摘要: 混凝土中钢筋锈蚀易造成结构性能退化进而影响到结构的承载力, 因此在已有研究成果的基础上, 立足现行计算理论, 提出在用钢筋混凝土梁承载力计算模型, 可为混凝土结构耐久性评估提供科学的依据。
关键词: 在用钢筋混凝土梁; 受弯承载能力; 计算模型
中图分类号: U441.2 文献标识码: B 文章编号: 1002- 4786( 2006) 12- 0031- 03
0 引言
钢筋混凝土结构在长期使用过程中, 由于受自然环境及使用环境等因素的作用, 将发生材料老化、结构损伤, 这种累积损伤必然造成结构性能的逐渐退化、承载力下降、耐久性能降低, 这会给钢筋混凝土构件的继续使用埋下隐患。对于在用钢筋混凝土构件, 其真实承载力通过破坏性试验获得是不现实的, 也是不可能的。如何建立承载力评估方法, 准确预测钢筋混凝土构件的剩余承载力, 是混凝土结构耐久性评估的关键问题。
目前, 国内外对在用钢筋混凝土构件的承载力研究刚刚起步, 所采用的研究方法主要有试验法和有限元分析法, 但这些研究大多只是给出定性的分析结果, 而对在用钢筋混凝土构件承载力的计算方法和模型研究尚少。为此, 本文将在已有试验研究成果[1～3]的基础上, 对在用钢筋混凝土受弯构件的结构性能退化和破坏特征进行分析, 提出较为适用的钢筋混凝土梁正截面承载力计算方法和模型, 为钢筋混凝土结构耐久性评估提供依据。
1 在用钢筋混凝土梁的结构性能
文献[1]～[3]的试验研究表明, 在用钢筋混凝土梁的损伤主要从以下两个方面影响构件的承载力:一是混凝土截面损伤和钢筋截面损失与力学性能退化; 二是钢筋锈蚀引起钢筋与混凝土之间粘结性能退化, 导致钢筋与混凝土不能很好地协同工作。这两方面的影响因素在承载力计算中做何考虑, 是建立模型的关键。
1.1 锈蚀钢筋强度的退化
锈蚀钢筋强度的退化与锈蚀程度有关。文献[4]～[6]进行了大量锈蚀钢筋力学性能试验, 其结果表明, 随着钢筋截面损失率的增大, 屈服强度和抗拉强度的下降幅度就会增大, 当钢筋严重锈蚀后, 其应力- 应变曲线会发生很大的变化, 没有明显的屈服点, 且屈服强度与抗拉强度非常接近。锈蚀钢筋的实际屈服强度和极限强度分别为屈服荷载和极限荷载与钢筋实际面积的比值。文献[4]通过试验分析, 给出了钢筋锈蚀后按实际面积得出的屈服强度和极限强度与钢筋锈蚀程度的关系式:
式中, fys、fus分别为锈蚀钢筋实际屈服强度和极限强度; fy、fu分别为未锈钢筋屈服强度与极限强度; ηs为钢筋锈蚀截面损失率(%) 。
文献[4]建议, 当截面损失率ηs<5%时, 可认为钢筋锈蚀后的屈服强度与锈蚀前相同; 当截面损失率5%<ηs<60%时, fys和fus可按按照式(1) 和式(2) 计算。
1.2 锈蚀钢筋粘结性能的退化
钢筋与混凝土的粘结锚固是钢筋与混凝土之间一种复杂的相互作用, 用于传递二者之间的应力与协调变形, 因此钢筋与混凝土之间良好的粘结锚固性能是钢筋与混凝土两种不同材料共同工作的基本前提。
有关对钢筋锈蚀引起钢筋混凝土粘结锚固性能变化的试验研究表明: 当锈蚀量较小(ηs<1%) 时,粘结强度随锈蚀量的增大而增大, 在锈胀开裂前, 仍高于无锈钢筋; 锈胀开裂后, 粘结力随裂缝宽度的增大而降低, 当裂缝宽度约为0.1mm时, 粘结力相当于无锈钢筋的粘结力, 当裂缝宽度超过0.1mm时, 必须考虑粘结力降低对承载力的影响。粘结锚固性能下降引起的钢筋和混凝土之间协同工作能力的下降, 是通过协同工作系数ks来表征的, 其计算模式为:
式中, ωa的物理含义为当锈胀裂缝宽度超过这一限值时, 粘结力退化将开始影响钢筋与混凝土之间的协同工作性能; ωb的物理含义为当锈胀裂缝宽度超过其值时, 即可认为钢筋与混凝土之间的粘结力基本丧失。
1.3 混凝土截面几何损伤
对受弯构件来说, 正截面抗弯承载力的计算不考虑受拉区混凝土的抗拉作用, 因此, 计算时不考虑钢筋锈蚀引起的受拉区混凝土截面几何损伤。但在受压区, 当混凝土碳化较严重时, 需考虑受压区混凝土截面几何损伤对承载力的影响。考虑几何损伤后的截面尺寸, 可采用如下公式进行计算:
he=h- αc1 ( 4)
be=b- αc2- αc3 ( 5)
式中, h、b分别为截面原有高度和宽度(mm) ;he、be分别为损伤后的截面高度和宽度(mm) ; c1为截面高度方向受压区混凝土保护层厚度(mm) ; c2、c3为截面宽度方向的两侧保护层厚度(mm) ; α为对应于保护层c1、c2、c3的几何损伤系数, 其建议值为: 当受压区纵向裂缝宽度0<ω<2mm时, α=0.15ω;当ω=2mm～3mm时, α=0.45。
2 在用钢筋混凝土梁的破坏特征
试验研究表明, 锈蚀梁的受力过程仍可分为三个阶段:
a) 未裂阶段: 当梁承受的弯矩较小时, 截面的应变也较小, 应力与应变成正比, 构件处于弹性工作状态, 但由于锈蚀梁的刚度小于同条件下的正常梁, 故梁的扰度较未锈梁稍大, 随着荷载的增大,受拉区出现垂直裂缝, 即认为第一阶段结束;
b) 带裂工作阶段: 受拉区一旦开裂, 开裂截面的钢筋应力即象正常梁那样突然增大, 荷载扰度曲线出现转折点, 扰度增长加快, 但锈蚀梁的扰度大于正常梁, 随荷载的增大, 裂缝宽度加大, 中和轴位置上移, 但上升高度低于正常梁, 压区混凝土出现塑性变形, 进而受拉钢筋屈服, 第二阶段结束;
c) 破坏阶段: 受拉钢筋屈服后, 中和轴进一步上移, 受压区混凝土被压碎, 梁即发生破坏。
研究还表明, 锈蚀梁的受力特征与钢筋锈蚀程度亦有很大的关系: 当锈蚀量较小时( 未出现锈胀裂缝) , 锈蚀梁的破坏与未锈梁完全相同; 锈胀裂缝出现后, 由于钢筋与混凝土之间的粘结力退化,锈蚀梁的受力裂缝稀少, 间距增大, 分布更不均匀; 对钢筋严重锈蚀粘结力几乎丧失的情况, 根据有关的模拟试验结果, 锈蚀梁具有梁拱受力特征,且随粘结力丧失区段的增大, 拱作用越明显; 当锈蚀量较大时, 粘结性能退化较大, 钢筋和混凝土共同工作能力下降, 钢筋不能发挥其强度与塑性性能, 梁的破坏将从延性向脆性转化; 当锚固区主筋与箍筋严重锈蚀时, 锈蚀梁可能发生钢筋锚固破坏。
3 在用钢筋混凝土梁抗弯承载力计算
根据锈后受弯构件承载力试验结果, 在计算承载力时, 对受弯构件应主要考虑混凝土截面的几何损伤、锈后钢筋有效截面减小、钢筋力学性能恶化以及粘结力损失引起的强度降低等因素。考虑到实际工程中构件的钢筋锈蚀程度差别较大, 有些钢筋锈蚀严重, 有些锈蚀较轻, 有些可能还未发生锈蚀, 故在承载力计算中需对每根钢筋分别考虑其粘结性能退化的影响( 见图1) 。
若忽略混凝土强度变化的影响, 平衡条件下,锈后钢筋混凝土受弯构件的正截面受弯承载力计算公式为:
式中, Msu为锈蚀梁正截面受弯承载力; fc为混凝土轴心抗压强度; α1为受压区混凝土矩形应力图形所取应力与混凝土抗压强度设计值的比值; x为混凝土受压区高度; h0 e为考虑受压区混凝土截面几何损伤后的截面有效高度, 且h0 e=he- a, 其中a为受拉区钢筋合力作用点距受拉边缘距离, 由于各排钢筋锈蚀程度不均匀, a在钢筋锈蚀过程中不断发生变化, 但其变化相对截面高度而言, 可以忽略不计; fy为未锈钢筋屈服强度; fysi 为第i根锈蚀钢筋的实际屈服强度, 具体计算见( 1) 式; As、Asci分别为未锈钢筋和第i根锈蚀钢筋的有效截面面积;ksi 为第i根钢筋的协同工作系数, 具体计算见( 3)式。
以上两式的适用条件为:
a) 为了保证构件破坏时不出现超筋破坏, 要求:x≤xbe 或ξ≤ξbe ( 8)
b) 为了保证构件不出现少筋破坏, 要求:ρ≥ρmin ( 9)
式中, ξbe为界限相对受压区高度, 主要与钢筋的弹性模量和屈服强度有关。
弹性模量在钢筋锈蚀过程中变化不大, 但锈后钢筋的屈服强度降低, 钢筋混凝土粘结性能退化,因此随着锈蚀的加重, 界限相对受压区高度会发生不可忽视的变化, 且有:
式中, xbe为锈后受弯构件界限破坏时, 受压区计算高度, xbe=ξbeh0 e; εcu、β1、Es按现行《混凝土结构设计规范》(GB 50010- 2001) 取值。
4 在用钢筋混凝土梁计算模型验证分析
本文收集了文献[2]中5根自然暴露10年的T形截面梁, 以此验证所提出的在用钢筋混凝土受弯构件承载力计算公式的实际可行性。
4.1 试验梁
试验梁截面尺寸见图
2, 基本参数见表1。
4.2 结果验证
按照本文提出的锈蚀梁承载力计算方法, 对5根试验梁进行计算, 结果见表2。由表1、表2可知, 承载力试验值与计算值之比为1.004, 由此可见, 本文提出的在用钢筋混凝土
梁承载力计算公式与试验结果吻合较好, 说明该计算方法基本可用于在用钢筋混凝土梁的承载力计算。
5 结语
本文在已有研究成果的基础上, 立足于现行计算理论, 提出了在用钢筋混凝土受弯构件正截面承载力计算方法和模型, 为混凝土结构的可靠性鉴定和耐久性评估提供了技术依据。
参考文献
[1] 惠云玲, 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, 1997, 27( 6) : 14- 18.
[2] 牛荻涛, 等. 锈蚀钢筋混凝土梁的承载力分析[J]. 建筑结构, 1999, ( 8) : 23- 25.
[3] 牛荻涛. 混凝土结构耐久性与寿命预测[M]. 北京: 科学出版社, 2003.
[4] 惠云玲, 林志伸, 李荣. 锈蚀钢筋性能试验研究分析[J]. 工业建筑, 1997, 27( 6) : 6- 13.
[5] 钟小平. 既有桥梁耐久性评估及寿命预测[D]. 上海: 同济大学, 2004.
[6] GB 50010- 2001, 混凝土结构设计规范[S].
