王娜 ，李沛 ，2，張鵬 ，周佰祥

（1.中交天津港灣工程研究院有限公司，天津 300222；2.河北工業(yè)大學(xué)，天津 300401）

0 引言

我國各類混凝土設(shè)計規(guī)范已經(jīng)開始注重混凝土結(jié)構(gòu)構(gòu)件的耐久性，并從材料和構(gòu)造兩方面都做了較為詳細(xì)的規(guī)定[1]。但是，在結(jié)構(gòu)構(gòu)件服役期間，鋼筋銹蝕等耐久性劣化現(xiàn)象不可避免。目前的現(xiàn)狀是，人們對耐久性劣化因素與混凝土構(gòu)件力學(xué)性能劣化的定量關(guān)系研究不足，即有關(guān)混凝土構(gòu)件力學(xué)性能隨耐久性劣化過程的研究報導(dǎo)至今偏少[2]。本文中，基于現(xiàn)行水運工程混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范，運用相關(guān)評估規(guī)范和評估標(biāo)準(zhǔn)，研究高樁碼頭結(jié)構(gòu)中普遍存在的因鋼筋銹蝕導(dǎo)致的環(huán)形截面基樁抗力衰減問題，并計算獲得基樁抗力折減規(guī)律。本文計算結(jié)果直觀闡明銹脹裂縫寬度-鋼筋截面銹蝕率-基樁抗力間的定量關(guān)系，對現(xiàn)有高樁碼頭結(jié)構(gòu)安全性檢測與評估具有指導(dǎo)意義。

1 基樁抗力計算

鋼筋腐蝕對混凝土構(gòu)件劣化性能的影響大致分為三方面：1）鋼筋自身截面面積減小，不均勻銹蝕導(dǎo)致鋼筋表面凹凸不平，應(yīng)力集中，其強度降低、脆性增大、延性變差；2）鋼筋銹蝕導(dǎo)致其與包裹它的混凝土間的黏結(jié)錨固遭到破壞，鋼筋強度不能被充分利用；3）銹蝕物體積膨脹使混凝土保護層脹裂甚至脫落，引起混凝土構(gòu)件截面的幾何損傷。

JTJ 302—2006《港口水工建筑物檢測與評估技術(shù)規(guī)范》[3]規(guī)定：腐蝕后鋼筋混凝土構(gòu)件承載力驗算可按現(xiàn)行JTS 151—2011《水運工程混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》[4-5]的規(guī)定執(zhí)行。

2 參數(shù)取值

綜合JTJ 302—2006《港口水工建筑物檢測與評估技術(shù)規(guī)范》和CECS220：2007《混凝土結(jié)構(gòu)耐久性評定標(biāo)準(zhǔn)》[6]的相關(guān)規(guī)定，腐蝕鋼筋強度設(shè)計值、腐蝕鋼筋強度利用系數(shù)和截面幾何損傷計算取值如下。

2.1 腐蝕后鋼筋強度設(shè)計值

1） 當(dāng)截面銹蝕率≤5%且銹蝕較均勻的鋼筋，銹蝕鋼筋的強度設(shè)計值可按原鋼筋強度設(shè)計值取用。

2） 當(dāng)截面銹蝕率大于5%且不大于10%的鋼筋，或截面銹蝕率不大于5%但銹蝕不均勻的鋼筋，銹蝕鋼筋的強度設(shè)計值按下式計算：

式中：ηs為鋼筋截面銹蝕率，經(jīng)推導(dǎo)得：

鋼筋銹蝕深度δ，保護層開裂至表面可接受最大外觀損傷（銹脹裂縫寬度 0.1～（2～3）mm）的計算公式：

式中：d為鋼筋直徑；c為保護層厚度。

3） 當(dāng)截面銹蝕率大于10%時，銹蝕鋼筋強度設(shè)計值需通過試驗獲得。

2.2 腐蝕后鋼筋強度利用系數(shù)

1）受拉銹蝕鋼筋強度利用系數(shù)按照下列方法取值：

①銹蝕構(gòu)件配筋指標(biāo)按下式計算：

式中：q0為銹蝕后配筋指標(biāo)；fc為混凝土原軸心抗壓強度設(shè)計值。

②保護層未出現(xiàn)銹脹裂縫或配筋指標(biāo)大于0.246時，銹蝕鋼筋強度利用系數(shù)取1.0。

③保護層開裂，鋼筋銹蝕深度小于0.3 mm，且配筋指標(biāo)大于0.246時，銹蝕鋼筋強度利用系數(shù)按下式計算：mm，且配筋指標(biāo)大于0.246時，銹蝕鋼筋強度利用系數(shù)按下式計算：

2）受壓銹蝕鋼筋強度利用系數(shù)取1.0。

2.3 等效截面計算

受壓混凝土構(gòu)件計算應(yīng)采用等效截面，等效截面尺寸按下式計算：

式中：r1，c，r2，c分別為等效截面內(nèi)、外半徑；r1，r2分別為構(gòu)件原截面的內(nèi)、外半徑；c1，c2分別為環(huán)形截面內(nèi)、外側(cè)保護層厚度；n為銹脹裂縫根數(shù)；αcc為保護層損傷系數(shù)，按文獻[3]中表A.0.5取值。

3 算例及分析

某高樁碼頭環(huán)形截面基樁，外徑r2=200 mm，內(nèi)徑r1=140mm，rs=170 mm，配置10根φ12的HRB335級鋼筋，As=1 131 mm2，fy=300 N/mm2。實測混凝土強度 α1fcu，m=191 N/mm2，l0，c=4 m。柱承受的軸向壓力荷載N=600 kN；彎矩荷載M=60 kN·m；正截面抗力Nu=677.4 kN，Mu=69.3 kN·m。假定有1根軸向受力鋼筋發(fā)生銹蝕時，該基樁的正截面抗壓承載力Nu，c、抗彎承載力Mu，c計算結(jié)果見圖1～圖4，顯然：

1）混凝土脹裂是鋼筋銹蝕導(dǎo)致混凝土構(gòu)件損傷的最直觀表現(xiàn)，以銹脹裂縫寬度w為橫坐標(biāo)，分別以銹蝕深度 δ、截面銹蝕率 ηs，ηcei，c/rs，c和正截面抗力損失率為縱坐標(biāo)，圖1～圖4直觀反映了從銹脹開裂（0.1 mm）至表面可接受最大外觀損傷（2～3 mm）過程中混凝土構(gòu)件的劣化損傷過程；

圖1 w-δ關(guān)系Fig.1 Relationship between w-δ

圖2 w-ηs關(guān)系Fig.2 Relationship between w-ηs

圖 3 w- ηc e i，c/r s，c 關(guān)系Fig.3 Relationship between w- ηc e i，c/r s，c

圖4 w與抗力損失率關(guān)系Fig.4 Relationship between w and resistance lossrate

2）隨著銹蝕深度的增加，構(gòu)件劣化呈現(xiàn)加速趨勢，特別是銹脹寬度達到2 mm以后，構(gòu)件劣化損傷速度顯著；

3） 銹脹開裂（0.1 mm）至表面可接受最大外觀損傷（2～3 mm）過程中，ηcei，c/rs，c在 0.86～0.80 之間，即鋼筋銹蝕不會導(dǎo)致破壞模式改變；

4） 銹脹開裂（0.1 mm）至表面可接受最大外觀損傷（2～3 mm）過程中，鋼筋銹蝕深度0.05～0.30 mm，截面銹蝕率1.80%～9.86%，正截面抗壓承載力損失率1.24%～55.98%，正截面抗彎承載力損失率1.45%～65.67%?？箯澇休d力的損失略高于抗壓承載力的損失。

4 結(jié)語

綜上所述，本文主要結(jié)論如下：

1） 鋼筋截面銹蝕率不大于10%時，銹脹裂縫寬度一般在3 mm以內(nèi)，為可接受銹脹裂縫；

2） 鋼筋截面銹蝕率不大于10%時，一般不會導(dǎo)致受壓構(gòu)件最終破壞形態(tài)的改變；

3）鋼筋銹蝕導(dǎo)致的構(gòu)件截面抗力降低是顯著的，特別是銹脹裂縫寬度在2～3 mm之間時，其截面抗力折減顯著；

4） 鋼筋截面銹蝕率不大于10%時，銹脹裂縫寬度在3 mm以內(nèi)，雖不會導(dǎo)致構(gòu)件破壞形態(tài)的改變，但其正截面抗力損失可達60%左右。