r e f o r e ，t h e i mp a c t fro m t h e d e c r e a s e o f t h e b e n d i n g r i g i d i t y c a u s e d b y t h e d e gra d a t i o n o f t h e b o n d i n g p e r f o r ma n c e mu s t b e c o n s i d e r e d d u r i n g c a l c u l a t i n g t h e d e fl e c t i o n c o n c e r n e d Ke y wo r d s ：s u s t a i n e d 1 o a d ；c o r r o s i o n；r e i n f o r c e d c o n c r e t e b e a m ；d e fl e c t i o n 钢筋锈蚀是导致混凝土结构性能耐久性不足的主 要原因，国内外学者对锈蚀钢筋构件抗力性能的退化 规律已进行 了一些研究 ，但 现有 的成果多集 中 在构件剩余承载能力评估方面，对锈蚀影响结构变形 性能的研究较少 ，尤其关于服役结构在长期荷载与锈 蚀共 同作用影响下变形性能劣化的规律研究更少 。为 此 ，本文通过对不 同负荷条件下 锈蚀梁 的承载力试 验 ，探讨了持荷大小 与试件 内钢筋锈蚀程度 间的关 系 ，分析了钢筋锈蚀率大小对混凝土梁变形性能的影 响规律 。 W a t e rRe s o u r c e s a n dHy d ro p o we rEn gin e e r i n g Vo 1 4 4No 9 1 试验方案 1 1 试件设计 试验 梁 尺 寸为 b x h x l =2 0 0 mm 3 5 0 1 11 1 1 X 收稿 日期 ：2 0 1 2 0 4 2 0 基金项 目：国家 自然科学基金资助项 目( 5 1 1 0 9 1 2 1 ) ；高速铁 路建造技 术 国家工程实验室开放基金 资助项 目；湖北省教 育厅 科学 研究计划重点项 目( D 2 0 0 9 1 3 1 0 ) ；三峡大学创新 科研基 金 资助( 2 0 1 1 C X 0 2 4 ) 。 作者简介：王青( 1 9 7 6 一) ，女，江苏无锡人，三峡大学副教授。 1 3 7 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 王青， 等负载锈蚀钢筋混凝土梁变形性能试验研究 2 5 6 7 5 7 0 0 6 7 5 25 Ii 2 1 O O 图 1 试件详图( 单位 ：m m) 2 1 0 0 mm，保护层厚度为 2 5 mm，配筋情况及尺寸详 见图 1 。混凝 土强度等级 为 C 3 0 ，为加快锈蚀 效率 ， 混凝土内掺人 占水泥质量 5 的 N a C 1 。 1 2 材料性能 试验材料 ：水泥采用三峡牌 P C 3 2 5复合硅酸 盐水泥 ，其各项指标均达 国家标准 ；石料采用卵石 ， 粒径 51 6 mi l l ，连 续级 配 ；砂 为河砂 ，细 度模 数 2 2 1 ，属 区级配 ；水用 自来 水 。混凝 土 配合 比： 水 ： 水泥 ： 砂 ： 石 = 0 4 1 ： 1 ： 1 1 3： 2 6 4 。 同期浇筑试验梁 4根 ，各梁在 2 8 d和加载试验 时伴随立方块抗压强度 值见表 1 ，纵向受力钢筋屈 服强度 = 3 8 0 MP a 。 表 1 混凝土抗压强度 强度 M P a 试件编号 -， = 2 8 Ll 41 3 4 7 2 3 8 7 4 6 8 I J3 3 8 3 5 0 6 L 4 3 8 3 5 9 6 1 3锈蚀方案 试件 锈蚀方 案 ，即在试 验梁 跨 中 1 3区段 内， 利用导线分别将 梁底纵 向受拉钢筋 和不锈钢 片 ( 埋 置在被质量 分数 为 3 N a C I 溶液 浸透 的海绵 中) 连 接在恒流 电源的正负极 上通电锈蚀。所有被锈蚀试 件通电时间相同 ，电流大小也相 同 ，均为 0 1 A( 见 表 2 ) 。 表 2 试验梁锈蚀方案 试件编号 通电电流 A 跨中弯矩 k N m L1 _ L 2 O 1 I 3 O 1 4 4 IA 0 1 5 4 1 4 加载方法 持荷锈蚀试件均采用砝码加载，持荷 时间为 1 2 年。锈蚀完成后进行承载力试验 时，4根梁均采用 四 点弯 曲方式加载( 见 图2 ) ，并在跨 中梁底和支座梁顶 1 3 8 架设位 移计 ，用 于测量 试件 挠 度 ，在试件纯弯段内侧粘贴 5个 等间距应变片用于采集随荷载增 加沿梁 高度方 向混凝 土 的应 变 值 。 2 试验现象和结果分析 2 1 试 验现 象 L 2、L 3及 L 4锈蚀完成后发现在跨 中梁底和侧面 均出现沿纵筋方向的锈胀裂缝 ，最大缝宽达 1 8 m m， 裂缝周 围有大量锈蚀产物流出，破型试件截取跨 中区 段钢筋清洗后发现表面为麻状 ，局部坑蚀明显 ，平均 锈蚀率和钢筋锈蚀后截面有效面积如表 3所列。承载 力试验结果表明，锈蚀梁仍发生的是正截面破坏 。 支座 图2 试件加载简图( 单位 ：mm) 2 2结果分析 2 2 1 负载对钢筋锈蚀的影响 通过表 3中 L 2、I J 3及 L 4三根梁钢筋的锈蚀率可 以看 出，在其他条件相同的情况下 ，持荷梁的钢筋锈 蚀率 比未持荷梁大 ，而且持荷 越大 ，锈蚀程度越 严 重 ，与文献 1 l1 2 所反映情况类似 ，说 明负荷程 度对钢筋锈蚀速 度有一定 的影 响 ，其主要原 因可能 是 ：( 1 ) 持荷条件下梁底处于受拉状态，将促进该区 域混凝土内部缺陷、微裂缝扩展 ，使得外界水分和氧 气更容易侵入 ，从而加速 了钢筋 的锈蚀 ；( 2 ) 梁底纵 筋在拉力与锈蚀耦合作用下为应力腐蚀 ，较无荷锈蚀 而言，不仅钢筋脱钝 时间会提 前 ，且锈蚀速度 也更 快。 表 3 钢筋平均锈蚀率及锈蚀后截面面积 梁编号 平均锈蚀率 锈蚀后截面面积 mm L l 2 9 0 3 0 4 8 9 l 2 6 8 5 2 9 2 4 9 L 3 8 3 3 2 8 7 8 4 I A 9 1 3 2 8 5 3 3 注 ：u 为对照梁 ，因混凝 土内掺有水泥质量 5 的 N a C 1 ，所 以虽 未通电也有一定的锈蚀 。 水利水电技术第 4 4卷2 0 1 3年第9期 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 旨 杰 迥 静 Z L1 迥 L2 L 3 静 L4 跨中挠度值 ram 跨中挠度值 r a m ( a ) 实测值 ( b ) 理论值 图 3 梁跨 中弯矩 挠度 关系曲线 2 2 2锈蚀对梁变形特性的影响 依各级荷载下记录挠度值 ，绘制各梁弯矩 挠度 关 系曲线如图 3 ( a ) 所示 ，可见在各级荷载下 ，诸梁 的挠度相差不大 ，L 4虽然锈蚀最严重 ，但其挠度不 仅没有增 加 ，反而是 四根梁 中最小 的。依锈损 后 的 钢筋面积 、实际尺寸 以及实测材料力学 性能 ，根据 下式 ( 1 )式 ( 4 ) 计算 出各 梁在 正常使 用极 限状 态 下弯矩与挠度 的变化 关 系曲线 如 图 3 ( b ) 所 示 ，可 见理论分 析结果与实测规律一致 ，即同级荷 载下 L 4 挠度最小 与 L 1接近 ，均大于 L 2和 L 3，详细 比对 四 根梁的差 异究其原 因这是 由于 L 4的混凝 土强度 最 高导致 的 ，进 一 步 比较 混凝 土强度 相 近 的 L 1 、L 2 和 I J 3的弯矩 挠度 关系 ，可知 随锈蚀 程度增 加梁挠 度增大。 = s ( 1 ) 曰 =鲁 ( 2 ) B = 0 8 5 E I o ( 梁开裂前 ) ( 3 ) B = _ _E 2 ( 梁 开 裂 前 ) ( 4 ) L l 5 + 0 2 + 秀 式中， 为系数 ，取 S= 0 1 2 5一 X 2 6 ，其 中 为荷载 作用点距近端支座距离与计算跨度之 比；B为试件的 长期刚度 ；0为考虑荷载长期作用对挠度增大的影 响 系数 ； B ，E ，A ，h 0 ， ， ，p和 的含义 同现 行 混凝土结构设计规范 。 综上 ，说明对于锈蚀钢筋混凝土梁的变形分析不 应忽略混凝土强度后期增长的有利影响，否则可能夸 大锈蚀的影响，而负荷历史对梁一次性加载变形的影 响甚微 。 比较诸梁理论与实测弯矩 挠度关 系曲线 ，可知 采用现行规范 1 3 公式计算可能会高估锈蚀梁刚度 ( 见图4 ) ，原因可能是由于锈蚀导致钢筋与混凝土 水利水电技术第4 4卷2 0 1 3年第9期 王青， 等负载锈蚀钢筋混凝土梁变形性能试验研究 间的粘结 性能 退化 引起 的，为 此 ，参考文 献 1 4 可通过 引入 抗弯刚度退化 系数 叩 对短 期刚 度进行 修 正 ，对 锈蚀 梁 变形 性 能进行评估 ，即 B E, A ,h 2 o ( 5 ) m 2 + 赢 叼 ， = 。 XA ； A： 0 5 d ( 1 一 ) r l 0 ( 0 A 0 1 ) 叼 = ? ( 3 7 7 A ) 3( 0 1 A 0 2 5 ) 【 0 6 5 ( o 2 5 A ) 式中，A 叼 、A 分别为第 i 根钢筋锈损后 的剩余截 面面积 、钢筋锈蚀使粘结力下降引起 的梁刚度退化系 数和钢筋的锈蚀深度 ( m i l 1 ) ；6 、d分别为截面平均损 失率和钢筋直径 。 依 【 2实测参数 ，代人式 ( 1 ) 、式( 2 ) 、式 ( 3 ) 和 式 ( 5 ) 计算可得修正后的弯矩挠度关系 曲线如图 4所 示 ，说明考虑刚度退化系数 ，对评估锈蚀梁的变形性 能具有更高的保证率 ，应予以考虑 。 拿 Z 、 坦 静 3 结论 2 3 4 5 6 7 8 9 跨中挠度值 mm L 2梁跨中弯矩挠度 曲线对比 本文通过试验研究了不同锈蚀程度和持荷水平对 钢筋混凝土梁变形性能的影响，探究了负载及通电锈 蚀作用下钢筋混凝土梁挠度的变化规律 ，并得到如下 结论 ：( 1 ) 在相同侵蚀环境下 ，负载越大，混凝土梁 内钢筋的锈蚀率越大 ；( 2 ) 当混凝土强度相近时，随 钢筋锈蚀程度增大 ，混凝土梁挠度会有所增加 ；( 3 ) 混凝土后期强度的提高能有效地弥补钢筋锈蚀对梁变 形的不利影响 ；( 4 ) 考虑锈蚀造成粘结性能退化对梁 抗弯刚度 的影响 ，有助于提高锈蚀钢筋混凝土梁挠度 1 3 9 4 图 O 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 王青， 等负载锈蚀钢筋混凝土梁变形性能试验研究 计算 的保证率 。 参考文献 ： 吴庆 ，袁迎曙 ，李洁勇 人 工气候环境下锈蚀混凝土梁 的结构 性能 退化研 究 J 中 国矿 业大 学学报 ，2 0 0 7 ，3 6 ( 4) ：4 4 1 4 4 5 陶云来 ， 王红伟 钢筋混凝土梁的抗 弯性能实验研究 J 水运 工程 ，2 0 0 6 ( 1 1 ) ：2 0 2 4 惠云玲 ，李 荣，林 志伸 ，等 混凝 土基本构件钢筋锈蚀前 后性 能试验研究 J 工业建筑 ，1 9 9 7，2 7 ( 6 )：1 4 1 9 吴庆 ， 章鑫 森 通 电锈蚀 钢筋 砼梁 结构性 能退 化 的试 验研 究 J 安徽理工大学学报(自然科学版)，2 0 0 4 ，2 4 ( 4 ) ：1 6 1 9 陈晓晨 局部锈蚀钢筋混凝 土梁抗弯承 载力的分析研 究 D 上海交通大学 ，2 0 0 7 李 白超 锈蚀钢筋混凝土构件性 能退化及承载力研究 D 同 济大学，2 0 0 6 王青 ，徐港 ，黄淳莹 锈蚀钢筋混凝 土梁正截面承载力计算探 讨 J 四川建筑科学研究 ，2 0 0 8 ，3 4 ( 2 )： 1 0 1 - 1 0 3 8 9 1 0 1 2 1 3 1 4 毕继红 ，张华 ，任洪鹏 混凝土保护层锈胀裂缝扩展 的仿 真分 析 J 峡大学学报 ( 自然科学报 ) ，2 0 1 1，3 3 ( 5 ) ： 4 1 4 5 ZHANG R J，CAS T EL A，F RANCOI S RT h e c o r r o s i o n p a t t e r n o f r e i n f o r c e me n t a n d i t s i n fl u e n c e o n s e r v i c e a b i l i t y o f r e i n f o r c e d c o n c r e t e me mb e r s i n c h l o ri d e e n v i r o n m e n t J C e m C o n c r e t e R e s ， 2 0 0 9 ，3 9 ( 1 1 ) ：1 0 7 7 1 0 8 6 Wa n g Q i n g ，X u G a n g ，L i a n g G u i l i n ，e t a 1 R e s e a r c h o n b e n d i n g r e s i s t a n c e o f c o rr o d e d R C b e a m s f J A d v a n c e d Ma t e r i a l s R e s e a r c h 2 0 1 0 ( 1 2 )：3 2 9 0 3 2 9 6 易伟建 ，赵新 持续荷 载作用下锈蚀钢筋对混凝土梁工作性 能 的影响 J 土木工程学报，2 0 0 6 ， 3 9 ( 1 ) ： 7 1 2 何 世钦 ，贡金鑫 负载钢筋混凝土梁钢筋锈蚀 及使用性能试验 研究 J 东 南大学 学报 (自然科 学版 ) ，2 0 0 4，3 4( 4) ：4 7 4 47 9 G B 5 0 0 1 0 -2 0 1 0 ，混凝 土结构设计规范 s 孙彬 ，牛荻 涛，王庆霖 锈蚀钢筋混凝土梁抗 弯刚度分析 与计 算 J 建筑结构， 2 0 0 4 ，3 4 ( 1 0 ) ： 4 2 4 5 ( 责任编辑陈小敏 ) ( 上接 第 1 3 6页) 比降。 5结论 ( 1 ) 正 阳关至峡山 口段河道河势复杂 ，河宽及深 泓高程沿程变化较大 ，但是 2 0 0 2年 以后鲁 台子水 文 测站断面相对稳定 ；鲁台子站径流量在长时间内基本 保持稳定 ，输沙量和含沙量呈逐年减少趋势 ；河道滩 槽整体表现为冲刷状态 。 ( 2 ) 根据该段河道的特点 ，开展淮河干流涧沟 口 至峡山口段河工模型和二维水动力数学模型研究 ，并 采用 2 0 0 3 、2 0 0 5 、2 0 0 7年的实测洪水资料对模型进 行率定和验证。结果 表明 ，计算值 和实测值 吻合较 好 ，可以用于该段河道整治方案的模拟。 ( 3 ) 规划整治工 程实施 后 ，可 以有效 降低淮 河 干流水位 ，并满足防洪规划要求 ；淮河 干流总来 流 8 5 0 0 m s 时 ，需要开启一个行洪 区，开启董峰湖行 洪区 ，对降低整个河段水位效果更佳。 参考文献 ： 2 3 4 1 4 0 刘福 田，辜兵 ，等 淮河干流正 阳关 一峡 山口段行洪 区调整 和 建设工程可行性研究报告 R 合肥 ：安徽省水利水电勘测设 计院 ，2 0 1 1 虞邦 义，杨兴菊 淮河 中游河道形态 与河相 关系 R 蚌 埠 ： 水利部 淮河水利委员会水利科学研 究院，2 0 0 9 杨兴菊，虞邦义 淮河中游洪河口至浮山河段纵剖面演变分析 J 水利水电技术 ，2 0 0 9( 7 ) ：1 0 7 - 1 1 0 杨兴菊，虞邦义 淮河中游河道近期河床演变分析 J 水利 5 6 【 7 8 9 1 0 水电技术 ，2 0 1 1 ，4 2 ( 8 ) ：4 9 5 3 虞邦义 ，杨兴菊 ，等 淮河干流正阳关 至峡 山口段行洪 区调整 和建设工程河工模 型试验研究报告 R 蚌埠 ：水利部淮 河水 利委员会水利科学研究 院，2 0 1 1 Da n i s h Hy d r a u l i c I n s t i t u t e MI KE 2 1 F lo w mo d e l F M Hy d r o d y na mi c Mod - u l e U s e r G u i d e Ma n u a l R D e n m a r k ：D a n i s h H y dra u l i c I n s t i t u t e ， 2 0 O 9 S ma g o r i n s k y Ge n e r a l Ci r c u l a t i o n Ex p e ri me n t wi t h P r i mi t i v e Eq u a t io n s J Mo n t h l y We a t h e r R e v i e w，1 9 6 3 ，9 1 ：9 9 1 6 4 虞邦义，倪晋，杨兴菊，等 淮河干流浮山至洪泽湖出口段水 动力数学模型研究 J 水 利水 电技 术，2 0 1 1 ，4 2 ( 8 ) ：3 8 4 2 虞邦义，郁玉锁 淮河干流鲁台子至吴家渡河段输沙平衡分析 J 南昌大学学报 ( 工科版) ，2 0 0 9，3 1 ( 2 ) ：1 6 2 1 6 6 虞邦义，赵凯，杨兴菊 淮河中游蚌埠闸至老子山段断面法冲 淤变化分析 J 南 昌大学学报( 1丁科 版 ) ，2 0 0 9 ，3 1 ( 3 ) ：2 5 6 2 5 9 ( 责任编辑郭利娜) 水利水电技术第 4 4卷2 0 1 3年第9期 l 1 i 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m