朱愛萍，付瑞佳，楊健彬，郝欣

（1中國建筑科學(xué)研究院有限公司，北京 100013；2山地城鎮(zhèn)建設(shè)與新技術(shù)教育部重點實驗室（重慶大學(xué)），重慶 400045；3重慶大學(xué) 土木工程學(xué)院，重慶 400045）

0 引言

鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)具有堅固、耐久、防火性好、成本低等特點，在世界范圍內(nèi)得到廣泛使用。然而鋼筋銹蝕卻是影響鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)耐久性的一個重要問題，尤其是對于處于侵蝕較為嚴重環(huán)境中的結(jié)構(gòu)，如橋梁結(jié)構(gòu)、港灣結(jié)構(gòu)、島礁結(jié)構(gòu)等，鋼筋銹蝕造成的工程問題已帶來了巨大的損失[1-2]。在正常使用條件下，混凝土結(jié)構(gòu)的使用年限應(yīng)達50~120年，但實際工程中許多混凝土結(jié)構(gòu)卻遠未達到使用年限。我國上世紀六七十年代建造的許多碼頭、港口、工業(yè)廠房等建筑物，由于混凝土質(zhì)量不夠優(yōu)良，施工質(zhì)量存在缺陷，使用壽命不到30年已破壞嚴重，維修或修復(fù)費用及停止生產(chǎn)營運造成的經(jīng)濟損失十分巨大。交通部的統(tǒng)計資料表明，海工鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)通常在10～15年，短則5~8年就會發(fā)生鋼筋銹蝕破壞。我國寧波北侖港10萬噸級礦石碼頭，使用不到10年就出現(xiàn)嚴重銹蝕而損壞。連云港、湛江海港碼頭以及華南地區(qū)的許多海港碼頭建成后不久就出現(xiàn)鋼筋銹蝕和不同程度的損壞。盡管目前解決鋼筋銹蝕問題的方法有很多，如加大混凝土保護層厚度、在鋼筋表面涂刷抗銹蝕材料、陰極保護等等，但是這些方法都只能略微延緩鋼筋的銹蝕，并不能徹底解決鋼筋的銹蝕問題[3]。而不銹鋼鋼筋中含有較多的鎳和鉻，能從根本上解決鋼筋的銹蝕問題[4]。

從上個世紀開始，墨西哥、美國、加拿大等國家已經(jīng)相繼將不銹鋼鋼筋應(yīng)用于實際工程中，并且已有專門的設(shè)計手冊[5]。在國內(nèi)，我國于2004年5月頒布的“混凝土結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計與施工指南”[6]是對不銹鋼鋼筋應(yīng)用的首次許可。但是目前國內(nèi)外對不銹鋼筋的研究大多是在抗腐蝕性能方面，而對不銹鋼鋼筋的力學(xué)性能以及對配置不銹鋼鋼筋構(gòu)件及結(jié)構(gòu)的受力性能研究仍顯不足[3]。雖然2016年9月27日正式貫通的港珠澳大橋采用了國產(chǎn)不銹鋼鋼筋，但仍缺乏對國產(chǎn)不銹鋼鋼筋結(jié)構(gòu)及構(gòu)件進行更深入的試驗和研究。

為此，本文總結(jié)了國內(nèi)外不銹鋼鋼筋混凝土的研究現(xiàn)狀，包括不銹鋼鋼筋的抗腐蝕性能研究、不銹鋼鋼筋的基本力學(xué)性能研究以及不銹鋼鋼筋混凝土試件力學(xué)性能研究。在此基礎(chǔ)上，本文分析了研究現(xiàn)狀中存在的問題和不足，并且提出了目前對于不銹鋼鋼筋混凝土亟需研究的內(nèi)容和問題，為以后不銹鋼鋼筋的研究提供參考。

1 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

1.1 不銹鋼鋼筋抗腐蝕性能研究

不銹鋼鋼筋的合金成分包括鉻、鎳、銅、鋁、硅、鉬等，其中主要的兩種合金成分為鉻和鎳，這使得不銹鋼鋼筋在氧化介質(zhì)中能夠生成致密堅固的鈍化膜，從而具有很好的化學(xué)穩(wěn)定性。而且當(dāng)鉻的含量大于11.7%時，不銹鋼鋼筋的電極電位明顯升高，從而能進一步防止不銹鋼鋼筋的腐蝕[7]。

從上個世紀下半葉開始，國內(nèi)外學(xué)者就對不銹鋼鋼筋的抗腐蝕性能開展了很多研究[8-14]：佐勃等人在1985年對304不銹鋼鋼筋進行了抗腐蝕性研究，研究發(fā)現(xiàn)不銹鋼鋼筋在普通鋼筋開始腐蝕的7～10倍的氯離子濃度下依然沒有明顯的腐蝕；考克斯和弗林在1987年將配有不銹鋼鋼筋和普通低碳鋼筋的試件放在海水中進行抗腐蝕性試驗，結(jié)果顯示當(dāng)普通低碳鋼筋發(fā)生嚴重腐蝕且強度大幅下降時，不銹鋼鋼筋只發(fā)生局部腐蝕且鋼筋強度不受影響；希威特等人也是將配有不銹鋼鋼筋和普通低碳鋼筋的試件放在海水中進行試驗，一年后取出，發(fā)現(xiàn)普通低碳鋼筋試件出現(xiàn)裂縫而不銹鋼鋼筋試件沒有出現(xiàn)裂縫，普通低碳鋼筋出現(xiàn)銹蝕而不銹鋼鋼筋未銹蝕；墨西哥于1937年將AISI304不銹鋼鋼筋應(yīng)用于ProgresoPier大橋的橋墩部位，該橋墩從建成至今沒有經(jīng)過一次維修，而且查看發(fā)現(xiàn)鋼筋沒有明顯劣化跡象[15-16]。

1.2 不銹鋼鋼筋基本力學(xué)性能

不銹鋼材料一般可以分為以下五種：鐵素體不銹鋼、奧氏體不銹鋼、奧氏體-鐵素體雙相不銹鋼、沉淀硬化不銹鋼、馬氏體不銹鋼。由于不銹鋼鋼筋要用于建筑結(jié)構(gòu)中，所以要求有足夠的強度、較低的硬度、良好的塑性性能。目前建筑結(jié)構(gòu)中常用不銹鋼鋼筋及力學(xué)性能見表1[17]。

表1 建筑結(jié)構(gòu)常用不銹鋼鋼筋及力學(xué)性能

不銹鋼鋼筋由于添加了合金元素導(dǎo)致其力學(xué)性能與普通鋼筋有較明顯的區(qū)別：

（1）不銹鋼鋼筋與普通碳素鋼鋼筋相比，應(yīng)力應(yīng)變曲線沒有明顯的屈服平臺；

（2）不銹鋼鋼筋的非線性特征比普通

鋼筋明顯，普通鋼筋的比例極限約為屈服強度的70%，而不銹鋼鋼筋在36%～60%之間[17]；

（3）不銹鋼鋼筋還存在一定的各向異性，其壓縮和拉伸的應(yīng)力應(yīng)變曲線不對稱[18]；

（4）國外不銹鋼鋼筋的彈性模量比普通碳素鋼筋的彈性模量略低，但是比較穩(wěn)定，約為190GPa[19]，國產(chǎn)不銹鋼鋼筋的彈性模量比國外不銹鋼鋼筋的彈性模量更低且不穩(wěn)定，其值在1.2～1.8GPa之間，表2中列出了部分國產(chǎn)不銹鋼鋼筋的力學(xué)性能測試值[20]；

表2 部分國產(chǎn)不銹鋼鋼筋力學(xué)性能測試值

（5）不銹鋼鋼筋的延伸率是普通鋼筋的2倍并且具有良好的應(yīng)力強化效應(yīng)，因此具有良好的塑形和延性，同時還具有良好的抗沖擊性和抗疲勞性；

（6）試驗證明不銹鋼鋼筋在高溫和低溫環(huán)境下都具有良好的力學(xué)性能，不銹鋼鋼筋在600℃時依然能夠具有有效的強度[17]。

兩種鋼筋的應(yīng)力-應(yīng)變曲線對比如圖1，不銹鋼鋼筋的屈服強度一般采用殘余應(yīng)變?yōu)?.2%對應(yīng)的條件屈服強度。對于不銹鋼鋼筋的本構(gòu)模型，Eurocode3建議采用修正Ramberg-Osgood連續(xù)本構(gòu)關(guān)系模型[21]如公式（1）-（3）：

當(dāng)σ≤fy時,

當(dāng) fy≤σ≤fu時,

公式中，n為材料系數(shù)，介于3和10之間，fy=σ0.2，是殘余應(yīng)變?yōu)?.2%時對應(yīng)的應(yīng)力，Es是應(yīng)力應(yīng)變曲線σ-ε中屈服強度點的切線模量，可以表示為：

圖1 不銹鋼鋼筋和普通鋼筋的應(yīng)力-應(yīng)變曲線對比

1.3 不銹鋼鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)構(gòu)件的研究現(xiàn)狀

國內(nèi)外學(xué)者已經(jīng)相繼進行了一些配置不銹鋼鋼筋的試件的力學(xué)性能研究，主要是關(guān)于粘結(jié)錨固、裂縫撓度、板梁柱抗震性能與疲勞性能等方面的研究。

（1）不銹鋼鋼筋粘結(jié)錨固性能研究

美國密西根理工大學(xué)的Theresa M.Ahlborn做了191根配置不銹鋼鋼筋混凝土梁的梁端粘結(jié)試驗[21]，試驗結(jié)果顯示對于粘結(jié)長度為10.16～25.4cm的一組構(gòu)件，其粘結(jié)強度與普通鋼筋混凝土的粘結(jié)強度相似，而對于粘結(jié)長度為13.97～30.48cm的一組構(gòu)件，其粘結(jié)強度低于普通鋼筋混凝土的粘結(jié)強度；美國的AASHTO規(guī)范指出，不銹鋼鋼筋混凝土的粘結(jié)強度要低于普通鋼筋混凝土的粘結(jié)強度[22]，因此對于不銹鋼鋼筋混凝土需要加大錨固長度；張國學(xué)等[23]采用國外不銹鋼鋼筋做了27個粘結(jié)強度拔出試驗，得出的試驗結(jié)論是在表面形狀相同的情況下，不銹鋼鋼筋和普通鋼筋的粘結(jié)強度基本相同，可以采用與普通鋼筋相同的錨固長度；李承昌等[24]采用國產(chǎn)不銹鋼鋼筋做了12個粘結(jié)性能的試驗并用HRB335的鋼筋做了9個對比試驗。試驗表明兩種鋼筋與混凝土的平均粘結(jié)應(yīng)力沒有明顯差異，而且兩者與混凝土的粘結(jié)應(yīng)力分布規(guī)律基本相同。所以建議不銹鋼鋼筋與混凝土的粘結(jié)應(yīng)力分布規(guī)律以及平均粘結(jié)應(yīng)力可以參照普通鋼筋的進行計算，但是又提出由于不銹鋼鋼筋的強度與普通鋼筋的強度有所差別，所以應(yīng)該根據(jù)不銹鋼鋼筋的強度對其錨固和搭接尺寸進行相應(yīng)的調(diào)整。

（2）鋼筋裂縫及撓度研究

由于不銹鋼鋼筋的延伸率很大而彈性模量較小，所以配置不銹鋼鋼筋構(gòu)件的裂縫寬度和撓度是需要注意的問題。梁愛華等[25]對配置了Type304不銹鋼鋼筋的梁進行了裂縫寬度試驗，并將裂縫的試驗值與美國混凝土學(xué)會試驗標(biāo)準方法ACI318-89以及英國混凝土結(jié)構(gòu)規(guī)范BS8110提出的裂縫計算公式的計算值相比較。試驗結(jié)果表明，當(dāng)不銹鋼鋼筋的應(yīng)變小于0.1%時，試驗值與計算值基本符合，而當(dāng)不銹鋼鋼筋的應(yīng)變大于0.1%時，試驗值大于計算值，說明不銹鋼鋼筋也具有屈服流限；張國學(xué)等[26]采用日本的SUS304不銹鋼鋼筋進行了梁的受彎性能試驗，對梁的裂縫和撓度進行了研究，試驗得出在各級荷載下不銹鋼鋼筋混凝土梁的裂縫寬度和撓度都大于普通鋼筋混凝土梁，梁的裂縫寬度實測值與中國規(guī)范公式的計算值相似，而試驗梁的撓度實測值要大于中國規(guī)范公式的計算值；李承昌等[27]采用國產(chǎn)不銹鋼鋼筋進行了梁的受彎性能試驗，但是由于采用HRB335級鋼筋的對比試驗梁和不銹鋼鋼筋試驗梁并不是等強配筋，所以裂縫寬度和撓度不便對比，只得出不銹鋼鋼筋混凝土梁的裂縫和撓度的發(fā)展以及梁的破壞過程與普通鋼筋混凝土梁相似，不銹鋼鋼筋混凝土梁破壞時的撓度大于普通鋼筋混凝土梁等結(jié)論。

（3）板、梁、柱受力性能研究

國內(nèi)外學(xué)者還對不銹鋼鋼筋做了許多梁、板、柱的試驗：S.Alih做了不銹鋼鋼筋混凝土梁的靜力試驗，并將試驗結(jié)果與Abaqus軟件的分析結(jié)果進行比較，兩者的結(jié)果比較接近[28]；張國學(xué)、徐永生等[29]進行了不銹鋼鋼筋混凝土梁的靜載試驗，對梁的裂縫寬度、撓度、極限承載力等力學(xué)性能進行了試驗研究和理論分析；趙峰、張志浩等[30-31]進行了不銹鋼鋼筋混凝土梁和柱的低周反復(fù)加載試驗，試驗結(jié)果表明配置不銹鋼鋼筋的梁和柱具有良好的抗震性能；黃嘉偉和張穎等[32，33]進行了不銹鋼鋼筋混凝土梁和板的疲勞試驗，試驗結(jié)果表明不銹鋼鋼筋混凝土梁板抗疲勞性良好；李承昌、耿會濤等[34]對配置國產(chǎn)不銹鋼鋼筋的混凝土梁進行靜載試驗，對梁的撓度、開裂彎矩、極限承載力等力學(xué)性能進行了試驗研究和理論分析。

2 目前亟待解決的問題

國內(nèi)外學(xué)者雖然對不銹鋼鋼筋混凝土開展了一定數(shù)量的研究，但是目前進行的研究工作主要集中在配置國外不銹鋼鋼筋構(gòu)件上，對上述有明顯特點的國產(chǎn)不銹鋼鋼筋構(gòu)件的性能研究還不夠充分，仍存在以下急需解決的主要問題：

（1）不銹鋼鋼筋混凝土的粘結(jié)性能方面。雖然目前國內(nèi)外已經(jīng)完成了一定數(shù)量的試驗研究，但是對不銹鋼鋼筋的粘結(jié)強度以及粘結(jié)錨固機理還沒有得出成熟的結(jié)論，還需要對鋼筋的粘結(jié)錨固性能進一步深入研究。

（2）不銹鋼鋼筋混凝土的裂縫和撓度方面。目前國產(chǎn)不銹鋼鋼筋的彈性模量明顯偏小（表2），需對配置國產(chǎn)不銹鋼鋼筋混凝土受彎構(gòu)件的裂縫寬度和撓度開展重點研究，而目前對不銹鋼鋼筋混凝土構(gòu)件裂縫寬度和撓度的研究非常少，需建立基于不銹鋼鋼筋構(gòu)件的正常使用狀態(tài)下的裂縫寬度和撓度計算方法。

（3）配置不銹鋼鋼筋的板梁柱的力學(xué)性能研究方面。雖然張國學(xué)等[29-33]采用國外不銹鋼鋼筋做了板梁柱的試驗研究，但是由于試驗數(shù)量有限，不能夠充分考慮混凝土強度、配筋率、配箍率、軸壓比等對試驗構(gòu)件的影響，所以仍然需要進一步對國產(chǎn)不銹鋼筋梁板柱開展深入的試驗研究。

（4）配置不銹鋼鋼筋整體結(jié)構(gòu)的受力及抗震性能。目前對不銹鋼鋼筋的研究還停留在構(gòu)件層面，缺乏對不銹鋼鋼筋整體結(jié)構(gòu)的受力及抗震性能的研究。研究與配置普通HRB熱軋鋼筋結(jié)構(gòu)在大震作用下結(jié)構(gòu)非線性動力反應(yīng)的差異，以及對梁、柱、墻、節(jié)點抗震性能需求的差異即限值等。

（5）對不銹鋼鋼筋結(jié)構(gòu)工程開展工程建設(shè)標(biāo)準編制工作。

3 結(jié)論與展望

不銹鋼鋼筋具有良好的抗腐蝕性能，隨著對海洋空間以及地下空間的開發(fā)，不銹鋼鋼筋將會得到越來越多的應(yīng)用，同時對不銹鋼鋼筋性能研究的需求也會越來越迫切。但是由于不銹鋼鋼筋和普通鋼筋的力學(xué)性能具有一定的差異，所以不銹鋼鋼筋的工程應(yīng)用需要有充足的理論研究作為支撐，尤其是對國產(chǎn)不銹鋼鋼筋及結(jié)構(gòu)的研究更是缺乏，需要國內(nèi)研究人員及工程技術(shù)人員開展更加深入系統(tǒng)的研究工作。

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