銹蝕鋼筋混凝土梁受拉承載力計(jì)算方法研究

銹蝕鋼筋混凝土梁受拉承載力計(jì)算方法研究

0鋼筋混凝土構(gòu)件承載力來自不同國家的科學(xué)家通過實(shí)驗(yàn)研究和有限分析對鋼筋混凝土彎曲部分的結(jié)構(gòu)性能進(jìn)行了大量研究。組件類型包括梁和板、矩形截面和t截面。該部分的獲取方法包括快速腐蝕試驗(yàn)、長期自然暴露和實(shí)際設(shè)計(jì)。關(guān)于銹蝕鋼筋混凝土構(gòu)件的承載力,現(xiàn)已提出了一些計(jì)算方法,其基本思路大體一致,但在系數(shù)取值上存在差異。對現(xiàn)有的銹蝕鋼筋混凝土梁承載力的計(jì)算方法做對比分析,對引起銹蝕鋼筋混凝土梁承載力退化的因素及機(jī)理進(jìn)行深入分析,提出了銹蝕鋼筋混凝土梁抗彎承載力的計(jì)算方法,由此方法得到的試驗(yàn)結(jié)果,為銹蝕損傷構(gòu)件的承載力評估提供理論依據(jù)。1鋼筋混凝土梁的協(xié)同工作系數(shù)鋼筋銹蝕對構(gòu)件抗彎承載力的影響主要表現(xiàn)在4個(gè)方面:鋼筋截面面積減小、構(gòu)件截面尺寸相應(yīng)變小、鋼筋強(qiáng)度降低,以及鋼筋與混凝土之間的粘結(jié)性能退化。對于銹蝕引起的前3個(gè)因素,在承載力計(jì)算中相對容易考慮,且概念上也較明確;對于粘結(jié)退化的影響,目前則主要是通過鋼筋與混凝土的協(xié)同工作系數(shù)來考慮,并且在試驗(yàn)基礎(chǔ)上給出了該系數(shù)的計(jì)算公式。現(xiàn)有銹蝕鋼筋混凝土梁的承載力計(jì)算方法是,先根據(jù)銹蝕程度確定鋼筋與混凝土的協(xié)同工作系數(shù),再考慮鋼筋銹蝕損傷后的實(shí)際截面面積和屈服強(qiáng)度,最后按混凝土規(guī)范中完好構(gòu)件承載力公式計(jì)算銹蝕梁的抗彎承載力。從現(xiàn)有的計(jì)算方法來看,計(jì)算銹蝕鋼筋混凝土梁承載力的關(guān)鍵是確定鋼筋與混凝土的協(xié)同工作系數(shù)。本文中選擇了不同的損傷指標(biāo),如裂縫寬度、鋼筋截面損失率、銹蝕損傷范圍等,建議了協(xié)同工作系數(shù)的取值方法。(1)惠云玲等根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果,以鋼筋直徑和銹脹裂縫寬度作為主要指標(biāo),提出的協(xié)同工作系數(shù)計(jì)算公式為ks=???????????1.0w≤0.5mm(1.1?0.09d/10)(1.12?w/9.4)0.5mm＜w≤2.0mm0.7~0.8w＞2.0mm(1)ks={1.0w≤0.5mm(1.1-0.09d/10)(1.12-w/9.4)0.5mm＜w≤2.0mm0.7~0.8w＞2.0mm(1)式中:d為鋼筋直徑;w為銹脹裂縫寬度。(2)金偉良等以鋼筋銹蝕截面損失率作為損傷指標(biāo),提出的協(xié)同工作系數(shù)的計(jì)算公式為ks={1.0δ≤1.2%1.0168?1.4δ1.2%＜δ≤6.0%(2)ks={1.0δ≤1.2%1.0168-1.4δ1.2%＜δ≤6.0%(2)式中:δ為鋼筋銹蝕截面損失率。(3)牛荻濤等根據(jù)鋼筋種類、銹脹裂縫寬度、構(gòu)件銹脹開裂長度等,提出的協(xié)同工作系數(shù)的計(jì)算公式為ks=?????1.0w≤0.25mm1.0?β(w?0.25)0.25mm＜w≤wbks,minw＞wb(3)ks={1.0w≤0.25mm1.0-β(w-0.25)0.25mm＜w≤wbks,minw＞wb(3)式中:wb為粘結(jié)力基本喪失時(shí)的界限裂縫寬度,對于光圓鋼筋取wb=0.25mm,對于變形鋼筋取wb=0.35mm;β為配筋指標(biāo)。β和ks,min的取值與構(gòu)件銹脹開裂的長度lw有關(guān),見表1。式(1)～(3)的形式各不相同,但都是在銹蝕構(gòu)件承載力試驗(yàn)研究的基礎(chǔ)上,通過回歸分析建立協(xié)同工作系數(shù)與鋼筋銹蝕損傷程度的關(guān)系。無粘結(jié)梁的試驗(yàn)研究和有限元分析結(jié)果顯示,除了銹蝕程度影響構(gòu)件承載力退化外,構(gòu)件的混凝土強(qiáng)度、配筋率、跨高比、荷載作用形式等也對銹蝕構(gòu)件的承載力退化有較大影響。2蝕后截面面積由于構(gòu)件截面幾何參數(shù)的變化以及鋼筋銹蝕后的截面面積在承載力計(jì)算中相對容易考慮,在此將重點(diǎn)討論銹蝕對鋼筋強(qiáng)度的影響以及粘結(jié)性能退化對鋼筋應(yīng)力的影響。2.1鋼筋屈服性能描述銹蝕鋼筋強(qiáng)度的指標(biāo)有名義屈服強(qiáng)度和實(shí)際屈服強(qiáng)度。名義屈服強(qiáng)度為鋼筋屈服時(shí)的屈服拉力與鋼筋公稱面積為(銹蝕前的面積)的比值;實(shí)際屈服強(qiáng)度為屈服拉力與銹蝕后實(shí)際截面面積的比值。銹蝕引起的截面尺寸相應(yīng)變小勢必要降低鋼筋所能承受的拉力,從而導(dǎo)致鋼筋的名義屈服強(qiáng)度降低。若是均勻銹蝕,鋼筋的實(shí)際屈服強(qiáng)度則不會(huì)降低,但實(shí)際上鋼筋銹蝕是不均勻的,往往坑蝕比較嚴(yán)重,鋼筋受荷時(shí)坑蝕將引起應(yīng)力集中,使銹坑處的應(yīng)力提前達(dá)到鋼材的屈服應(yīng)力,從而降低了鋼筋的實(shí)際屈服強(qiáng)度。另外,鋼筋最后是在銹坑處被拉斷,此處的實(shí)際面積一般很難獲得,而量測的面積往往比實(shí)際面積大,這也是造成鋼筋實(shí)際屈服強(qiáng)度降低的另一個(gè)因素?？偠灾?不均勻銹蝕是導(dǎo)致鋼筋實(shí)際強(qiáng)度降低的直接原因。文獻(xiàn)中通過大量試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析,給出的銹蝕鋼筋屈服拉力能夠較好地考慮銹蝕后鋼筋的實(shí)際強(qiáng)度變化,根據(jù)屈服拉力與銹蝕損傷后的截面面積,可以得出銹蝕后鋼筋的實(shí)際屈服強(qiáng)度為fsc=(1-0.077δ)fy/(1-δ)(4)式中:fy為鋼筋銹蝕前的實(shí)際屈服強(qiáng)度。式(4)適用于截面損失率δ≤15%的銹蝕鋼筋,當(dāng)截面損失率δ>15%時(shí),由于鋼筋的屈服點(diǎn)已不明顯,伸長率一般小于規(guī)范的允許值,建議按無屈服點(diǎn)的熱軋鋼筋確定銹蝕鋼筋強(qiáng)度。2.2預(yù)聚鋼鋼筋鋼筋受力銹蝕構(gòu)件有限元分析結(jié)果表明,最大彎矩截面處銹蝕鋼筋應(yīng)變較混凝土應(yīng)變滯后,鋼筋應(yīng)變與混凝土應(yīng)變不再滿足平截面要求。從無粘結(jié)梁的研究可以看出,粘結(jié)性能退化使裂縫間受拉鋼筋的應(yīng)變趨于均勻。從無粘結(jié)梁的分析結(jié)果來看,盡管構(gòu)件配筋率在適筋梁配筋率的范圍內(nèi),但由于缺少粘結(jié)力,無粘結(jié)構(gòu)件在破壞時(shí),鋼筋不一定屈服;另一方面,并不是所有構(gòu)件的受拉鋼筋都不能屈服,而是取決于構(gòu)件的配筋指標(biāo),當(dāng)構(gòu)件配筋指標(biāo)小于界限配筋指標(biāo)時(shí),只要鋼筋端部錨固不失效,鋼筋總能夠屈服,因此,粘結(jié)性能退化后,只能說鋼筋可能不屈服,具體情況還與截面配筋指標(biāo)、鋼筋的銹蝕程度等有關(guān)。無粘結(jié)梁是普通銹蝕鋼筋混凝土梁在粘結(jié)力完全喪失時(shí)的極限情況,與無粘結(jié)梁類似,普通銹蝕鋼筋混凝土梁的受拉鋼筋也可能不屈服。在現(xiàn)有的銹蝕構(gòu)件承載力計(jì)算模型中,協(xié)同工作系數(shù)實(shí)際上就是對鋼筋強(qiáng)度的折減,但沒有從概念上明確提出鋼筋可能不屈服的實(shí)質(zhì)。將以往的協(xié)同工作系數(shù)改稱為鋼筋強(qiáng)度利用系數(shù)能更好地反映鋼筋強(qiáng)度不能充分發(fā)揮的實(shí)質(zhì),具有明確的物理意義?，F(xiàn)有的協(xié)同工作系數(shù)計(jì)算公式在某種程度上能夠反映銹蝕損傷構(gòu)件的協(xié)同工作情況,但都忽略了在同樣銹蝕程度下,由于構(gòu)件參數(shù)的不同,粘結(jié)力退化引起鋼筋與混凝土協(xié)同工作性能的退化幅度是有區(qū)別的,這也是各國學(xué)者基于試驗(yàn)給出的協(xié)同工作系數(shù)存在差異的原因之一。當(dāng)配筋指標(biāo)小于0.246時(shí),無論銹蝕程度如何,鋼筋都能達(dá)到屈服,協(xié)同工作系數(shù)始終等于1.0,以往的研究都不能得出這一結(jié)論,而這對于建立銹蝕損傷構(gòu)件承載力計(jì)算模型將非常重要。2.3牽引鋼筋強(qiáng)度的利用系數(shù)2.3.1筋指標(biāo)的測定根據(jù)無粘結(jié)鋼筋混凝土梁截面配筋指標(biāo)的概念,定義銹蝕鋼筋混凝土梁的截面配筋指標(biāo)為β0c=fscAsc/(fcbh0)(5)式中:fc為混凝土軸心抗壓強(qiáng)度;Asc為鋼筋銹蝕后的截面面積,Asc=(1-δ)As,As為鋼筋銹蝕前的截面面積;b為截面寬度;h0為截面有效高度。2.3.2各種強(qiáng)度利用系數(shù)的確定正常鋼筋混凝土受彎構(gòu)件的破壞過程一般是受拉區(qū)混凝土開裂,中和軸上移,受拉鋼筋屈服,受壓區(qū)混凝土達(dá)到極限壓應(yīng)變;銹蝕鋼筋混凝土受彎構(gòu)件的破壞過程往往是受拉區(qū)混凝土開裂,受拉鋼筋與受拉區(qū)混凝土發(fā)生較大滑移,中和軸上移,受壓區(qū)混凝土達(dá)到極限壓應(yīng)變,受拉鋼筋可能屈服也可能不屈服,即銹蝕可能導(dǎo)致受拉鋼筋的強(qiáng)度不能充分發(fā)揮。無粘結(jié)梁的分析結(jié)果可直接用來評估銹蝕嚴(yán)重構(gòu)件的承載能力,但對于一般銹蝕鋼筋混凝土構(gòu)件,鋼筋強(qiáng)度利用系數(shù)還受鋼筋銹蝕程度的影響。試驗(yàn)數(shù)據(jù)表明,當(dāng)鋼筋銹蝕深度xc為0.3mm左右時(shí),鋼筋與混凝土之間的粘結(jié)強(qiáng)度已降低到10%以下,此時(shí)可認(rèn)為粘結(jié)力完全喪失,因此,將銹蝕深度0.3mm作為銹蝕損傷構(gòu)件有無粘結(jié)的界限銹蝕量。當(dāng)然,也可以根據(jù)粘結(jié)強(qiáng)度分析方法,計(jì)算出粘結(jié)力退化系數(shù)為0.1時(shí)的鋼筋銹蝕量作為界限銹蝕量,此時(shí)確定的銹蝕量將因構(gòu)件參數(shù)不同而改變。根據(jù)無粘結(jié)鋼筋混凝土梁的研究成果,假定銹蝕損傷構(gòu)件不發(fā)生鋼筋端頭錨固破壞,銹蝕鋼筋的強(qiáng)度利用系數(shù)αsc可分別按3種情況確定。(1)當(dāng)銹蝕構(gòu)件的配筋指標(biāo)β0c小于界限配筋指標(biāo)β0(β0=0.246)或混凝土表面未出現(xiàn)銹脹裂縫時(shí),取αsc=1.0。(2)當(dāng)混凝土構(gòu)件銹蝕嚴(yán)重,即鋼筋銹蝕深度xc≥0.3mm時(shí),可按無粘結(jié)梁確定鋼筋強(qiáng)度利用系數(shù)αsc,即αsc={1.449?1.822β0cβ0c≤0.4440.922?0.634β0cβ0c＞0.444(6)αsc={1.449-1.822β0cβ0c≤0.4440.922-0.634β0cβ0c＞0.444(6)式中:當(dāng)計(jì)算值αsc>1.0時(shí),取αsc=1.0。(3)當(dāng)銹蝕構(gòu)件的配筋指標(biāo)β0c大于界限配筋指標(biāo)β0,且鋼筋銹蝕深度xc<0.3mm時(shí),可根據(jù)鋼筋未銹蝕時(shí)的強(qiáng)度利用系數(shù)αsc=1.0和鋼筋銹蝕深度xc=0.3mm時(shí)的式(6),并結(jié)合式(1)～(3)所反映的線性退化規(guī)律,通過線性內(nèi)插法確定銹蝕鋼筋強(qiáng)度利用系數(shù)為αsc={1.0+(1.449?1.822β0c)xc/0.3β0c≤0.4441.0+(?0.078?0.634β0c)xc/0.3β0c＞0.444(7)αsc={1.0+(1.449-1.822β0c)xc/0.3β0c≤0.4441.0+(-0.078-0.634β0c)xc/0.3β0c＞0.444(7)實(shí)際中,并不是鋼筋一旦銹蝕,粘結(jié)力就發(fā)生退化,而且即使粘結(jié)力退化了,在退化幅度較小的情況下,鋼筋應(yīng)變滯后并不明顯,還不足以使鋼筋強(qiáng)度利用系數(shù)降低;但是,由于粘結(jié)力變化情況除了與鋼筋銹蝕程度有關(guān)外,還與混凝土保護(hù)層厚度、混凝土強(qiáng)度、鋼筋直徑、鐵銹產(chǎn)物的種類等密切相關(guān),且影響機(jī)理極為復(fù)雜,若是要準(zhǔn)確確定鋼筋應(yīng)變開始滯后時(shí)的銹蝕量,實(shí)際中處理起來非常復(fù)雜。式(7)實(shí)際上是一種偏于保守的方法,其出發(fā)點(diǎn)是便于工程應(yīng)用。為了驗(yàn)證上述計(jì)算方法的合理性和準(zhǔn)確性,收集并整理了袁迎曙通過快速銹蝕制作的3根矩形梁和任寶雙取自馬家堡橋的3根簡支板梁的試驗(yàn)數(shù)據(jù)。由于現(xiàn)行規(guī)范GB50010-2002中提高了安全度水平,承載力計(jì)算中采用的是軸心抗壓強(qiáng)度,為了盡量反映試驗(yàn)構(gòu)件的實(shí)際承載力,在驗(yàn)證計(jì)算時(shí),混凝土強(qiáng)度仍采用規(guī)范GBJ10-89中的彎曲抗壓強(qiáng)度,即式(8)、(9)中的α1=1.1時(shí),軸心抗壓強(qiáng)度fc與立方體抗壓強(qiáng)度fcu的轉(zhuǎn)換關(guān)系為fc=0.76fcu,計(jì)算結(jié)果見表2。3抗彎壓力法的計(jì)算3.1極限狀態(tài)下構(gòu)件承載力分析根據(jù)構(gòu)件銹蝕后的截面配筋指標(biāo)和鋼筋銹蝕程度計(jì)算極限狀態(tài)下受拉鋼筋的強(qiáng)度利用系數(shù),即可確定銹蝕鋼筋的極限應(yīng)力,再按規(guī)范中計(jì)算完好混凝土梁的方法計(jì)算銹蝕構(gòu)件的承載力。在極限狀態(tài)下,構(gòu)件破壞截面的計(jì)算如圖1所示。根據(jù)截面平衡條件可得α1fcbx=αscfscAsc(8)式中:α1為等效矩形的應(yīng)力值與軸心抗壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值的比值,當(dāng)混凝土強(qiáng)度等級不超過C50時(shí),取α1=1.0;x為等效矩形應(yīng)力的混凝土受壓區(qū)高度。由式(8)確定出混凝土受壓區(qū)高度后,即可求得銹蝕鋼筋混凝土梁的抗彎承載力為Mc=α1fcbx(h0-x/2)=αscfscAsc(h0-x/2)(9)3.2試驗(yàn)結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果的相關(guān)性文獻(xiàn)中綜合統(tǒng)計(jì)了93根梁的試驗(yàn)資料,計(jì)算值與試驗(yàn)值的相關(guān)關(guān)系如圖2所示,所有試件計(jì)算值與試驗(yàn)值比值的平均值為1.004,標(biāo)準(zhǔn)方差為0.