摘要: 混凝土中鋼筋銹蝕易造成結(jié)構(gòu)性能退化進(jìn)而影響到結(jié)構(gòu)的承載力, 因此在已有研究成果的基礎(chǔ)上, 立足現(xiàn)行計(jì)算理論, 提出在用鋼筋混凝土梁承載力計(jì)算模型, 可為混凝土結(jié)構(gòu)耐久性評估提供科學(xué)的依據(jù)。
關(guān)鍵詞: 在用鋼筋混凝土梁; 受彎承載能力; 計(jì)算模型
中圖分類號(hào): U441.2 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼: B 文章編號(hào): 1002- 4786( 2006) 12- 0031- 03
0 引言
鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)在長期使用過程中, 由于受自然環(huán)境及使用環(huán)境等因素的作用, 將發(fā)生材料老化、結(jié)構(gòu)損傷, 這種累積損傷必然造成結(jié)構(gòu)性能的逐漸退化、承載力下降、耐久性能降低, 這會(huì)給鋼筋混凝土構(gòu)件的繼續(xù)使用埋下隱患。對于在用鋼筋混凝土構(gòu)件, 其真實(shí)承載力通過破壞性試驗(yàn)獲得是不現(xiàn)實(shí)的, 也是不可能的。如何建立承載力評估方法, 準(zhǔn)確預(yù)測鋼筋混凝土構(gòu)件的剩余承載力, 是混凝土結(jié)構(gòu)耐久性評估的關(guān)鍵問題。
目前, 國內(nèi)外對在用鋼筋混凝土構(gòu)件的承載力研究剛剛起步, 所采用的研究方法主要有試驗(yàn)法和有限元分析法, 但這些研究大多只是給出定性的分析結(jié)果, 而對在用鋼筋混凝土構(gòu)件承載力的計(jì)算方法和模型研究尚少。為此, 本文將在已有試驗(yàn)研究成果[1～3]的基礎(chǔ)上, 對在用鋼筋混凝土受彎構(gòu)件的結(jié)構(gòu)性能退化和破壞特征進(jìn)行分析, 提出較為適用的鋼筋混凝土梁正截面承載力計(jì)算方法和模型, 為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)耐久性評估提供依據(jù)。
1 在用鋼筋混凝土梁的結(jié)構(gòu)性能
文獻(xiàn)[1]～[3]的試驗(yàn)研究表明, 在用鋼筋混凝土梁的損傷主要從以下兩個(gè)方面影響構(gòu)件的承載力:一是混凝土截面損傷和鋼筋截面損失與力學(xué)性能退化; 二是鋼筋銹蝕引起鋼筋與混凝土之間粘結(jié)性能退化, 導(dǎo)致鋼筋與混凝土不能很好地協(xié)同工作。這兩方面的影響因素在承載力計(jì)算中做何考慮, 是建立模型的關(guān)鍵。
1.1 銹蝕鋼筋強(qiáng)度的退化
銹蝕鋼筋強(qiáng)度的退化與銹蝕程度有關(guān)。文獻(xiàn)[4]～[6]進(jìn)行了大量銹蝕鋼筋力學(xué)性能試驗(yàn), 其結(jié)果表明, 隨著鋼筋截面損失率的增大, 屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度的下降幅度就會(huì)增大, 當(dāng)鋼筋嚴(yán)重銹蝕后, 其應(yīng)力- 應(yīng)變曲線會(huì)發(fā)生很大的變化, 沒有明顯的屈服點(diǎn), 且屈服強(qiáng)度與抗拉強(qiáng)度非常接近。銹蝕鋼筋的實(shí)際屈服強(qiáng)度和極限強(qiáng)度分別為屈服荷載和極限荷載與鋼筋實(shí)際面積的比值。文獻(xiàn)[4]通過試驗(yàn)分析, 給出了鋼筋銹蝕后按實(shí)際面積得出的屈服強(qiáng)度和極限強(qiáng)度與鋼筋銹蝕程度的關(guān)系式:
式中, fys、fus分別為銹蝕鋼筋實(shí)際屈服強(qiáng)度和極限強(qiáng)度; fy、fu分別為未銹鋼筋屈服強(qiáng)度與極限強(qiáng)度; ηs為鋼筋銹蝕截面損失率(%) 。
文獻(xiàn)[4]建議, 當(dāng)截面損失率ηs<5%時(shí), 可認(rèn)為鋼筋銹蝕后的屈服強(qiáng)度與銹蝕前相同; 當(dāng)截面損失率5%<ηs<60%時(shí), fys和fus可按按照式(1) 和式(2) 計(jì)算。
1.2 銹蝕鋼筋粘結(jié)性能的退化
鋼筋與混凝土的粘結(jié)錨固是鋼筋與混凝土之間一種復(fù)雜的相互作用, 用于傳遞二者之間的應(yīng)力與協(xié)調(diào)變形, 因此鋼筋與混凝土之間良好的粘結(jié)錨固性能是鋼筋與混凝土兩種不同材料共同工作的基本前提。
有關(guān)對鋼筋銹蝕引起鋼筋混凝土粘結(jié)錨固性能變化的試驗(yàn)研究表明: 當(dāng)銹蝕量較小(ηs<1%) 時(shí),粘結(jié)強(qiáng)度隨銹蝕量的增大而增大, 在銹脹開裂前, 仍高于無銹鋼筋; 銹脹開裂后, 粘結(jié)力隨裂縫寬度的增大而降低, 當(dāng)裂縫寬度約為0.1mm時(shí), 粘結(jié)力相當(dāng)于無銹鋼筋的粘結(jié)力, 當(dāng)裂縫寬度超過0.1mm時(shí), 必須考慮粘結(jié)力降低對承載力的影響。粘結(jié)錨固性能下降引起的鋼筋和混凝土之間協(xié)同工作能力的下降, 是通過協(xié)同工作系數(shù)ks來表征的, 其計(jì)算模式為:
式中, ωa的物理含義為當(dāng)銹脹裂縫寬度超過這一限值時(shí), 粘結(jié)力退化將開始影響鋼筋與混凝土之間的協(xié)同工作性能; ωb的物理含義為當(dāng)銹脹裂縫寬度超過其值時(shí), 即可認(rèn)為鋼筋與混凝土之間的粘結(jié)力基本喪失。
1.3 混凝土截面幾何損傷
對受彎構(gòu)件來說, 正截面抗彎承載力的計(jì)算不考慮受拉區(qū)混凝土的抗拉作用, 因此, 計(jì)算時(shí)不考慮鋼筋銹蝕引起的受拉區(qū)混凝土截面幾何損傷。但在受壓區(qū), 當(dāng)混凝土碳化較嚴(yán)重時(shí), 需考慮受壓區(qū)混凝土截面幾何損傷對承載力的影響?？紤]幾何損傷后的截面尺寸, 可采用如下公式進(jìn)行計(jì)算:
he=h- αc1 ( 4)
be=b- αc2- αc3 ( 5)
式中, h、b分別為截面原有高度和寬度(mm) ;he、be分別為損傷后的截面高度和寬度(mm) ; c1為截面高度方向受壓區(qū)混凝土保護(hù)層厚度(mm) ; c2、c3為截面寬度方向的兩側(cè)保護(hù)層厚度(mm) ; α為對應(yīng)于保護(hù)層c1、c2、c3的幾何損傷系數(shù), 其建議值為: 當(dāng)受壓區(qū)縱向裂縫寬度0<ω<2mm時(shí), α=0.15ω;當(dāng)ω=2mm～3mm時(shí), α=0.45。
2 在用鋼筋混凝土梁的破壞特征
試驗(yàn)研究表明, 銹蝕梁的受力過程仍可分為三個(gè)階段:
a) 未裂階段: 當(dāng)梁承受的彎矩較小時(shí), 截面的應(yīng)變也較小, 應(yīng)力與應(yīng)變成正比, 構(gòu)件處于彈性工作狀態(tài), 但由于銹蝕梁的剛度小于同條件下的正常梁, 故梁的擾度較未銹梁稍大, 隨著荷載的增大,受拉區(qū)出現(xiàn)垂直裂縫, 即認(rèn)為第一階段結(jié)束;
b) 帶裂工作階段: 受拉區(qū)一旦開裂, 開裂截面的鋼筋應(yīng)力即象正常梁那樣突然增大, 荷載擾度曲線出現(xiàn)轉(zhuǎn)折點(diǎn), 擾度增長加快, 但銹蝕梁的擾度大于正常梁, 隨荷載的增大, 裂縫寬度加大, 中和軸位置上移, 但上升高度低于正常梁, 壓區(qū)混凝土出現(xiàn)塑性變形, 進(jìn)而受拉鋼筋屈服, 第二階段結(jié)束;
c) 破壞階段: 受拉鋼筋屈服后, 中和軸進(jìn)一步上移, 受壓區(qū)混凝土被壓碎, 梁即發(fā)生破壞。
研究還表明, 銹蝕梁的受力特征與鋼筋銹蝕程度亦有很大的關(guān)系: 當(dāng)銹蝕量較小時(shí)( 未出現(xiàn)銹脹裂縫) , 銹蝕梁的破壞與未銹梁完全相同; 銹脹裂縫出現(xiàn)后, 由于鋼筋與混凝土之間的粘結(jié)力退化,銹蝕梁的受力裂縫稀少, 間距增大, 分布更不均勻; 對鋼筋嚴(yán)重銹蝕粘結(jié)力幾乎喪失的情況, 根據(jù)有關(guān)的模擬試驗(yàn)結(jié)果, 銹蝕梁具有梁拱受力特征,且隨粘結(jié)力喪失區(qū)段的增大, 拱作用越明顯; 當(dāng)銹蝕量較大時(shí), 粘結(jié)性能退化較大, 鋼筋和混凝土共同工作能力下降, 鋼筋不能發(fā)揮其強(qiáng)度與塑性性能, 梁的破壞將從延性向脆性轉(zhuǎn)化; 當(dāng)錨固區(qū)主筋與箍筋嚴(yán)重銹蝕時(shí), 銹蝕梁可能發(fā)生鋼筋錨固破壞。
3 在用鋼筋混凝土梁抗彎承載力計(jì)算
根據(jù)銹后受彎構(gòu)件承載力試驗(yàn)結(jié)果, 在計(jì)算承載力時(shí), 對受彎構(gòu)件應(yīng)主要考慮混凝土截面的幾何損傷、銹后鋼筋有效截面減小、鋼筋力學(xué)性能惡化以及粘結(jié)力損失引起的強(qiáng)度降低等因素。考慮到實(shí)際工程中構(gòu)件的鋼筋銹蝕程度差別較大, 有些鋼筋銹蝕嚴(yán)重, 有些銹蝕較輕, 有些可能還未發(fā)生銹蝕, 故在承載力計(jì)算中需對每根鋼筋分別考慮其粘結(jié)性能退化的影響( 見圖1) 。
若忽略混凝土強(qiáng)度變化的影響, 平衡條件下,銹后鋼筋混凝土受彎構(gòu)件的正截面受彎承載力計(jì)算公式為:
式中, Msu為銹蝕梁正截面受彎承載力; fc為混凝土軸心抗壓強(qiáng)度; α1為受壓區(qū)混凝土矩形應(yīng)力圖形所取應(yīng)力與混凝土抗壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值的比值; x為混凝土受壓區(qū)高度; h0 e為考慮受壓區(qū)混凝土截面幾何損傷后的截面有效高度, 且h0 e=he- a, 其中a為受拉區(qū)鋼筋合力作用點(diǎn)距受拉邊緣距離, 由于各排鋼筋銹蝕程度不均勻, a在鋼筋銹蝕過程中不斷發(fā)生變化, 但其變化相對截面高度而言, 可以忽略不計(jì); fy為未銹鋼筋屈服強(qiáng)度; fysi 為第i根銹蝕鋼筋的實(shí)際屈服強(qiáng)度, 具體計(jì)算見( 1) 式; As、Asci分別為未銹鋼筋和第i根銹蝕鋼筋的有效截面面積;ksi 為第i根鋼筋的協(xié)同工作系數(shù), 具體計(jì)算見( 3)式。
以上兩式的適用條件為:
a) 為了保證構(gòu)件破壞時(shí)不出現(xiàn)超筋破壞, 要求:x≤xbe 或ξ≤ξbe ( 8)
b) 為了保證構(gòu)件不出現(xiàn)少筋破壞, 要求:ρ≥ρmin ( 9)
式中, ξbe為界限相對受壓區(qū)高度, 主要與鋼筋的彈性模量和屈服強(qiáng)度有關(guān)。
彈性模量在鋼筋銹蝕過程中變化不大, 但銹后鋼筋的屈服強(qiáng)度降低, 鋼筋混凝土粘結(jié)性能退化,因此隨著銹蝕的加重, 界限相對受壓區(qū)高度會(huì)發(fā)生不可忽視的變化, 且有:
式中, xbe為銹后受彎構(gòu)件界限破壞時(shí), 受壓區(qū)計(jì)算高度, xbe=ξbeh0 e; εcu、β1、Es按現(xiàn)行《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB 50010- 2001) 取值。
4 在用鋼筋混凝土梁計(jì)算模型驗(yàn)證分析
本文收集了文獻(xiàn)[2]中5根自然暴露10年的T形截面梁, 以此驗(yàn)證所提出的在用鋼筋混凝土受彎構(gòu)件承載力計(jì)算公式的實(shí)際可行性。
4.1 試驗(yàn)梁
試驗(yàn)梁截面尺寸見圖
2, 基本參數(shù)見表1。
4.2 結(jié)果驗(yàn)證
按照本文提出的銹蝕梁承載力計(jì)算方法, 對5根試驗(yàn)梁進(jìn)行計(jì)算, 結(jié)果見表2。由表1、表2可知, 承載力試驗(yàn)值與計(jì)算值之比為1.004, 由此可見, 本文提出的在用鋼筋混凝土
梁承載力計(jì)算公式與試驗(yàn)結(jié)果吻合較好, 說明該計(jì)算方法基本可用于在用鋼筋混凝土梁的承載力計(jì)算。
5 結(jié)語
本文在已有研究成果的基礎(chǔ)上, 立足于現(xiàn)行計(jì)算理論, 提出了在用鋼筋混凝土受彎構(gòu)件正截面承載力計(jì)算方法和模型, 為混凝土結(jié)構(gòu)的可靠性鑒定和耐久性評估提供了技術(shù)依據(jù)。
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