28桥梁建设 2007年第1期
文章编号:1003-4722(2007)01-0028-04
大气环境下严重锈蚀钢筋混凝土
梁力学性能试验研究
沈德建1,2,吴胜兴2
(1.同济大学土木工程防灾国家重点实验室,上海200092;2.河海大学土木工程学院,江苏南京210098)
摘 要:大气环境中17根严重锈蚀钢筋混凝土梁试验表明,严重锈蚀梁的截面延性和刚度随着锈蚀率的增加而降低,在锈蚀率大致相同的情况下,Ⅱ级钢筋浇筑的梁的下降程度比Ⅰ级钢筋要大。Ⅰ级钢筋浇筑的梁锈蚀后存在明显的屈服点;Ⅱ级钢筋浇筑的梁锈蚀后屈服点不明显,因而可能发生脆性破坏。提出严重锈蚀钢筋混凝土梁承载能力的计算公式。
关键词:钢筋混凝土梁;锈蚀;力学性能;试验中图分类号:U445.73
文献标识码:A
ExperimentalStudyofMechanicalPropertiesofSeverelyCorroded
ReinforcedConcreteBeamsinAtmosphericEnvironment
SHENDe2jian1,2,WUSheng2xing2
(1.StateKeyLaboratoryforDisasterReductioninCivilEngineering,TongjiUniversity,Shanghai200092,China;2.CollegeofCivilEngineering,HohaiUniversity,Nanjing210098,China)
Abstract:Theexperimentalstudyof17piecesoftheseverelycorrodedreinforcedconcretebeamsinatmosphericenvironmentindicatesthattheductilityandrigidityofsectionsofthese2verelycorrodedbeamsdecreasewiththeincreaseofcorrosionratiosofthebeams.Undercondi2tionthatthecorrosionratiosarealmostidentical,thedecreasedegreesofthebeamslaidwithGradeIIreinforcementaregreaterthanthoseofthebeamswithGradeIreinforcement.ThebeamswithGradeIreinforcementhaveobviousyieldingpointsaftertheyhavebeencorrodedwhiletheyieldingpointsofthebeamswithGradeIIreinforcementinsimilarsituationsarenotobvious,thereforetheporentialbrittlefailureofthelatterbeamsmayoccur.Inthispaper,theexpressionsforcalculatingtheloadcarryingcapacityoftheseverelycorrodedbeamsareputforward.
Keywords:reinforcedconcretebeam;rustycorrosion;mechanicalproperty;experiment
1 概 述
现场拆除构件进行力学性能试验[3];采用数值模拟方法进行研究[4]。目前研究严重锈蚀梁的相关资料不多。由于管理方面的原因,桥梁容易出现严重锈
蚀的情况。桥梁加固时,通常是在除锈的基础上,采取重新浇筑保护层、粘钢、贴碳纤维等方法。因而桥梁本身剩余承载力的评估与计算就显得尤为重要。
不同环境下混凝土中钢筋的锈蚀机理和锈蚀构件承载能力下降程度不相同。大气环境钢筋锈蚀导
致工程结构使用寿命的缩短已越来越引起人们的重视[1]。研究锈蚀钢筋混凝土梁通常有以下方法:在短期内采用快速锈蚀试验方法模拟钢筋锈蚀[2];从
收稿日期:2006-06-29
(50079002)基金项目:国家自然科学基金资助项目“钢筋混凝土结构锈裂损伤的参数识别与系统仿真评估”
作者简介:沈德建(1979-),男,讲师,2000年毕业于河海大学建筑工程专业,工学学士,2003年毕业于河海大学结构工程专业,工学硕士,现为同济大学结构工程与防灾研究所博士研究生。
大气环境下严重锈蚀钢筋混凝土梁力学性能试验研究 沈德建,吴胜兴29
本文从现场取试件进行研究和分析,供类似结构在评估和加固时参考。2 试验概况
从现场取回41根钢筋锈蚀程度不同的梁,编号为L-1～L-41,有17根为严重锈蚀梁,本文介绍17根严重锈蚀梁的研究结果。严重锈蚀梁是指具备下列情况之一的梁:沿钢筋纵向的顺筋裂缝宽度大于1.5mm、混凝土保护层已隆起或脱落、钢筋直接裸露等。2.1 试验装置
梁在试验过程中发生斜截面破坏。经检测发现,箍
筋的锈蚀程度大于纵筋的锈蚀程度。因此,箍筋锈蚀引起的受剪承载力的下降要引起足够的重视。3.1 跨中截面弯矩与位移关系
根据梁中钢筋种类和加载点的不同,分别绘制梁的跨中截面弯矩～位移关系曲线,见图2。
由图2(a)可知,Ⅰ级钢筋浇筑的跨中纯弯段长度(lm)为600mm的5根梁在钢筋锈蚀后仍有明显的屈服点,但随着锈蚀率的增加,梁的屈服荷载存在明显的下降。锈蚀率较高的梁的弯矩与位移关系表现出一定的非线性,这主要是由于随着锈蚀率的增加,钢筋与混凝土之间粘结力降低,并且这种降低的程度随着加载时荷载的增加而增加,从而导致截面的折算刚度的减弱。
由Ⅱ级钢筋浇筑的跨中纯弯段长度为600mm的3根梁的跨中截面弯矩与位移关系见图2(b)。其中,L-25梁发生正截面破坏,其跨中极限位移较大,而L-26梁和L-33梁发生斜截面破坏,其极限位移只有L-25梁的1/2左右。 由Ⅱ级钢筋浇筑的跨中纯弯段长度为400mm的5根梁的跨中截面弯矩与位移关系见图2(e)。由图2(e)可知,随着锈蚀率的增加,弯矩～位移关系曲线的斜率逐渐减小,截面刚度亦随之减小。
由图2可知:当锈蚀率高于14%时,由Ⅰ级钢筋浇筑的梁受荷时不再具有明显的屈服点,截面仍具有一定的受弯延性,但相对于锈蚀率低于13%的梁来说,截面延性下降了40%左右。Ⅱ级钢筋浇筑的锈蚀梁受荷后,大部分不再有十分明显的屈服点,截面延性也不大。而且随着锈蚀率的增加,截面延性下降。在锈蚀率大致相同的情况下,由Ⅰ级钢筋浇筑的梁的截面延性比由Ⅱ级钢筋浇筑的梁要高。3.2 梁的承载能力分析
试验梁在钢筋锈蚀前后截面承载力计算结果见表2。
表2中,实测弯矩M2比理论弯矩M1低25%～65%。结合表1中的钢筋锈蚀率进行分析,Ⅰ级和Ⅱ级钢筋浇筑的锈蚀梁的承载能力下降程度大致是锈蚀率的3倍和4倍。
表2中,弯矩M3比M2高是因为M3没有考虑混凝土和锈蚀钢筋之间粘结能力的降低,亦即D2实质上反映了粘结力的降低。为区分Ⅰ级和Ⅱ级钢筋粘结力降低程度的不同,分别用系数kcⅠ和kcⅡ表示。考虑锈蚀钢筋粘结力下降、截面积的减小和屈服强度的降低,对规范公式考虑一定的修正,定量计
锈蚀梁采用倒置式加载,加载装置见图1。
图1 试验梁加载装置
2.2 试验梁的基本参数
受拉钢筋位于图1所示梁的上部。钢筋锈蚀率和力学性能的测量见文献[5]。混凝土的强度采用钻芯取样试验得到。根据梁外观破坏情况的不同,采取不同的加载点。试验梁的截面几何参数、配筋情况、加载点和钢筋锈蚀率见表1。
表1 锈蚀梁的基本参数
试件
编号
LLLLLLLLLLLLLLLLL-----------------2425262829303132333435363738394041宽度
mm8085838380787976767674777679788083高度
mm14014112712812512511090112951049612490130116123梁底配筋等级数量Ⅰ3<10Ⅱ3<10Ⅱ3<10Ⅰ3<10Ⅰ3<10Ⅰ3<10Ⅰ3<10Ⅱ3<10Ⅱ3<10Ⅱ3<10Ⅱ3<10Ⅱ3<10Ⅰ3<10Ⅰ3<10Ⅰ3<10Ⅱ3<10Ⅱ3<10lslm锈蚀率
%12.7
6.49.47.76.310.55.213.710.79.618.611.918.515.014.012.920.5mm400400400400400400400700400500500500500700700700500mm6006006006006006006000600400400400400000400 注:ls和lm分别代表加载点至支座之间的距离和2个加载点
之间的距离。
3 试验结果及分析
L-26、L-33、L-35、L-37和L-41共5根
30桥梁建设 2007年第1期
表2 梁锈蚀前后的承载力
试件编号
L-24L-25L-26L-28L-29L-30L-31L-32L-33L-34L-35L-36L-37L-38L-39L-40L-41
算锈蚀梁的承载能力,具体结果如下。
弯矩/kN・m
M1
M2
M3
D1/%D2/%
6.096.779.557.477.356.956.707.118.997.148.509.267.286.166.758.539.25
4.343.926.905.335.504.305.532.4.474.842.203.432.783.903.843.635.42
5.436.438.656.976.956.326.416.258.076.556.908.186.105.395.947.457.29
28.742.127.728.625.238.117.559.450.332.273.763.061.836.743.157.441.4
20.139.020.223.520.932.013.753.844.626.167.958.154.427.635.451.325.7
注:M1为用实测混凝土强度和假定钢筋没有锈蚀,采用实测的
截面尺寸计算的梁的截面抗弯承载力;M2为试验实测弯矩;M3为考虑钢筋面积的减小、屈服强度的降低以及截面几何尺寸的变化计算出来的弯矩;D1为弯矩M2相对于弯矩M1的降低程度(%);D2是弯矩M2相对于M3的降低程度(%)。
(1)Ⅰ级钢筋浇筑的混凝土梁严重锈蚀后承载
能力计算式。Ⅰ级钢筋的粘结力降低系数kcⅠ和钢筋锈蚀率ρws的关系见图3。
ρ图3 kcⅠ和ws关系
由图3可知,kcⅠ和ρws之间有十分显著的线性关系
Ⅰ
ρkc=2.86ws在文献[6]公式的基础上,考虑钢筋锈蚀的截面配筋率为
ρc=Asc/bch0
γ 钢筋锈蚀后截面的相对受压区高度和系数sc为
Ⅰ
ξc=ρcfyc/fcγξsc=1-0.5c
假定严重锈蚀钢筋混凝土简支梁仍符合平截面假定,因而用Ⅰ级钢筋浇筑的混凝土严重锈蚀梁的锈蚀后的承载能力计算式为
ⅠⅠⅠ
Mc=(1-kc)fycAscγsch0
图2 跨中截面弯矩与位移关系
式中,上标Ⅰ和下标c表示由Ⅰ级钢筋浇筑的锈蚀
大气环境下严重锈蚀钢筋混凝土梁力学性能试验研究 沈德建,吴胜兴31
梁,其余参数的意义与文献[6]中的规定相同。
(2)Ⅱ级钢筋浇筑的混凝土梁严重锈蚀后承载能力计算式。Ⅱ级钢筋粘结力降低系数kcⅡ和钢筋锈蚀率ρws的关系见图4。
位移呈现出明显的非线性关系。这主要是由于锈蚀
使钢筋与混凝土之间粘结能力削弱。
(3)锈蚀梁的截面延性随着锈蚀率的增加而降低。在锈蚀率大致相同的情况下,Ⅱ级钢筋浇筑的梁的截面延性下降程度比Ⅰ级钢筋的要大。Ⅱ级钢筋浇筑的梁的屈服点不是十分明显,因而其破坏型式可能是脆性破坏。(4)Ⅰ级钢筋和Ⅱ级钢筋浇筑的梁严重锈蚀后,其承载能力下降程度大致是锈蚀率的3倍和4倍左右。可利用规范公式,考虑一定的修正进行定量计算。
ρ图4 kcⅡ和ws关系由图4可知kcⅡ和ρws有十分显著的线性关系Ⅱρkc=4.09ws
则,用Ⅱ级钢筋浇筑的严重锈蚀混凝土简支梁
锈蚀后的承载能力计算式为
ⅡⅡⅡ
Mc=(1-kc)fycAscγsch0式中,上标Ⅱ和下标c表示Ⅱ级钢筋浇筑的锈蚀梁,
其他参数意义同文献[6]。4 结 论
(1)由于箍筋锈蚀引起的梁的受剪承载能力不
参 考 文 献:
[1] 沈德建.大气环境锈蚀钢筋混凝土梁试验研究(硕士
学位论文)[D].南京:河海大学,2003.
[2] 金伟良,赵羽习.锈蚀钢筋混凝土梁抗弯强度的试验
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[3] 范颖芳,周 晶.受氯化物腐蚀钢筋混凝土构件承载
力研究[J].工业建筑,2001,(3):3-5.
[4] 王庆霖,池永亮.锈蚀无粘结钢筋混凝土梁的模拟试验
与分析[J].建筑结构,2001,(4):51-54.
[5] 沈德建,吴胜兴.大气环境混凝土中锈蚀钢筋性能和
锈蚀模型试验研究[J].混凝土与水泥制品,2004,
(3):46-50.
[6] GB50010-2002,混凝土结构设计规范[S].
足将会使梁发生脆性破坏,这需要引起重视。
(2)当锈蚀率较高时,锈蚀梁跨中截面弯矩与(上接第27页)
大,而且比较复杂。
(3)在横桥向、顺桥向和竖向地震激励作用下,随着地基土刚度的增加,主拱和边拱肋上弦杆以及V形刚架靠边跨斜腿的轴力呈递减趋势;在横桥向地震激励下,V形刚架斜腿的面内最大弯矩随着地基土刚度的增加呈递减趋势;而在顺桥向地震激励下,V形刚架斜腿的面内最大弯矩随着地基刚度的增加呈递增趋势。
(4)在岩石、较硬土和较软土3种地基土情况下,横桥向位移时程曲线峰值相差不大,当土层较软时位移相对较小,说明当地基土较硬时桩-土-结构相互作用对主拱顶横向位移的影响不大;而在顺桥向地震激励下,地基土刚度与顺桥向位移大小变化规律性不强,但若不考虑桩-土-结构相互作用,即在岩石地基情况下,则顺桥向位移要比考虑桩-土-结构相互作用要大。
参 考 文 献:
[1] 谢 旭.桥梁结构地震响应分析与抗震设计[M].北
京:人民交通出版社,2005.
[2] 李 茜,王克海,韦 韩.高墩梁桥地震响应分析[J].
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[3] 王 浩,杨玉冬,李爱群,等.土-桩-结构相互作用对
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