锈蚀钢筋混凝土梁剩余抗弯承载力评估

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发布时间：2021-09-03

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锈蚀钢筋混凝土梁剩余抗弯承载力评估
张永利．董振平。王庆霖。王应生
(西安建筑科技大学土木工程学院，陕西西安710055)
摘要：锈蚀钢筋混凝土梁出现锈胀裂缝后即进入裂缝修复期，在裂缝修复期间锈蚀梁仍然需要必要的安全储备。分析锈蚀钢筋混凝土
梁受力机理的基础上，通过锈蚀钢筋应变滞后比，合理考虑锈蚀钢筋与混凝土的协同工作性能，提出了更合理的锈蚀钢筋混凝土梁的剩余
抗弯承载力评估方法。
关键词：锈蚀钢筋混凝土梁；应变滞后；抗弯承载力
中图分类号： TU528．01 文献标志码： A 文章编号： 1002—3550(2011)08—0021—03
Evaluation on the remaining flexural capacity of corroded RC beams
ZHANG Yong-li，DONGZhen-ping，WANGQing-lin，WANG Ying-shcng
(School ofCivilEngineeringXi’anUniversityofArchitecture andTechnology，Xi’an710055，China)
Abstract： When the expansion cracks OCCUr，the Coroded reinforced concrete beam Repair period． During the repair of cracks，the corroded
beams still need the necessary safety reserves．Based on the analysis of corroded reinforced concrete beams on the basis of the mechanism，than
throughthe corroded strain hysteresis，bythe reasonable consideration oftheworkperformance betweenthe corroded steel bars and concrete
，the
reasonable Evaluation on the remaining flexural capacity ofcorroded RC beams was proposed．
Key words： corroded reinforced concrete beam；strain hysteresis；flexural capacity
0 引言
在正常使用情况下，混凝土中的钢筋在碱性环境中处于钝
化状态，钢筋表面形成的致密氧化物(钝化膜)可保护钢筋免于
锈蚀。混凝土一旦碳化(中性化)致使钢筋脱钝或由于氯离子的
渗透使钢筋的钝化膜遭到破坏，在有水和氧的条件下就会引起
钢筋的锈蚀。钢筋锈蚀广泛存在于各类混凝土结构中，一些室外
干湿交替和处于高湿、高温等不利环境下的混凝土结构，近海、
近咸水湖地带的钢筋混凝土结构、寒冷地区洒化冰盐的道路和
桥梁、在港口处于水位变动区和浪溅区的结构，钢筋腐蚀十分
为严重。
钢筋腐蚀造成的危害已为人所共知，近20年来，我国对钢
筋锈蚀的发生、发展、锈后混凝土构件性能退化等方面开展了一
系列的理论与试验研究、工程调查与检测，在此基础上，相继开
展了对混凝土结构的耐久性评估和耐久性设计文件的编制工
作，现已出版的中国工程建设标准化协会标准CECS：220--2007
《混凝土结构耐久性评定标准》和GB 50476-2008(混凝土结构
耐久性设计规范))贝0集中反映了我国这些年来的研究成果。
图1表示钢筋混凝土构件在锈蚀发生、发展过程中的耐久
性寿命模型。我国的《混凝土结构耐久性评定标准》与国内外的
文献相同【I2]，定义耐久性极限状态为钢筋锈蚀后构件表面出现
尚可接受的外观损伤的状态，可接受外观损伤状态则视构件的
功能要求可以由构件出现0．1 InlTl的锈胀裂缝或裂缝宽度达到
某一限值水平确定。构件的正常使用寿命为：
铺
懈
图1 耐久性寿命模型
l+ (1)
式中： ——钢筋开始锈蚀的时间；
一从钢筋开始锈蚀到构件表面出现尚可接受的外观
损伤的时间。
随钢筋锈蚀进一步发展，构件将进入极限强度状态，对应
的时间称为构件的极限寿命。
+ + (2)
为出现锈胀裂缝至构件进入强度极限状态的时间，文献[2]
确定极限强度时取荷载分项系数等于1．0，即构件在破坏前仍具
有最低限度的安全储备。阶段值得关注，主要是进入耐久性极
限状态后，构件即需对锈胀裂缝进行修复，亦可称为裂缝修复
期，由于构件锈胀开裂具有高度的离散性，在修复期内有的构
件可能锈蚀十分严重，已危及到构件的安全使用，因而在裂缝
修复期间必须保证结构构件有必要的安全储备。另一方面一些
收稿日期：2011_J02_J07
基金项目：国家杰出青年科学基金(50725824)；“十一五”国家科技支撑计划课题(2006BAJ03A02．03)
·21 ·
配筋很细、保护层偏大的板类构件在出现锈胀裂缝前，即可能
因钢筋过度锈蚀而破坏。因此，如何正确评估锈蚀构件的剩余承
载力仍然是混凝土结构耐久性评估或耐久性设计需要解决的
问题。近年来国内外关于锈蚀钢筋混凝土梁的抗弯承载力已开
展了不少试验研究，本文将就此问题作进一步的讨论。
1 锈蚀梁的抗弯承载力研究及受力机理
导致锈蚀受弯构件承载力下降的因素主要有以下三个：一
是钢筋面积的损失；二是由于非均匀锈蚀，造成钢筋应力集中
产生的钢筋力学性能下降；三是由于钢筋锈蚀产生沿筋裂缝
后，钢筋与混凝土的黏结性能退化，从而引起两者的协同工作
性能下降。钢筋截面损失可以通过现场检测或建立的钢筋锈蚀
速率预测模型确定；锈蚀钢筋的力学性能，我国也已进行过大
量锈蚀钢筋的力学性能试验I 。关于黏结性能退化，较早的文
献【5—8】多用一个协同工作系数考虑锈蚀后黏结性能退化对承
载力的影响，根据锈胀裂缝宽度、构件破损状态或钢筋锈蚀率
确定协同工作系数的大小，系数下限一般取为0．6~0．8。文献【8】
建议的协同工作系数具有一定的代表性：
r1．0 W≤0．25 rflin
{1．o (w-O．25) O．25 rlrlnl≤ ≤3．5[2．5]mm (3)
l ≥3．5[2．5]mm
式中： ——协同工作系数(方括号内数字用于圆钢)；
— — 构件锈胀裂缝宽度；
— — 系数，根据锈胀裂缝长度跨度比，取0．015．-．0．077
[0．022-0．1 1 1】；
— — 协同工作系数下限值，根据锈胀裂缝长度跨度比
取0．75～0．95。
锈蚀梁试验表明，对低配筋率构件，尽管已出现较宽的
锈胀裂缝，弯曲破坏时受拉钢筋仍可屈服，考虑协同工作系数
后，估算的承载力反而偏低，并且协同工作系数下限值除与裂
缝长度有关外，主要与配筋率、梁跨高比等因素有关，其值可
能在相当大的范围内变化。对高配筋率构件，由于受拉钢筋应变
滞后，有可能在受拉钢筋屈服之前，受压区混凝土先压坏，使受
拉钢筋不能充分利用，承载力降低。因此现阶段因黏结性能退化，
引起抗弯承载力下降的计算方法都还不够完善，仍然缺乏受力
机理分析的基础。
近期发表的国外关于锈蚀梁抗弯剩余承载力的文献【10—1 1】
中，都是根据快速腐蚀梁的试验结果，给出以腐蚀电流密度或
最大坑蚀深度为参数的承载力降低系数回归公式。试验表明，
最大坑蚀深度可以是平均锈蚀深度的3～10倍，并随平均锈蚀量
增加而增加，将显著影响构件的承载力。因此对氯腐蚀环境以坑
蚀为主的构件，在确定锈蚀钢筋力学性能时，宜考虑最大坑蚀
深度这一因素的影响。
就大多数情况而言，钢筋锈蚀后即便出现严重的锈胀裂缝，
梁弯曲变形后，锈蚀钢筋仍与混凝土间紧密接触，有着共同的
弯曲曲率，仅当锈蚀十分严重，黏结力基本丧失，钢筋应变沿全
跨分布均匀，与破坏截面的平均应变相比，存在明显应变滞后
现象。对一般锈蚀的钢筋也会因黏结力部分退化存在一定程度
的应变滞后，因此只要根据应变滞后程度修正钢筋的拉应变，就
仍可利用平截面假定按混凝土梁理论计算锈蚀梁的抗弯承载
力。只有当钢筋锈蚀异常严重，受拉区混凝土沿梁长度大量脱落，
钢筋与拉区混凝土已有明显间隙的情况下，构件处于扁拱的受
· 22 ·
力状态，平截面假定不成立，此时宜按拱理论验算承载力。
2 锈蚀钢筋黏结性能退化模型
掌握锈蚀钢筋黏结力的退化规律是分析黏结力退化对承
载力影响的基础。近年来为了解钢筋锈蚀后钢筋与混凝土的黏
结退化规律、黏结滑移关系，国内外均开展了不少试验研究，试
验方法包括中心拉拔试验、梁式或半梁式试验，钢筋多采用电
化学快速腐蚀，部分试件设有箍筋。试件保护层厚度与钢筋直径
tL(dd)取1．34～7，锚固长度与钢筋直径tL(1,／d)取4～25。直接建
立不同锈蚀程度钢筋的黏结强度表达式需要大量试验，因此现
在所有研究都是进行锈蚀钢筋梁与未锈蚀钢筋梁黏结强度的
对比试验，以期得到随钢筋锈蚀程度增加，黏结强度退化的规
律。所有试验均表明，当钢筋锈蚀量很小，保护层尚未开裂时，
由于锈胀力增加了摩阻力，与未锈钢筋相比，黏结力都有不同
程度的增加，但当保护层出现沿筋裂缝后，黏结力则开始下降，
图2为无箍筋试件黏结强度退化系数与钢筋锈蚀深度的关
系，其中黏结强度退化系数为锈蚀钢筋极限黏结强度与未锈钢
筋黏结强度比。
垛
鬻
鲻
嘏
钢筋腐蚀深度／mm
图2 黏结强度退化与钢筋锈蚀深度的关系
由于试验方法、试验条件各不相同，试验数据离散性较大。
短锚固试件一般用于建立黏结应力滑移关系比较合理，而在实
际结构中，钢筋多处于长锚固状态，采用长锚固试件的试验结
果反映钢筋黏结强度退化规律应更符合实际。根据文献[12—131
Ud为25的试验数据，建议的黏结强度退化系数如下：
k=l—1．58(6--6,,,．) (4)
式中：6 ——保护层开裂时的钢筋锈蚀深度；
占——钢筋的锈蚀深度。
当6— ≤0，取k=1．0。由于存在残余黏结力，对圆钢k不小
于0．08，对变形钢筋不小于0．15。《混凝土结构耐久性评定标
准》定义6 为锈胀裂缝宽度0．1 mm时相应的钢筋锈蚀深度，一
般为O．04～0．07 inln，该标准根据国内外的研究成果给出以下计
算公式：
6 0．012cld+O．000 84f~+o．018 (5)
3 锈蚀梁的钢筋应变滞后比
我国钢筋混凝土受弯构件采用钢筋与混凝土的平均应变
符合平截面假定的极限状态设计法。钢筋锈后由于黏结力退
化，钢筋应力(应变)沿梁长度或沿锈胀裂缝区段的分布趋于均
匀，存在钢筋应变滞后现象，可以用极限状态下破坏截面由平
截面假定确定的受拉钢筋处的拉应变与钢筋实际应变的比值，
反映钢筋应变滞后的程度，该比值称为钢筋应变滞后比m。
大量的试验研究表明，无锈蚀钢筋混凝土粱拉区混凝土受
拉开裂后，乃至在破坏阶段，如采用大应变测量标距(大于裂缝
间距)，量测的混凝土和钢筋平均应变仍能符合平截面假定，受
拉钢筋处的拉应变为：