銹蝕鋼筋混凝土梁受拉承載力計算方法研究

0鋼筋混凝土構件承載力來自不同國家的科學家通過實驗研究和有限分析對鋼筋混凝土彎曲部分的結構性能進行了大量研究。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、長期自然暴露和實際設計。關于銹蝕鋼筋混凝土構件的承載力,現(xiàn)已提出了一些計算方法,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理進行深入分析,提出了銹蝕鋼筋混凝土梁抗彎承載力的計算方法,由此方法得到的試驗結果,為銹蝕損傷構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)鋼筋銹蝕對構件抗彎承載力的影響主要表現(xiàn)在4個方面:鋼筋截面面積減小、構件截面尺寸相應變小、鋼筋強度降低,以及鋼筋與混凝土之間的粘結性能退化。對于銹蝕引起的前3個因素,在承載力計算中相對容易考慮,且概念上也較明確;對于粘結退化的影響,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,并且在試驗基礎上給出了該系數(shù)的計算公式?，F(xiàn)有銹蝕鋼筋混凝土梁的承載力計算方法是,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際截面面積和屈服強度,最后按混凝土規(guī)范中完好構件承載力公式計算銹蝕梁的抗彎承載力。從現(xiàn)有的計算方法來看,計算銹蝕鋼筋混凝土梁承載力的關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,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)試驗結果,以鋼筋直徑和銹脹裂縫寬度作為主要指標,提出的協(xié)同工作系數(shù)計算公式為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,提出的協(xié)同工作系數(shù)的計算公式為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、構件銹脹開裂長度等,提出的協(xié)同工作系數(shù)的計算公式為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為粘結力基本喪失時的界限裂縫寬度,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。β和ks,min的取值與構件銹脹開裂的長度lw有關,見表1。式(1)～(3)的形式各不相同,但都是在銹蝕構件承載力試驗研究的基礎上,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系。無粘結梁的試驗研究和有限元分析結果顯示,除了銹蝕程度影響構件承載力退化外,構件的混凝土強度、配筋率、跨高比、荷載作用形式等也對銹蝕構件的承載力退化有較大影響。2蝕后截面面積由于構件截面幾何參數(shù)的變化以及鋼筋銹蝕后的截面面積在承載力計算中相對容易考慮,在此將重點討論銹蝕對鋼筋強度的影響以及粘結性能退化對鋼筋應力的影響。2.1鋼筋屈服性能描述銹蝕鋼筋強度的指標有名義屈服強度和實際屈服強度。名義屈服強度為鋼筋屈服時的屈服拉力與鋼筋公稱面積為(銹蝕前的面積)的比值;實際屈服強度為屈服拉力與銹蝕后實際截面面積的比值。銹蝕引起的截面尺寸相應變小勢必要降低鋼筋所能承受的拉力,從而導致鋼筋的名義屈服強度降低。若是均勻銹蝕,鋼筋的實際屈服強度則不會降低,但實際上鋼筋銹蝕是不均勻的,往往坑蝕比較嚴重,鋼筋受荷時坑蝕將引起應力集中,使銹坑處的應力提前達到鋼材的屈服應力,從而降低了鋼筋的實際屈服強度。另外,鋼筋最后是在銹坑處被拉斷,此處的實際面積一般很難獲得,而量測的面積往往比實際面積大,這也是造成鋼筋實際屈服強度降低的另一個因素?？偠灾?不均勻銹蝕是導致鋼筋實際強度降低的直接原因。文獻中通過大量試驗數(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際強度變化,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際屈服強度為fsc=(1-0.077δ)fy/(1-δ)(4)式中:fy為鋼筋銹蝕前的實際屈服強度。式(4)適用于截面損失率δ≤15%的銹蝕鋼筋,當截面損失率δ>15%時,由于鋼筋的屈服點已不明顯,伸長率一般小于規(guī)范的允許值,建議按無屈服點的熱軋鋼筋確定銹蝕鋼筋強度。2.2預聚鋼鋼筋鋼筋受力銹蝕構件有限元分析結果表明,最大彎矩截面處銹蝕鋼筋應變較混凝土應變滯后,鋼筋應變與混凝土應變不再滿足平截面要求。從無粘結梁的研究可以看出,粘結性能退化使裂縫間受拉鋼筋的應變趨于均勻。從無粘結梁的分析結果來看,盡管構件配筋率在適筋梁配筋率的范圍內,但由于缺少粘結力,無粘結構件在破壞時,鋼筋不一定屈服;另一方面,并不是所有構件的受拉鋼筋都不能屈服,而是取決于構件的配筋指標,當構件配筋指標小于界限配筋指標時,只要鋼筋端部錨固不失效,鋼筋總能夠屈服,因此,粘結性能退化后,只能說鋼筋可能不屈服,具體情況還與截面配筋指標、鋼筋的銹蝕程度等有關。無粘結梁是普通銹蝕鋼筋混凝土梁在粘結力完全喪失時的極限情況,與無粘結梁類似,普通銹蝕鋼筋混凝土梁的受拉鋼筋也可能不屈服。在現(xiàn)有的銹蝕構件承載力計算模型中,協(xié)同工作系數(shù)實際上就是對鋼筋強度的折減,但沒有從概念上明確提出鋼筋可能不屈服的實質。將以往的協(xié)同工作系數(shù)改稱為鋼筋強度利用系數(shù)能更好地反映鋼筋強度不能充分發(fā)揮的實質,具有明確的物理意義?，F(xiàn)有的協(xié)同工作系數(shù)計算公式在某種程度上能夠反映銹蝕損傷構件的協(xié)同工作情況,但都忽略了在同樣銹蝕程度下,由于構件參數(shù)的不同,粘結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,這也是各國學者基于試驗給出的協(xié)同工作系數(shù)存在差異的原因之一。當配筋指標小于0.246時,無論銹蝕程度如何,鋼筋都能達到屈服,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論,而這對于建立銹蝕損傷構件承載力計算模型將非常重要。2.3牽引鋼筋強度的利用系數(shù)2.3.1筋指標的測定根據(jù)無粘結鋼筋混凝土梁截面配筋指標的概念,定義銹蝕鋼筋混凝土梁的截面配筋指標為β0c=fscAsc/(fcbh0)(5)式中:fc為混凝土軸心抗壓強度;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各種強度利用系數(shù)的確定正常鋼筋混凝土受彎構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)混凝土達到極限壓應變;銹蝕鋼筋混凝土受彎構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)混凝土達到極限壓應變,受拉鋼筋可能屈服也可能不屈服,即銹蝕可能導致受拉鋼筋的強度不能充分發(fā)揮。無粘結梁的分析結果可直接用來評估銹蝕嚴重構件的承載能力,但對于一般銹蝕鋼筋混凝土構件,鋼筋強度利用系數(shù)還受鋼筋銹蝕程度的影響。試驗數(shù)據(jù)表明,當鋼筋銹蝕深度xc為0.3mm左右時,鋼筋與混凝土之間的粘結強度已降低到10%以下,此時可認為粘結力完全喪失,因此,將銹蝕深度0.3mm作為銹蝕損傷構件有無粘結的界限銹蝕量。當然,也可以根據(jù)粘結強度分析方法,計算出粘結力退化系數(shù)為0.1時的鋼筋銹蝕量作為界限銹蝕量,此時確定的銹蝕量將因構件參數(shù)不同而改變。根據(jù)無粘結鋼筋混凝土梁的研究成果,假定銹蝕損傷構件不發(fā)生鋼筋端頭錨固破壞,銹蝕鋼筋的強度利用系數(shù)αsc可分別按3種情況確定。(1)當銹蝕構件的配筋指標β0c小于界限配筋指標β0(β0=0.246)或混凝土表面未出現(xiàn)銹脹裂縫時,取αsc=1.0。(2)當混凝土構件銹蝕嚴重,即鋼筋銹蝕深度xc≥0.3mm時,可按無粘結梁確定鋼筋強度利用系數(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:當計算值αsc>1.0時,取αsc=1.0。(3)當銹蝕構件的配筋指標β0c大于界限配筋指標β0,且鋼筋銹蝕深度xc<0.3mm時,可根據(jù)鋼筋未銹蝕時的強度利用系數(shù)αsc=1.0和鋼筋銹蝕深度xc=0.3mm時的式(6),并結合式(1)～(3)所反映的線性退化規(guī)律,通過線性內插法確定銹蝕鋼筋強度利用系數(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)實際中,并不是鋼筋一旦銹蝕,粘結力就發(fā)生退化,而且即使粘結力退化了,在退化幅度較小的情況下,鋼筋應變滯后并不明顯,還不足以使鋼筋強度利用系數(shù)降低;但是,由于粘結力變化情況除了與鋼筋銹蝕程度有關外,還與混凝土保護層厚度、混凝土強度、鋼筋直徑、鐵銹產物的種類等密切相關,且影響機理極為復雜,若是要準確確定鋼筋應變開始滯后時的銹蝕量,實際中處理起來非常復雜。式(7)實際上是一種偏于保守的方法,其出發(fā)點是便于工程應用。為了驗證上述計算方法的合理性和準確性,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,承載力計算中采用的是軸心抗壓強度,為了盡量反映試驗構件的實際承載力,在驗證計算時,混凝土強度仍采用規(guī)范GBJ10-89中的彎曲抗壓強度,即式(8)、(9)中的α1=1.1時,軸心抗壓強度fc與立方體抗壓強度fcu的轉換關系為fc=0.76fcu,計算結果見表2。3抗彎壓力法的計算3.1極限狀態(tài)下構件承載力分析根據(jù)構件銹蝕后的截面配筋指標和鋼筋銹蝕程度計算極限狀態(tài)下受拉鋼筋的強度利用系數(shù),即可確定銹蝕鋼筋的極限應力,再按規(guī)范中計算完好混凝土梁的方法計算銹蝕構件的承載力。在極限狀態(tài)下,構件破壞截面的計算如圖1所示。根據(jù)截面平衡條件可得α1fcbx=αscfscAsc(8)式中:α1為等效矩形的應力值與軸心抗壓強度設計值的比值,當混凝土強度等級不超過C50時,取α1=1.0;x為等效矩形應力的混凝土受壓區(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試驗結果與試驗結果的相關性文獻中綜合統(tǒng)計了93根梁的試驗資料,計算值與試驗值的相關關系如圖2所示,所有試件計算值與試驗值比值的平均值為1.004,標準方差為0.