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        重復(fù)拉伸荷載下銹蝕鋼筋力學(xué)性能及本構(gòu)關(guān)系探討

        2016-08-02 11:56:58張偉鑫夷靜鹽城交通中等專業(yè)學(xué)校江蘇鹽城224000
        中國房地產(chǎn)業(yè) 2016年11期
        關(guān)鍵詞:延性本構(gòu)屈服

        文/張偉鑫、夷靜 鹽城交通中等專業(yè)學(xué)校 江蘇鹽城 224000

        重復(fù)拉伸荷載下銹蝕鋼筋力學(xué)性能及本構(gòu)關(guān)系探討

        文/張偉鑫、夷靜 鹽城交通中等專業(yè)學(xué)校 江蘇鹽城 224000

        在地震作用下,混凝土中的鋼筋會受到重復(fù)拉伸荷載的作用,本文對銹蝕鋼筋進(jìn)行了重復(fù)拉伸荷載試驗(yàn),分析了銹蝕對鋼筋力學(xué)性能的影響,并以此為基礎(chǔ)建立了銹蝕鋼筋本構(gòu)關(guān)系模型,探討了銹蝕鋼筋的本構(gòu)關(guān)系。

        重復(fù)拉伸荷載;銹蝕鋼筋;力學(xué)性能;本構(gòu)關(guān)系

        前言:

        鋼筋銹蝕是影響混凝土結(jié)構(gòu)耐久性的重要原因,混凝土結(jié)構(gòu)耐久性損傷后,其抗震能力會下降,在腐蝕作用和地震作用下,不僅會影響居住的舒適性,同時(shí)對混凝土結(jié)構(gòu)的安全性和耐久性也有著影響。當(dāng)前對銹蝕鋼筋力學(xué)性能的研究主要集中在單調(diào)荷載方面,而在地震的作用下,混凝土中的鋼筋結(jié)構(gòu)可能會受到重復(fù)荷載的作用。基于以上,本文簡要探討了重復(fù)拉伸荷載下銹蝕鋼筋的力學(xué)性能及本構(gòu)關(guān)系。

        1 重復(fù)拉伸荷載試驗(yàn)

        1.1制作試件

        采用十二根直徑為16毫米的HRB400級鋼筋,其長度一致,銹蝕率分別為0、3%、6%、9%……33%。在實(shí)驗(yàn)之前,實(shí)驗(yàn)前對鋼筋進(jìn)行稱重,將鋼筋澆筑在混凝土板內(nèi),之后外加直流電源進(jìn)行加速腐蝕,以此達(dá)到實(shí)際工程銹蝕條件。在銹蝕完成后去除銹蝕鋼筋,按照性能和耐久性實(shí)驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)來計(jì)算鋼筋的銹蝕率,一般來說,截面損失最嚴(yán)重的部位會發(fā)生界面破壞,因此本文選取截面修飾率為主要研究對象。

        1.2試驗(yàn)方法

        選取電液伺服材料試驗(yàn)機(jī)以及數(shù)據(jù)自動采集儀為試驗(yàn)設(shè)備,采用力控制加載的方式來進(jìn)行重復(fù)拉伸加載試驗(yàn),在鋼筋達(dá)到屈服力以前,設(shè)定荷載的增幅為定值,在鋼筋達(dá)到屈服力之后,對荷載增幅進(jìn)行較少,直到鋼筋破壞為止[1]。采用重復(fù)荷載加載機(jī)進(jìn)行加載試驗(yàn),通過鋼筋實(shí)踐單調(diào)拉伸力學(xué)性能可以得出,沒有銹蝕的鋼筋其屈服力為89.1kN,其極限荷載為113.3kN,在受到銹蝕之后,其極限荷載會出現(xiàn)降低,因此設(shè)置如下加載機(jī)制:如果程序荷載比60kN小,設(shè)定加載增幅為20kN,加載到60kN后進(jìn)行卸載,卸載到0kN之后加載,如果程序設(shè)定荷載超過了60kN時(shí),將加載的增幅設(shè)定為5kN,當(dāng)加載到設(shè)定荷載之后進(jìn)行卸載,之后繼續(xù)加載,知道鋼筋拉斷為止,循環(huán)和在最大值及完全卸載處將持荷設(shè)定為6s,此時(shí)荷載處于穩(wěn)定,對鋼筋的應(yīng)變進(jìn)行基隆路,并以銹蝕截面面積和荷載為基礎(chǔ)進(jìn)行鋼筋試件彈性模量的計(jì)算,鋼筋試件拉斷之后用游標(biāo)卡尺量取伸長量,計(jì)算鋼筋試件的伸長率[2]。

        1.3結(jié)果分析

        1.3.1形態(tài)破壞

        在鋼筋試件斷裂之后,沒有出現(xiàn)銹蝕的鋼筋試件的斷面出現(xiàn)了頸縮現(xiàn)象,而對于出現(xiàn)銹蝕的鋼筋試件來說,隨著銹蝕率的提升,這種頸縮現(xiàn)象逐漸不明顯,鋼筋試件的破壞為脆性破壞狀態(tài)。隨著銹蝕程度的提升,混凝土板面會出現(xiàn)銹脹裂縫,這些裂縫分布均勻,這使得鋼筋試件出現(xiàn)不均勻的銹蝕,從而產(chǎn)生坑蝕,在加載的過程中,鋼筋試件所受的應(yīng)力集中,因此出現(xiàn)脆性破壞而導(dǎo)致斷裂。

        1.3.2荷載與變形

        不同銹蝕的鋼筋試件其荷載變形曲線是不盡相同的,通過鋼筋試件的滯回曲線能夠得出其荷載-位移曲線骨架線,根據(jù)鋼筋試件荷載-位移曲線骨架線可知,隨著銹蝕率的提升,鋼筋試件的變形能力降低,而鋼筋試件的極限荷載和屈服荷載則隨著銹蝕率的提升而逐漸減小,當(dāng)銹蝕率達(dá)到20%左右的時(shí)候,屈服現(xiàn)象基本消失。

        2 銹蝕鋼筋力學(xué)性能分析

        根據(jù)鋼筋試件的力學(xué)性能匯總結(jié)果,對重復(fù)荷載下鋼筋力學(xué)性能進(jìn)行分析,通過分析可知,在重復(fù)荷載下,隨著銹蝕程度的增加,鋼筋試件的屈服強(qiáng)度以、伸長率、彈性模量以及極限強(qiáng)度逐漸降低,其中鋼筋試件的實(shí)際屈服強(qiáng)度和極限強(qiáng)度隨銹蝕程度增加而降低的程度較小,但鋼筋的伸長率和屈服強(qiáng)度則隨著銹蝕程度的增加而快速退化,由此可見,在重復(fù)荷載下,銹蝕對鋼筋的延性有著較大的影響[3]。對其原因進(jìn)行分析,在混凝土中,鋼筋的銹蝕分布并不均勻,有的區(qū)域還存在著坑蝕的現(xiàn)象,這種不均勻的分布以及坑蝕深度的增加使得鋼筋出現(xiàn)十分明顯的延性退化現(xiàn)象,此外,鋼筋的銹蝕會導(dǎo)致其內(nèi)部材料晶格出現(xiàn)一定程度的變化,這也是導(dǎo)致銹蝕鋼筋出現(xiàn)脆性破壞的重要原因之一。

        3 重復(fù)荷載下銹蝕鋼筋本構(gòu)關(guān)系分析

        在重復(fù)荷載實(shí)驗(yàn)中,對沒有銹蝕的鋼筋試件進(jìn)行單調(diào)拉伸試驗(yàn),將重復(fù)荷載骨架曲線與單調(diào)荷載骨架曲線進(jìn)行對比,如圖1所示。

        圖1鋼筋荷載-變形骨架曲線對比圖

        由鋼筋荷載-變形骨架曲線對比圖可知,在彈性階段,重復(fù)荷載和單調(diào)荷載下的荷載位移曲線基本一致,二者強(qiáng)化段斜率基本一致,此外,相較于單調(diào)荷載下荷載位移曲線而言,重復(fù)荷載下的曲線更早的進(jìn)入到強(qiáng)化階段,(如圖1中的實(shí)線所示),此外其屈服臺階段長度要更短以下,破壞位移也要更小以下,在重復(fù)荷載下,鋼筋試件的延展性有著一定程度的降低。銹蝕鋼筋在重復(fù)荷載下,如果采用單調(diào)荷載下的本構(gòu)關(guān)系進(jìn)行計(jì)算,則可能出現(xiàn)結(jié)構(gòu)計(jì)算延性比實(shí)際值偏大的問題,從而影響了安全性。

        根據(jù)上文中分析的重復(fù)荷載實(shí)驗(yàn)力學(xué)性能變化可知,鋼筋在銹蝕之后,其力學(xué)性能出現(xiàn)退化是客觀存在的,銹蝕率越大,鋼筋的變形能力退化越嚴(yán)重,屈服平臺縮短,當(dāng)鋼筋的修飾率達(dá)到20%的時(shí)候,屈服平臺消失。根據(jù)銹蝕鋼筋的這一個(gè)特征,建立三折線模型[4]。當(dāng)鋼筋銹蝕率比20%低的時(shí)候,選取圖2所示的模型,當(dāng)鋼筋銹蝕率比20%高的時(shí)候,選取圖3所示的模型。

        圖2銹蝕率小于20%銹蝕鋼筋本構(gòu)關(guān)系模型圖

        圖3銹蝕率大于20%銹蝕鋼筋本構(gòu)關(guān)系模型圖

        當(dāng)銹蝕率比20%小的時(shí)候,可以假設(shè)屈服平臺長度與鋼筋的銹蝕率成反比例線性變化,以此來確定屈服平臺長度,之后計(jì)算出強(qiáng)化應(yīng)變,20%則為屈服平臺消失的銹蝕率臨界點(diǎn),沒有修飾鋼筋強(qiáng)化應(yīng)變?yōu)榍?yīng)變的四倍,屈服平臺應(yīng)變?yōu)榍?yīng)變的三倍,在鋼筋出現(xiàn)銹蝕之后,引入銹蝕率來分析銹蝕對鋼筋的影響。通過重復(fù)拉伸荷載試驗(yàn)結(jié)果可知,在加載的過程中,鋼筋的應(yīng)變變化與鋼筋的伸長率變化的趨勢基本相同,對于沒有銹蝕的鋼筋來說,其極限應(yīng)變?yōu)榍?yīng)變的25倍,在鋼筋出現(xiàn)銹蝕之后,將銹蝕率引進(jìn)來修正銹蝕對鋼筋的影響。

        根據(jù)圖2及圖3的本構(gòu)關(guān)系模型,以上述特征參數(shù)確定方法為依據(jù),可以得出鋼筋應(yīng)力-應(yīng)變曲線隨著銹蝕率變化的圖形,如圖4所示。

        圖4銹蝕鋼筋應(yīng)力-應(yīng)變曲線圖

        從銹蝕鋼筋應(yīng)力-應(yīng)變曲線圖中可知,當(dāng)銹蝕率小于20%的時(shí)候,銹蝕率的增加會導(dǎo)致鋼筋變形性能降低,而屈服平臺則隨著銹蝕率的增加逐漸減小,在銹蝕率達(dá)到20%的時(shí)候,屈服平臺消失,這與重復(fù)拉伸荷載試驗(yàn)的結(jié)果相同,此外,在銹蝕程度增加的過程中,屈服點(diǎn)會逐漸變得模糊,越來越不明顯,直到荷載達(dá)到鋼筋極限荷載的時(shí)候,鋼筋會出現(xiàn)脆性斷裂[5]。

        結(jié)語:

        本文以銹蝕鋼筋的重復(fù)拉伸荷載試驗(yàn)為基礎(chǔ),對銹蝕鋼筋的力學(xué)性能和本構(gòu)關(guān)系進(jìn)行了分析,主要分析了銹蝕對鋼筋力學(xué)性能的影響,以及在銹蝕作用下,鋼筋本構(gòu)關(guān)系的變化,通過分析主要得出以下結(jié)論:

        (1)在混凝土中的鋼筋,其出現(xiàn)的銹蝕分布并不均勻,混凝土中的部分區(qū)域可能會出現(xiàn)坑蝕的現(xiàn)象,這種不均勻的分布以及坑蝕的深度會對鋼筋的延性產(chǎn)生影響,分布的越不均勻,坑蝕深度越大,則鋼筋的延性退化表現(xiàn)的越明顯。此外,鋼筋銹蝕會使得其內(nèi)部材料晶格出現(xiàn)一定程度的變化,這也是導(dǎo)致修飾鋼筋出現(xiàn)脆性斷裂的一個(gè)重要原因。

        (2)鋼筋銹蝕會影響其變形能力,且屈服平臺會縮短,在破壞的過程中,隨著屈服平臺的縮短,其頸縮現(xiàn)象逐漸不明顯,鋼筋的銹蝕率與其力學(xué)性能和彈性模量有著一定的關(guān)系,銹蝕率越大,銹蝕對鋼筋力學(xué)性能的影響越大,彈性模量降低的速度也越大,因此其對鋼筋延性的影響也就越大。此外,在重復(fù)拉伸荷載作用下,鋼筋銹蝕程度與其耗能性能有著一定的關(guān)系,隨著銹蝕程度的提升,鋼筋耗能性能會逐漸降低,這就使得結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)喪失存儲能量的能力,影響了其抗震性能,在地震發(fā)生的時(shí)候,鋼筋很可能出現(xiàn)脆性斷裂的情況。

        (3)本文以重復(fù)荷載試驗(yàn)為基礎(chǔ),建立了銹蝕鋼筋的本構(gòu)關(guān)系模型,對鋼筋的本構(gòu)關(guān)系進(jìn)行了分析,分析結(jié)果與銹蝕鋼筋的重復(fù)荷載試驗(yàn)結(jié)果一致。

        [1]羅小勇,梁巖,張艷芳.重復(fù)拉伸荷載下銹蝕鋼筋力學(xué)性能及本構(gòu)關(guān)系研究[J].湖南大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2014,(11):81-86.

        [2]周正祥.銹蝕鋼筋疲勞力學(xué)性能研究[D].中南大學(xué),2013.

        [3]張艷芳.反復(fù)荷載作用下銹蝕鋼筋力學(xué)性能研究[D].中南大學(xué),2013.

        [4]張偉平,顧祥林,金賢玉,等.混凝土中鋼筋銹蝕機(jī)理及銹蝕鋼筋力學(xué)性能研究[J].建筑結(jié)構(gòu)學(xué)報(bào),2010,(S1):327-332.

        [5]張偉平,李崇凱,顧祥林,等.銹蝕鋼筋的隨機(jī)本構(gòu)關(guān)系[J].建筑材料學(xué)報(bào),2014,(05):920-926.

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