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        銹蝕鋼混構(gòu)件的抗力退化規(guī)律研究

        2015-01-16 06:24:21賈大多王延彬
        河南建材 2015年2期
        關(guān)鍵詞:鋼混抗力擴(kuò)散系數(shù)

        賈大多 王延彬

        1 南陽(yáng)市建筑公司(473004) 2 河南四銘工程管理有限公司(473000)

        銹蝕鋼混構(gòu)件的抗力退化規(guī)律研究

        賈大多1王延彬2

        1 南陽(yáng)市建筑公司(473004) 2 河南四銘工程管理有限公司(473000)

        針對(duì)由氯離子侵蝕引起的銹蝕鋼混構(gòu)件的抗力退化,首先分析了氯離子在混凝土中的擴(kuò)散規(guī)律,然后考慮混凝土的抗壓強(qiáng)度隨時(shí)間變化,分析分構(gòu)件類型對(duì)銹蝕構(gòu)件抗力退化的機(jī)理,并給出了時(shí)變抗力R(t)的計(jì)算方法。

        構(gòu)件;銹蝕;抗力;退化

        實(shí)際工程結(jié)構(gòu)在建成后就不斷地發(fā)生老化,結(jié)構(gòu)構(gòu)件的抗力隨時(shí)間不斷衰減,應(yīng)作為隨機(jī)過(guò)程(R(t))來(lái)研究[1]。對(duì)于鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)來(lái)說(shuō),鋼筋銹蝕是導(dǎo)致結(jié)構(gòu)構(gòu)件抗力退化的主要因素之一,而氯離子侵蝕是導(dǎo)致銹蝕發(fā)生的主要原因之一[2]。因此,這里針對(duì)氯離子侵蝕對(duì)鋼混構(gòu)件性能的影響,研究了銹蝕構(gòu)件的抗力衰減規(guī)律。

        1 氯離子在混凝土中的擴(kuò)散規(guī)律

        目前,普遍采用的討論氯離子擴(kuò)散的理論基礎(chǔ)為Fick第二定律[3]:

        其中:t——時(shí)間;x——距混凝土表面的距離;D——氯離子擴(kuò)散系數(shù);Ct——x處的氯離子總濃度,它包括自由氯離子濃度Cf和結(jié)合氯離子濃度Cb,定義氯離子結(jié)合能力

        在水化齡期為t0(28d)時(shí)測(cè)定混凝土的擴(kuò)散系數(shù)為D0,記t時(shí)刻混凝土的氯離子擴(kuò)散系數(shù)為Dt,則存在以下關(guān)系[4]:

        tmax——對(duì)擴(kuò)散系數(shù)衰減的最大影響時(shí)間,一般取25~30年。

        考慮到混凝土在使用過(guò)程中發(fā)生的性能劣化,定義K為氯離子擴(kuò)散性能的劣化效應(yīng)系數(shù),擴(kuò)散系數(shù)用等效擴(kuò)散系數(shù)De=KDt表示[5]。

        得到氯離子擴(kuò)散性能的計(jì)算方程為:

        結(jié)合初始條件:t=t0,x>0時(shí),Cf=C0;邊界條件:x= 0,t>t0時(shí),Cf=Cs,得到混凝土中氯離子濃度的計(jì)算公式如下:

        其中C0是t=t0時(shí)混凝土內(nèi)的氯離子濃度;Cs是混凝土暴露表面的氯離子濃度;erf 為誤差函數(shù),

        2 銹蝕鋼混構(gòu)件抗力的退化規(guī)律

        2.1 混凝土抗壓強(qiáng)度的時(shí)變規(guī)律

        混凝土的抗壓強(qiáng)度也在隨時(shí)間變化,根據(jù)現(xiàn)有研究成果,與時(shí)間的定量關(guān)系可描述為:

        可取這兩式計(jì)算結(jié)果的平均值為選用值,即:

        其中

        2.2 鋼筋銹蝕對(duì)鋼混構(gòu)件抗力的影響

        鋼筋銹蝕對(duì)構(gòu)件抗力的影響主要體現(xiàn)在三個(gè)方面:1)鋼筋銹蝕后體積膨脹,混凝土保護(hù)層將沿鋼筋產(chǎn)生縱裂,乃至脫落,鋼筋外圍混凝土被分割成未能良好連接的幾部分,造成參與受力的混凝土有效截面減少。對(duì)于軸心受壓和小偏心受壓來(lái)說(shuō),破壞是由于受壓混凝土達(dá)到其抗壓強(qiáng)度,故混凝土受壓面積的大小直接影響構(gòu)件的承載力,因而幾何損傷對(duì)受壓構(gòu)件承載力降低程度的影響很大[8]。2)銹蝕后鋼筋的截面損失和強(qiáng)度降低會(huì)直接影響到構(gòu)件的承載能力。3)鋼筋銹蝕后的銹脹效應(yīng)使其與混凝土之間的黏結(jié)作用受到影響,導(dǎo)致協(xié)同工作能力下降,構(gòu)件的受力性能降低。

        對(duì)于不同的構(gòu)件類型,這一影響的效應(yīng)具體體現(xiàn)為:

        1)受彎構(gòu)件

        鋼筋銹蝕會(huì)使受彎構(gòu)件的抗彎強(qiáng)度降低。試驗(yàn)中構(gòu)件抗彎極限承載力的最大降低值為23.5%,可見(jiàn)影響程度不容忽視。原因除了鋼筋本身截面減少這個(gè)因素外,還有就是由于銹蝕使黏結(jié)力降低,破壞區(qū)段內(nèi)銹蝕構(gòu)件的混凝土和鋼筋的平均應(yīng)變大于正常構(gòu)件,不能充分地進(jìn)行應(yīng)力應(yīng)變重分布。

        2)偏心受壓構(gòu)件

        對(duì)于大偏心的受壓銹蝕構(gòu)件,開裂荷載與破壞荷載的比值明顯大于正常構(gòu)件,構(gòu)件延性明顯降低。在鋼筋剛屈服后不久,壓區(qū)混凝土即被壓碎,破壞荷載顯著低于正常的構(gòu)件。

        對(duì)于小偏心的受壓銹蝕構(gòu)件,破壞前沒(méi)有明顯預(yù)兆,受拉鋼筋應(yīng)力較小。當(dāng)受壓區(qū)鋼筋屈服、混凝土達(dá)到抗壓強(qiáng)度時(shí)發(fā)生破壞,因此出現(xiàn)脆性破壞的性質(zhì)。構(gòu)件在同級(jí)荷載作用下的鋼筋和混凝土的應(yīng)變及側(cè)向撓度均明顯大于正常構(gòu)件。破壞荷載顯著低于正常構(gòu)件。

        2.3 銹蝕構(gòu)件抗力退化規(guī)律的計(jì)算

        對(duì)于鋼筋發(fā)生銹蝕的構(gòu)件,當(dāng)用正常構(gòu)件的計(jì)算方法進(jìn)行強(qiáng)度計(jì)算時(shí),應(yīng)根據(jù)銹蝕開裂和損傷程度的不同,分別考慮鋼筋截面損失、屈服強(qiáng)度損失,以及混凝土的截面損失和黏結(jié)應(yīng)力的損失等所引起的構(gòu)件強(qiáng)度降低。具體方法如下:

        1)對(duì)于銹蝕較少,混凝土保護(hù)層尚未開裂的構(gòu)件,可以不考慮黏結(jié)力損失引起的強(qiáng)度降低。

        鋼筋直徑減小,導(dǎo)致鋼筋的截面積As減小:

        式中:n為鋼筋根數(shù);di(t)為第i根鋼筋t時(shí)刻的直徑。

        鋼筋自身的抗拉強(qiáng)度也降低:

        式中:fys為鋼筋降低后的抗拉強(qiáng)度;ρs為鋼筋截面損失率。

        構(gòu)件的彎曲抗力M和剪切抗力Vcs也減小,結(jié)合現(xiàn)行混凝土設(shè)計(jì)規(guī)范,構(gòu)件的時(shí)變抗彎強(qiáng)度可按下式計(jì)算:

        混凝土受壓區(qū)高度x由下式確定:

        式中:f'c(t)為混凝土動(dòng)態(tài)抗壓強(qiáng)度;fys、f'ys為縱筋抗拉、抗壓強(qiáng)度;h0為截面有效高度;b為截面寬度;a's為受壓區(qū)縱向鋼筋合力點(diǎn)到截面受壓邊緣的距離。

        構(gòu)件的時(shí)變抗剪強(qiáng)度可按下式計(jì)算:

        式中:fyvs為箍筋銹蝕后的抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值;Asv(t)為箍筋截面積;s為箍筋間距。

        2)對(duì)于保護(hù)層已經(jīng)開裂的銹蝕受彎構(gòu)件,還需要考慮黏結(jié)力損失造成的影響。黏結(jié)力損失引起的強(qiáng)度降低系數(shù)η,可按如下原則取值:

        ①當(dāng)縱裂寬度W≤0.5mm時(shí),取η=1.0;

        ②當(dāng)0.5mm<W<2.0mm時(shí),

        ③對(duì)于W>2.0mm至保護(hù)層完全脫落的構(gòu)件,η位于0.7~0.8之間。

        3)對(duì)于保護(hù)層已經(jīng)開裂的偏心受壓構(gòu)件,也應(yīng)考慮黏結(jié)力損失引起的強(qiáng)度降低,降低系數(shù)η的取值同上述受彎構(gòu)件。此外還須考慮截面幾何損傷對(duì)承載能力的影響,考慮幾何損傷后的截面尺寸采用如下公式計(jì)算:

        式中:h、b為截面原有高度和寬度(mm);h′、b′為損傷后截面計(jì)算高度和計(jì)算寬度(mm);α為幾何損傷系數(shù);c1、c2是構(gòu)件長(zhǎng)度方向兩側(cè)保護(hù)層厚度(mm);c3、c4為構(gòu)件寬度方向兩側(cè)保護(hù)層厚度(mm)。

        3 結(jié)語(yǔ)

        這里研究了氯離子侵蝕下鋼混構(gòu)件的抗力衰減規(guī)律問(wèn)題,主要做了以下工作:

        1)氯離子在混凝土中的擴(kuò)散規(guī)律。

        2)考慮了混凝土抗壓強(qiáng)度的時(shí)變性,分析了分構(gòu)件類型對(duì)銹蝕構(gòu)件抗力退化的機(jī)理并給出了時(shí)變抗力的計(jì)算方法。

        [1]Y.S.Petryna,W.B.Kratzig.Computational framework for long-term reliability analysis of RC structures,Computermethods in Appliedmechanics and Engineering.2005,194: 1619~1639.

        [2]Xianming Shi,Ning Xie,Keith Fortune,et al.Durability of steel reinforced concrete in chloride environments:An overview,Construction and Buildingmaterials,2012,30:125~138.

        [3]Yung-Ming Sun,Ming-Te Liang,Ta-Peng Chang.Time/depthdependentdiffusion and chemical reactionmodel of chloride transportation in concrete,Appliedmathematicalmodelling,2012,36(3):1114~1122.

        [4]Thomasmd A,Bamforth P B.Modeling chloridediffusion in concrete:Effect of fly ash and slag.Cement and Concrete Research,1999,29:487~495.

        [5]Pigeonm,Garnier F,Pleau R.Influence ofdrying on the chloride ion permeability of HPC.Concr Int,1993,2:65~69.

        [6]ACI 209,Prediction of creep,shrinkage and temperature effects:2.ACI Committee 209.SubcommitteeⅡ.Draft Report, ACI,Detroit,1978.

        [7]張建仁,劉揚(yáng).混凝土橋梁構(gòu)件服役期的抗力概率模型[J].長(zhǎng)沙理工大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2004,1(1):27~33.

        [8]惠云玲,李榮,林志伸,全明研.混凝土基本構(gòu)件鋼筋銹蝕前后性能試驗(yàn)研究[J].工業(yè)建筑,1997,6:14~18.

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