羅小勇，梁 巖，梁應(yīng)軍

（1.中南大學(xué) 土木工程學(xué)院，湖南 長沙 410075；2.鄭州大學(xué) 土木工程學(xué)院，河南 鄭州 450001）

鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)在長期使用過程中，由于材料老化、不利環(huán)境及使用不當(dāng)?shù)仍斐傻慕Y(jié)構(gòu)損傷直接導(dǎo)致結(jié)構(gòu)承載力下降、耐久性降低及抗震性能退化［1］.目前，鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)存在的突出問題是許多結(jié)構(gòu)處于嚴(yán)重的腐蝕環(huán)境中，同時又處于地震多發(fā)地帶.中國傳統(tǒng)設(shè)計未考慮混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性問題，并且設(shè)計的安全度設(shè)置水平較低，留下了大量存在一定缺陷的結(jié)構(gòu)［2］.這些結(jié)構(gòu)在遭遇地震時易出現(xiàn)脆性破壞，甚至倒塌，其破壞后果嚴(yán)重.Mehta［3］指出：“當(dāng)今世界，混凝土結(jié)構(gòu)的破壞原因按重要性遞減的順序是鋼筋銹蝕、寒冷地區(qū)的凍害、侵蝕環(huán)境的物理化學(xué)作用”.鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)在銹蝕與地震作用下的動力響應(yīng)，不僅影響居住者的舒適性，而且直接影響結(jié)構(gòu)安全性和耐久性［4］.Berto等［5］指出鋼筋混凝土構(gòu)件承載能力和延性會隨著鋼筋的銹蝕率增大而減小，在某些情況下，也會導(dǎo)致結(jié)構(gòu)從塑性破壞轉(zhuǎn)變?yōu)榇嘈云茐?這種作用對結(jié)構(gòu)尤其是地震區(qū)的結(jié)構(gòu)分析很有意義，這些區(qū)域混凝土結(jié)構(gòu)延性特征和實際形成機理都是安全評估中的關(guān)鍵問題.

箍筋位于鋼筋籠外側(cè)，在腐蝕環(huán)境中更易發(fā)生銹蝕.一方面箍筋銹蝕不僅造成自身截面減小、力學(xué)性能退化，且銹脹后混凝土保護層易開裂，結(jié)構(gòu)截面發(fā)生幾何損傷；另一方面箍筋銹蝕后對混凝土約束能力下降，使得結(jié)構(gòu)延性降低，抗震性能退化.Okada等［6］通過噴灑鹽水的方法使混凝土梁中的鋼筋銹蝕，進行低周反復(fù)荷載試驗，結(jié)果表明在循環(huán)荷載作用下該結(jié)構(gòu)的承載力較無銹蝕結(jié)構(gòu)的降低速度快.之后國內(nèi)外學(xué)者對鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)耐久性損傷后的抗震性能進行了大量研究［7］，但內(nèi)容多是結(jié)構(gòu)加固及其抗震性能的評估［8－10］，形式多是理論分析［11－14］，試驗研究［15－17］不多，箍筋銹蝕對結(jié)構(gòu)抗震性能影響的研究更少.本文對銹蝕箍筋混凝土大尺寸受彎構(gòu)件的低周反復(fù)載荷性能進行了試驗研究，探討箍筋銹蝕對鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)承載力、耗能性能、剛度及延性等的影響.

1 試驗

1.1 試件設(shè)計

鋼筋混凝土試件共6個，各試件尺寸、配筋和加載形式相同，縱筋未銹蝕，僅箍筋銹蝕，但銹蝕程度不同.混凝土設(shè)計強度為C30，其配合比為m（水）∶m（水泥）∶m（砂子）∶m（卵石）＝0.40∶1.00∶1.21∶2.95.試驗實測立方體抗壓強度為36.2MPa.縱筋HRB335 直徑16 mm，箍筋HPB300 直徑8mm，間距100mm.試件尺寸見圖1.鋼筋的材料性能如表1所示.

圖1 試件尺寸示意圖Fig.1 Schematic of specimen design（size：mm）

表1 鋼筋材料性能Table 1 Material properties of rebar

試件箍筋設(shè)計銹蝕率（質(zhì)量分?jǐn)?shù)，文中涉及的銹蝕率、含量等均為質(zhì)量分?jǐn)?shù)）分別為0%，6%，12%，18%，24%和30%.箍筋與縱筋連接處進行絕緣處理，以防止縱筋銹蝕.鋼筋快速銹蝕采用電化學(xué)銹蝕方法，試件澆筑養(yǎng)護完成后放入5%氯化鈉溶液中浸泡20d，然后通直流電源進行電化學(xué)加速銹蝕，電流密度0.55mA／cm2.試驗完成后從破壞的試件中取出銹蝕箍筋，將銹蝕鋼筋截取成20cm 試件，用12%鹽酸溶液酸洗，經(jīng)清水漂凈后用石灰水中和，再用清水沖洗干凈，擦干后置于干燥器中存放5h，然后用天平秤取每根鋼筋質(zhì)量，計算鋼筋實際銹蝕率.

1.2 試驗裝置及加載制度

采用MTS電液伺服試驗機，最大荷載為1 000kN.試件底部用地錨固結(jié)，上端施加水平反復(fù)荷載.加載時首先采用荷載控制循環(huán)加載直至試件進入屈服狀態(tài)，試件屈服后改用位移控制循環(huán)加載.荷載控制的初始荷載取計算開裂荷載的50%，位移控制循環(huán)等級均為試驗屈服位移Δy，每級循環(huán)3 次，直至試件發(fā)生破壞.試驗極限荷載Fu應(yīng)低于峰值荷載Fp的85%，試件達到極限狀態(tài)后可以判定加載試件已經(jīng)破壞，此時停止試驗.

2 試驗現(xiàn)象

箍筋銹蝕鋼筋混凝土試件低周反復(fù)載荷性能試驗結(jié)果見表2.由表2可見，箍筋的實際銹蝕率與設(shè)計銹蝕率有一定差距.

試件的屈服荷載和位移根據(jù)能量等值法確定，極限荷載取峰值荷載下降15%所對應(yīng)的荷載.由于銹蝕過程的復(fù)雜性，各試件呈現(xiàn)出的銹蝕程度不均勻，表2中的銹蝕率為箍筋的實測平均銹蝕率.試驗發(fā)現(xiàn)，試件內(nèi)箍筋發(fā)生嚴(yán)重不均勻銹蝕，轉(zhuǎn)角區(qū)域箍筋銹蝕嚴(yán)重，直線區(qū)段銹蝕較輕；箍筋銹蝕產(chǎn)物膨脹致使混凝土保護層開裂，裂縫產(chǎn)生于試件轉(zhuǎn)角部位，且沿縱筋方向分布，在試件轉(zhuǎn)角部位產(chǎn)生豎向銹脹裂縫，隨著銹蝕率的增大，銹脹裂縫寬度逐漸增大.試件從開始加載到破壞依次經(jīng)歷開裂狀態(tài)、屈服狀態(tài)和極限狀態(tài).各試件的破壞狀態(tài)見圖2.由圖2可以看出，各試件隨著銹蝕率的不同，其破壞形態(tài)各不相同.對于銹蝕試件，由于縱筋的滑移，在加載過程中可以聽到其內(nèi)部明顯的噼啪響聲.銹蝕率較大的試件在加載過程中箍筋剪斷，呈現(xiàn)明顯的脆性破壞特征.

表2 不同箍筋銹蝕率下鋼筋混凝土試驗結(jié)果Table 2 Experimental results of reinforced concrete under different stirrup corrosion rates

圖2 各試件破壞狀態(tài)Fig.2 Failure modes of specimens

銹蝕試件在反復(fù)荷載作用下，銹脹裂縫首先沿原有縱向拓展，隨著荷載增大，在根部出現(xiàn)新的水平彎曲裂縫，但裂縫相對鋼筋未銹蝕試件稀疏，貫通裂縫數(shù)量減小，間距增大，裂縫出現(xiàn)的最大高度有所降低.鋼筋屈服后，水平彎曲裂縫繼續(xù)開展，在根部以上第1或第2根箍筋處形成主裂縫.荷載繼續(xù)增大，混凝土保護層整塊剝落，長度達300mm，縱筋外露且向外屈曲.從銹蝕嚴(yán)重的試件可以看出，臨近破壞時混凝土保護層呈塊狀脫落，核心混凝土壓碎，試件破壞.試驗發(fā)現(xiàn)，部分角部箍筋銹蝕嚴(yán)重，混凝土的約束作用減弱，抗剪能力下降，試件接近破壞時箍筋外鼓更加明顯，與縱筋連接處被撐開，甚至被撐斷，縱筋壓曲明顯且反復(fù)拉壓，L－6試件破壞時縱筋甚至被拉斷.未銹蝕試件及銹蝕率較低試件破壞形態(tài)以延性較好的彎曲破壞為主；箍筋銹蝕率的增大導(dǎo)致試件抗剪承載力降低，混凝土約束作用減弱，高銹蝕率試件在加載過程中剪切變形明顯，試件達到極限荷載后呈現(xiàn)較明顯的脆性性質(zhì)，試件端部塑性鉸區(qū)形成明顯的剪切破壞面，破壞形態(tài)逐漸向延性較差的剪切破壞轉(zhuǎn)變.

3 試驗結(jié)果及分析

3.1 荷載－位移滯回曲線及骨架曲線

試件水平荷載－位移滯回曲線見圖3.由圖3可看出，當(dāng)荷載較小，試件處于彈性狀態(tài)時，卸載曲線基本與加載曲線重合，滯回曲線斜率基本不變，呈直線型.試件達到開裂狀態(tài)后，隨著荷載的增大，位移增大速率大于荷載增大速率，曲線斜率逐漸減小，且減小的幅度加快，試件剛度逐漸退化.由圖3還可以看出，卸載曲線的斜率隨反復(fù)加卸載循環(huán)次數(shù)的增加而減小，表明構(gòu)件卸載剛度也在發(fā)生退化；卸載完成后，試件殘余變形隨反復(fù)加卸載次數(shù)不斷累積而增大.總的趨勢看來，完好試件的滯回曲線比較飽滿，呈穩(wěn)定豐滿的梭形，沒有明顯的捏攏現(xiàn)象，表現(xiàn)出較好的塑性變形和耗能能力.箍筋銹蝕后試件滯回曲線與無銹蝕試件有明顯不同.在開裂前，銹蝕構(gòu)件的滯回曲線與完好構(gòu)件基本一致，加卸載曲線近似重合為直線，構(gòu)件處于彈性階段；開裂之后，由于銹蝕箍筋的影響，試件滯回曲線的豐滿程度和滯回環(huán)面積相對完好構(gòu)件逐漸減小，捏攏現(xiàn)象明顯，表明構(gòu)件耗能能力和變形性能降低.隨著箍筋銹蝕率的增大，構(gòu)件的破壞形式逐漸類似于“少筋破壞”.

圖3 各試件荷載－位移滯回曲線Fig.3 Hysteresis curves of the specimens

3.2 荷載－位移骨架曲線

滯回曲線上各次同向加載的峰值點依次相連得到的曲線稱為骨架曲線，試件荷載－位移骨架曲線見圖4.由圖4可知：各試件初始剛度差異較小，表明較小荷載作用下，鋼筋銹蝕對結(jié)構(gòu)性能影響較??；隨著銹蝕率的逐漸增大，構(gòu)件破壞時的極限位移減小.試件L－6由于箍筋銹蝕率較大，混凝土約束降低，縱筋反復(fù)拉壓以致斷裂，表2中承載力數(shù)據(jù)也表明，試件承載力變化不明顯，這是因為試件受剪承載力遠(yuǎn)大于受彎承載力.

圖4 試件骨架曲線Fig.4 Skeleton curves of the specimens

試驗發(fā)現(xiàn)反復(fù)荷載作用下鋼筋銹脹裂縫對試件性能影響較大，銹脹裂縫沿縱筋隨機出現(xiàn)在試件角部，并非均勻?qū)ΨQ出現(xiàn)在四角.荷載作用下，銹脹裂縫寬度不斷增大，混凝土在銹脹裂縫處剝落，試件截面變?yōu)榉菍ΨQ多邊形，原中心荷載變?yōu)槠暮奢d，試件受扭，導(dǎo)致試件受力更為復(fù)雜.

3.3 延性退化

延性系數(shù)是評估結(jié)構(gòu)或構(gòu)件抗震性能的一個重要指標(biāo).對于有抗震設(shè)防要求的結(jié)構(gòu)，具有良好的延性，能夠有效吸收和耗散地震能量，降低結(jié)構(gòu)的動力反應(yīng)，減輕地震破壞，防止結(jié)構(gòu)倒塌.位移延性系數(shù)μ 為極限位移Δu與屈服位移Δy的比值，其表達式見式（1）：

屈服位移確定的方法采用能量等值法，能量等值法采用折線OYU 替代原F－D 曲線，折線的確定原則為OYU 折線下面積與原曲線OAU 下面積相等，或者面積OAB 與BYU 相等，如圖5所示.

圖5 能量等值法Fig.5 Energy equivalence method

各試件延性系數(shù)見表2.由表2可知，隨著鋼筋銹蝕程度的增大，試件特征位移逐漸減小，延性系數(shù)逐漸降低.這是因為隨著銹蝕程度增大，箍筋面積減小，混凝土約束作用減小，導(dǎo)致試件延性降低.

由表2可見，當(dāng)銹蝕率較低時，由于銹蝕產(chǎn)物填充了混凝土空隙，延性系數(shù)變化不大；當(dāng)銹蝕率大于10.3%時，延性系數(shù)急劇下降；當(dāng)箍筋銹蝕率達到22.6%時，延性降低30%.這是因為箍筋銹蝕率較大時，由于銹蝕的不均勻性，箍筋在其與縱筋連接處銹蝕嚴(yán)重，混凝土約束作用減小，甚至喪失，致使延性急劇下降.

3.4 剛度退化

剛度退化是指結(jié)構(gòu)或構(gòu)件剛度隨反復(fù)加載次數(shù)的增多而降低的特性.取各試件每級循環(huán)荷載作用下，荷載與相應(yīng)位移的比值作為每級循環(huán)的割線剛度，以Ki表示，試件荷載－位移曲線的初始剛度以K0表示.圖6為根據(jù)試驗實測值得到的各試件割線剛度衰減曲線.

圖6 試件剛度衰減曲線Fig.6 Decay curves of specimen stiffness

由圖6可以看出，試件剛度隨著位移的增大而減??；在達到峰值荷載之后，剛度衰減速率減小，剛度的衰減趨于平緩.銹蝕試件由于裂縫發(fā)展和變形積累更為迅速，初始剛度相對較小，剛度衰減速率要大于未銹蝕試件.

3.5 耗能性能

結(jié)構(gòu)在承受地震往復(fù)荷載作用下發(fā)生彈塑性變形，消耗能量能力是衡量其抗震性能的重要依據(jù)，耗能能力越大，對抗震越有利.結(jié)構(gòu)吸收和耗散能量的能力，可由滯回曲線所包圍的面積和形狀來衡量.各試件耗能性能見圖7.由圖7可看出，當(dāng)箍筋銹蝕率小于10.3%時，耗能總體變化不大；當(dāng)銹蝕率大于10.3%時，耗能性能降低較多，銹蝕率達到22.6%時極限狀態(tài)耗能約降低18.3%.

圖7 試件滯回耗能Fig.7 Energy dissipation of specimens

試件的耗能特性可采用等效黏結(jié)阻尼系數(shù)he表示，表達式見式（2），其確定方法如圖8所示.

圖8 等效黏結(jié)阻尼系數(shù)計算Fig.8 Calculation of equivalent viscous damping coefficient

式中：SABCDEFGA為1個加載、卸載滯回環(huán)所圍成的面積；S△OCH，S△OFI分別為三角形OCH，OFI的面積.

各試件屈服狀態(tài)等效黏結(jié)阻尼系數(shù)如圖9 所示.由圖9可知，隨著銹蝕率的增大，試件等效黏結(jié)阻尼系數(shù)逐漸減少，說明滯回曲線豐滿程度降低，捏攏現(xiàn)象更加明顯.

圖9 試件等效黏結(jié)阻尼系數(shù)Fig.9 Equivalent viscous damping coefficient of specimens

4 結(jié)論

（1）箍筋銹蝕對混凝土構(gòu)件在反復(fù)荷載作用下的延性、剛度和耗能性能均有較大影響.各試件隨著箍筋銹蝕程度的增大，滯回曲線的豐滿程度逐漸減小，捏攏現(xiàn)象顯著，試件耗能能力、剛度及變形性能降低.當(dāng)箍筋銹蝕率達到10.3%時，試件的延性及耗能性能降低明顯；當(dāng)箍筋銹蝕率達到22.6%時，試件的延性降低30%，極限狀態(tài)耗能約降低18.3%.

（2）箍筋銹蝕在一定程度上改變了試件的破壞形態(tài)和失效模式.箍筋銹蝕導(dǎo)致混凝土約束作用減弱，縱筋反復(fù)拉壓甚至斷裂，使得試件達到極限荷載后呈現(xiàn)較明顯的脆性性質(zhì)，試件端部塑性鉸區(qū)形成明顯的剪切破壞面，破壞形態(tài)逐漸向延性較差的剪切破壞轉(zhuǎn)變.

（3）箍筋銹蝕對混凝土構(gòu)件抗震性能有較大影響，特別是銹蝕嚴(yán)重試件，在地震中更易表現(xiàn)為脆性破壞，在結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計中應(yīng)考慮這一不利影響.

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