銹蝕鋼筋混凝土梁的承載力

1、銹蝕鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)承載力摘要：本論文主要是研究和討論在既成的方法下，對銹蝕混凝土梁的展開研究。通過向混凝土梁環(huán)境中添加氯化鈣以及密度為的電流，這種功效相當(dāng)于在高強(qiáng)度腐蝕混凝土結(jié)構(gòu)中測得腐蝕電流的十倍。據(jù)研究表明，梁結(jié)構(gòu)在使用期間，鋼筋銹蝕既加大了其變形也增大裂縫寬度。同時，鋼筋銹蝕降低了構(gòu)件極限承載力。除此之外，隨著配筋比的不同，鋼筋銹蝕也改變了混凝土梁的破壞模式。本實(shí)驗(yàn)中測試的梁有彎曲破壞，剪切破壞等其它模式。測試梁試驗(yàn)表明，由于鋼筋的銹蝕，混凝土表面的點(diǎn)蝕以及裂縫的開展已經(jīng)成為試驗(yàn)中最為相關(guān)的危害。綜合考慮由于鋼筋的銹蝕，混凝土截面以及鋼筋截面都會消減，通過RC模型可以計(jì)算出梁的極限彎矩值

2、以及極限剪切力承載值。關(guān)鍵詞：銹蝕；混凝土；承載力簡介鋼筋的銹蝕是造成混凝土結(jié)構(gòu)早期惡化，減小使用壽命的主要因素之一。由于混凝土表面的碳化作用或者是氯化物的侵蝕，侵蝕劑到達(dá)鋼筋表面，鋼筋的銹蝕可能對下列因素產(chǎn)生影響：鋼筋，鋼筋截面的消減以及力學(xué)特性的變?nèi)趸炷粒P蝕產(chǎn)物的膨脹導(dǎo)致混凝土表面產(chǎn)生裂縫鋼筋混凝土組合結(jié)構(gòu)，其粘結(jié)性能退化同樣，混凝土結(jié)構(gòu)地安全性和適用性也受到了很大的影響。由于大量的惡化混凝土結(jié)構(gòu)的存在，什么時候修理？怎樣修理？這些問題都必須尋找緊急的解決方案。然而，對于結(jié)構(gòu)地評估卻缺少大量的模型。對于這個主題，于1992年制定的Brite/Euram BE4062計(jì)劃正式實(shí)施，用來評

3、估鋼筋銹蝕、凍融、堿硅反應(yīng)對混凝土結(jié)構(gòu)影響的模型均已經(jīng)建好。實(shí)驗(yàn)工作研究的目的通過大量的試驗(yàn)研究工作，銹蝕鋼筋對混凝土結(jié)構(gòu)的影響在Brite/Euram計(jì)劃中已經(jīng)被評估出來。銹蝕對于混凝土裂縫開展以及粘結(jié)力的退化在前面的很多論文中發(fā)表過，這里就不在詳細(xì)討論。第一步，對31根梁采取不同的變量如下：銹蝕等級：對無銹蝕以及不同程度銹蝕鋼筋的混凝土梁進(jìn)行測試。詳盡的配筋圖：對不同配筋的梁進(jìn)行測試，需要考慮下面這些因素： 張拉鋼筋的配筋率：由于粘結(jié)力的退化，隨著組合作用的降低，混凝土梁的荷載承載力降低以及變形增大，這些影響取決于張拉鋼筋的配筋率。 受壓區(qū)配筋率：抗壓鋼筋的增加，使得混凝土受壓錨固端截面減

4、少，就加大了混凝土開裂的危險(xiǎn)，其同樣也影響混凝土的承載力。 剪力筋：抗剪鋼筋影響張拉鋼筋與混凝土的粘結(jié)退化，影響梁受壓區(qū)混凝土產(chǎn)生裂縫的風(fēng)險(xiǎn)以及混凝土梁的破壞模式。 鋼筋的消減：當(dāng)張拉筋錨固于支撐區(qū)，支撐端有很大的局限。相反，這種局限性在錨固區(qū)外不予以考慮。因此錨固損失是可能發(fā)生的。鋼筋銹蝕與承載力之間的內(nèi)在聯(lián)系：在大多數(shù)測試梁中，當(dāng)梁還沒有開始加載時，就已經(jīng)有銹蝕發(fā)生。本實(shí)驗(yàn)的第二步，為了探究銹蝕筋與承載力間的關(guān)系，對于不同10根梁的研究，已經(jīng)取得了一定的成果，但該成果在本對文中沒有表達(dá)出來。關(guān)于梁的介紹保證試驗(yàn)的充分進(jìn)行，本文采用了6種不同類型的梁，從澆筑，銹蝕以及銹蝕測試。除了第一種類型

5、梁的尺寸是2050×200×150mm外，其他類型的梁均是2300×200×150mm。這些梁的特性在表1與圖1中均顯現(xiàn)出來，第一種類型的梁準(zhǔn)備用來做加速銹蝕試驗(yàn)以及承載力試驗(yàn)。通過梁的類型的不同，能夠研究不同類型對于混凝土梁表現(xiàn)差異，比如： 第一類型的梁僅底部鋼筋銹蝕，而其他類型的梁縱向鋼筋和剪力筋均銹蝕。 型號11與12的梁有不同的張拉筋配筋率（分別為0.52%、1.51%）。 12號梁與21號梁有不同的受壓區(qū)配筋率（分別為0.33%、0.66%）。 21號梁與31號梁的剪力筋有不同的間距（分別為170mm、85mm）。12號梁與13號梁有相同的配筋

6、率，但13號梁50%的張拉鋼筋位于錨固區(qū)外。表1 混凝土梁的特性梁混凝土鋼筋類型單元類型抗壓強(qiáng)度（*）張拉筋抗壓筋箍筋11（+）42212286/15cm112150210286/17cm4234210286/17cm122148412286/17cm4235412286/17cm132152212+212(-)286/17cm4237212+212(-)286/17cm212150412486/17cm4235412486/17cm312149412486/8.5cm4237412486/8.5cm表2總結(jié)了由硅質(zhì)沙、石灰?guī)r等粗骨料混合組成的混凝土。需要指出的是粗骨料的含水量都還不清楚，因此

7、，混凝土中總的含水量不是準(zhǔn)確的清楚。為了加速鋼筋的銹蝕，（占水泥重量的3%）被加入在類型2混凝土中的水溶液中（表2）。表2 混凝土組合比混凝土12混凝土型號（kg/）350350粗骨料6/12mm（kg/）970970細(xì)骨料6/12mm（kg/）860860含水量（kg/）增塑劑HP1（kg/）1.751.75（kg/）10.5坍塌量cm5812118加速銹蝕系統(tǒng)梁從澆筑到加工處理需要28天，在室內(nèi)環(huán)境內(nèi)提供一個水利系統(tǒng)保證梁處于潮濕的環(huán)境。從而，加速腐蝕過程便開始，向梁中添加。為了達(dá)到所需要的銹蝕程度，一般需要100200天。圖2給出了測試銹蝕程序的需要安排，鋼筋必須必須能承受密度為100強(qiáng)

8、度的電流，通過不銹鋼反電極施加在混凝土表面，當(dāng)前的強(qiáng)度值相當(dāng)于10倍在高強(qiáng)度銹蝕混凝土結(jié)構(gòu)中測得的銹蝕電流。當(dāng)銹蝕開始一直達(dá)到計(jì)劃預(yù)定的銹蝕程度，每個兩種便都呈現(xiàn)出詳細(xì)的裂縫構(gòu)造圖，圖3給出了214號梁的裂縫圖，表3給出了每個梁加速腐蝕的時間以及寢室破壞后鋼筋半徑的減少量。評估滲透程度采用的是計(jì)重法，稱得鋼筋銹蝕前后的重量，洗凈銹蝕產(chǎn)物后，加載直到梁破壞、混凝土產(chǎn)生變形，那么最大值便可以通過幾何量在點(diǎn)蝕鋼筋上測得。圖2 加速銹蝕安排計(jì)劃圖3型號214梁中由銹蝕引起的混凝土開裂圖表3 加快腐蝕結(jié)果圖荷載測試鋼筋銹蝕后，梁體經(jīng)過測試一直到加載破壞，圖4給出了不同于型號1的荷載測試安排。該圖中可以看

9、出，梁僅僅是簡支，除了型號1的梁在梁中心截面兩邊對稱284mm處作用著集中荷載外，其它型號的梁均是距離中心截面對稱200mm處作用集中荷載?？缰薪孛婧奢d由最大承載力為200KN的液壓動作器提供，集中于僅有兩個支撐點(diǎn)支撐的鋼構(gòu)件處（見圖4）。圖4 荷載測試安排荷載量以及控制系統(tǒng)必須完成下面一些因素：a)錨固于厚地板上的鋼筋反應(yīng)；b）水利系統(tǒng)；c）荷載位移傳感器；d）控制實(shí)驗(yàn)的恒定脫位率電力控制臺。荷載位移傳感器可以用來測量梁體跨中截面的豎向位移，千分表用來測量底部鋼筋和混凝土間的粘結(jié)滑移，延伸儀測量受壓區(qū)混凝土張力。荷載測試分為兩個階段。在第一個階段，荷載一直增加到計(jì)算的使用荷載，第二階段，荷載

10、加到直到梁體破壞。在第一階段期間，荷載以每階段0.8mm的節(jié)奏增加，測量每一階段的變形以及混凝土表面的裂縫。當(dāng)達(dá)到預(yù)計(jì)使用荷載時，暫停加載十分鐘。當(dāng)再一次測量變形與裂縫時，梁體必須是卸載，然后又無加載暫停十分鐘。第二階段以每分鐘0.8mm變形的節(jié)奏加載，一直加到使用荷載強(qiáng)度。然后再以每分鐘1.5mm的變形速率加載，直到實(shí)驗(yàn)結(jié)束時，變形大到相當(dāng)于達(dá)到最大荷載。結(jié)果表4總結(jié)了在銹蝕鋼筋或不銹蝕鋼筋情況下梁體的荷載測試結(jié)果，在比較這些結(jié)果之前，需要指出的是，非銹蝕鋼筋混凝土抗壓強(qiáng)度值比銹蝕鋼筋混凝土抗壓強(qiáng)度值高。使用荷載；不考慮鋼筋銹蝕引起的減少，每個破壞梁中的荷載評估系統(tǒng)已經(jīng)建立起來，觀察表4可以

11、看出，梁體跨中的變形由于銹蝕的影響而增大。鋼筋截面面積的減少，混凝土截面的壓壞，混凝土和鋼筋之間粘結(jié)力的退化以及最終相對較低的混凝土受壓承載力能夠解釋這種現(xiàn)象。銹蝕同樣影響混凝土與主筋之間的橫向裂縫，由于粘結(jié)力的退化，影響其間距以及裂縫寬度。然而，需要指出的是，在高度破壞梁體獲得可靠的措施測量混凝土表面裂縫的困難是梁體必須先前就被腐蝕。表4 試驗(yàn)結(jié)果極限荷載：表4中的最后3列展示了荷載測試的結(jié)果，相當(dāng)于最大荷載，有4種不同類型的破壞模式（圖5）：類型1：彎曲破壞（底部張拉筋）類型2：彎曲破壞（受壓區(qū)混凝土壓碎）類型3：剪切破壞類型4：由錨固張拉筋共同引起的斜壓破壞圖5 銹蝕鋼筋混凝土梁中破壞模

12、式型號1類梁不管鋼筋有無銹蝕都發(fā)生少筋破壞，原因由于張拉鋼筋（1、11）配筋率較低引起的。型號2類梁由于張拉筋配筋率較高發(fā)生破壞（12、21、31）。同樣證明在31類型銹蝕梁體中由于較高的剪力筋配筋率造成的。型號3類型梁體中幾乎所有破壞模式都是由于高配筋率的銹蝕張拉鋼筋以及較大的剪力筋間距造成，其間距接近有限深度值（大部分型號12和型號21的梁體箍筋間距均為170mm）。兩種原因可以解釋這種由彎曲引起的混凝土壓碎破壞模式： 由于點(diǎn)蝕作用，箍筋的有效截面減少。 由于上部混凝土表面裂開，受剪區(qū)混凝土有效截面減少。梁持續(xù)承受荷載作用，所承受剪力引起該裂縫開展。同時由于銹蝕產(chǎn)物造成受壓區(qū)剪力筋壓力變化

13、。最后，型號4梁體破壞由于張拉筋的消減（13），不論鋼筋是否銹蝕。然而，135號以及136號梁發(fā)生剪切破壞，因?yàn)楣拷钌系挠行c(diǎn)蝕發(fā)生在混凝土與主要張拉筋產(chǎn)生滑移之前。結(jié)果的討論型號1梁體在最大荷載下的試驗(yàn)彎矩值接近用鋼筋混凝土相對模擬時考慮底筋截面縮減的計(jì)算值。在這個梁中，由于頂部筋以及箍筋均未銹蝕，所以混凝土表面沒有任何損傷。圖7說明了在最大荷載作用下由于彎曲破壞（不包括1類梁）的彎矩值?；蛘呤巧俳钇茐模?1）和超筋破壞（31）。同樣，通過相對模型模擬圖7也說明了每類型梁的兩種計(jì)算值，該模擬方法必須考慮一下因素： 為了更高強(qiáng)度值，要么考慮由于點(diǎn)蝕主要受力筋截面的縮減，混凝土截面有效深度為“d

14、”（圖6，截面1）。 為了強(qiáng)度降低，或者考慮由于點(diǎn)蝕引起的主力筋截面縮減，混凝土截面有效深度為“d-”（圖6，截面2）。在這種假設(shè)前提下，沒有考慮頂部混凝土表面的效應(yīng)，這種效應(yīng)是由受壓鋼筋和剪力筋的銹蝕造成的。圖7中可以看出每個試驗(yàn)梁測得的結(jié)果位于最大值與最小值之間。因此，通過相對模型模擬，并且考慮混凝土截面和鋼筋截面的縮減，較為準(zhǔn)確的預(yù)測出在高度銹蝕情況下的極限彎矩值是可行的。圖6 惡化鋼筋混凝土截面模型圖7 型號11、13梁體極限彎矩正如前面所陳述的，大部分型號12、22中有銹蝕筋的梁發(fā)生剪切破壞，然而在無銹蝕筋梁中，這種破壞模式為彎曲破壞。圖8和圖9說明了在最大荷載作用下這些梁體在銹蝕筋

15、作用下的剪力值。圖中通過歐洲規(guī)范2的標(biāo)準(zhǔn)方法陳列了三組計(jì)算值?？紤]如下一些因素：為了更高強(qiáng)度值，要么考慮由于點(diǎn)蝕引起的箍筋截面縮減，混凝土截面有效深度為“d”（圖6，截面1）。為了達(dá)到中間強(qiáng)度值，或者考慮由于點(diǎn)蝕引起的箍筋截面縮減，混凝土截面有效深度為“d-”（圖6，截面2）。在這種假設(shè)條件下，在這種假設(shè)前提下，沒有考慮頂部混凝土表面的效應(yīng)，這種效應(yīng)是由受壓鋼筋和箍筋的銹蝕造成的。 為了更低強(qiáng)度值，或者考慮由于點(diǎn)蝕引起的箍筋截面縮減，混凝土截面有效深度為“d-”，寬度為“b-2”（圖6，截面3）。這種假設(shè)條件下，既不用考慮由受壓鋼筋和箍筋的銹蝕造成的混凝土表面效應(yīng)，也不用考慮周邊混凝土的作用。

16、圖8 銹蝕鋼筋作用下12混凝土梁的極限剪切力圖9 銹蝕鋼筋作用下21梁混凝土梁極限剪切力圖8和圖9可以看出，每個梁的試驗(yàn)結(jié)果均位于計(jì)算值之間，混凝土截面有效深度為“d-”和寬度為“b-2”或“b”。因此，通過歐洲規(guī)范2標(biāo)準(zhǔn)方法，并且考慮混凝土截面和鋼筋截面的縮減，較為準(zhǔn)確的預(yù)測出在高度銹蝕情況下的極限剪切力是可行的。需要指出的是，在12和21號梁中極限剪切力相對增大，相當(dāng)于125和214類型梁達(dá)到最大程度地腐蝕。這種情況同樣發(fā)生在其他類型的測試梁中。對于這些高度銹蝕鋼筋梁體的特征，有兩種解釋，張拉筋與混凝土在剪跨區(qū)的粘結(jié)強(qiáng)度位于1.6至1.9MPa之間。這些強(qiáng)度值取決于最大荷載作用下的剪力值以

17、及由混凝土有效深度“d-”的減少值。另一方面，對于這種程度地銹蝕，粘結(jié)強(qiáng)度1.5至1.7MPa的粘結(jié)強(qiáng)度值建立起來。因此，粘結(jié)力可能沿著剪跨區(qū)逐漸減弱。最終，由于50%的底部筋錨固于支撐區(qū)外，類型13惡化梁要么是剪切/粘結(jié)破壞，要么是剪切破壞。暫且不考慮剪切作用與粘結(jié)作用間的內(nèi)在聯(lián)系，需要指出的是通過歐洲規(guī)范2標(biāo)準(zhǔn)方法，并且考慮混凝土截面和鋼筋截面的縮減，較為準(zhǔn)確的預(yù)測出在高度銹蝕情況下的極限剪切力是可行的。結(jié)論一種先進(jìn)的關(guān)于惡化混凝土梁的相關(guān)研究已經(jīng)表達(dá)出來，通過對有銹蝕筋或者充分暴露鋼筋的梁體的深入研究，未來的方向是模擬銹蝕作用對粘結(jié)力的影響。對Brite/Euram的BE4062計(jì)劃的總結(jié)和討論，通過往水中添加和持續(xù)通入強(qiáng)度為100/的電流，這種強(qiáng)度相當(dāng)于10倍高度銹蝕混凝土梁中測得腐蝕電流，并且本實(shí)驗(yàn)測得的數(shù)據(jù)值比其他學(xué)者試驗(yàn)數(shù)值低許多。本項(xiàng)研究工作可以得出下面一些初步結(jié)論：銹蝕筋對混凝土梁的特性有很大影響，在使用荷載作用下，影響變形和裂縫寬度，降低極限承載力。鋼筋銹蝕改變了混凝土梁在