方亮 周云 易督航

摘? ?要：采用通電方式對(duì)配置HRB500級(jí)鋼筋和普通鋼筋的混凝土板進(jìn)行加速銹蝕，并對(duì)銹蝕鋼筋混凝土板進(jìn)行抗彎承載力試驗(yàn)研究. 對(duì)比分析了不同銹蝕程度下鋼筋混凝土板的破壞形態(tài)、抗彎承載能力、荷載-撓度曲線. 同時(shí)，通過(guò)試驗(yàn)研究了銹蝕鋼筋受拉性能和黏結(jié)性能隨銹蝕程度不同的變化規(guī)律. 考慮板內(nèi)不同銹蝕程度的鋼筋可能發(fā)生受拉屈服或黏結(jié)滑移破壞，提出銹蝕鋼筋混凝土板抗彎承載力計(jì)算方法. 經(jīng)過(guò)對(duì)比分析，試驗(yàn)結(jié)果與計(jì)算模型吻合良好，銹蝕板抗彎承載力計(jì)算值與試驗(yàn)值之比的平均值為1.019，標(biāo)準(zhǔn)差為0.081.

關(guān)鍵詞：HRB500級(jí)鋼筋;銹蝕;鋼筋混凝土板;抗彎承載力

中圖分類號(hào)：TU375.2? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

Experimental Study on Flexural Behavior of Corroded

Reinforced Concrete Slabs with HRB500 Bars

FANG Liang1，2，ZHOU Yun1?，YI Duhang3

（1. College of Civil Engineering，Hunan University，Changsha 410082，China;

2. Engineering College，Hunan Agricultural University，Changsha 410128，China;

3. School of Civil Engineering ，Southwest Jiaotong University，Chengdu 610031，China）

Abstract：The reinforced concrete slabs using HRB500 rebar and ordinary steel rebar were corroded by artificial accelerated method， and four-point bending test was applied on these corroded slabs. The failure modes， flexural capacity， load-deflection curves of the slabs were analyzed by comparing test specimens under different corrosion degree. This study further investigated the relationship between corrosion ratio and deterioration of tensile capacity and bond behavior of corroded steel. Considering the occurrence of reinforcement yielding and bond-slip due to different corrosion degree， a calculation method of flexural bearing capacity of corroded reinforced concrete slab was proposed. A good agreement between calculated values and tested results of the corroded reinforced concrete slab was achieved. The average ratio of calculated values to test results was 1.019， and the standard deviation was 0.081.

Key words：HRB500 bars;corrosion;reinforced concrete slab;flexural bearing capacity

鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)中運(yùn)用強(qiáng)度高、性能好的鋼筋，既能提高構(gòu)件受力性能、改善其使用功能，又方便拓展結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法，還可以節(jié)省材料，具有十分明顯的經(jīng)濟(jì)效益. 20世紀(jì)80年代起國(guó)外普遍采用設(shè)計(jì)強(qiáng)度400 MPa以上的高強(qiáng)鋼筋;歐美國(guó)家、日本等20世紀(jì)90年代以來(lái)對(duì)設(shè)計(jì)強(qiáng)度達(dá)500 MPa的鋼筋進(jìn)行了大面積的推廣應(yīng)用[1]. Apostolopoulos等[2-3]研究了銹蝕對(duì)S500級(jí)鋼筋疲勞性能的影響. Sumpter 等[4-5]通過(guò)對(duì)比試驗(yàn)研究了配置高強(qiáng)鋼筋和普通鋼筋的混凝土梁，認(rèn)為使用高強(qiáng)鋼筋可提高抗剪承載力. 我國(guó)對(duì)高強(qiáng)度鋼筋的研發(fā)和應(yīng)用起步稍晚，但隨著我國(guó)建筑用鋼筋體系不斷完善，HRB500級(jí)系列高強(qiáng)鋼筋已進(jìn)入規(guī)范，并制定了“加快淘汰335 MPa、優(yōu)先使用400 MPa，積極推廣500 MPa螺紋鋼筋”的技術(shù)路線[6]，因此全國(guó)各研究機(jī)構(gòu)和高校進(jìn)行了大量試驗(yàn)研究. 沈宇[7]、徐風(fēng)波[8]、李瓊[9]分別通過(guò)試驗(yàn)對(duì)配置HRB500級(jí)鋼筋的混凝土梁的抗彎承載力、正常使用開(kāi)裂和撓度問(wèn)題進(jìn)行了研究. 張艇[10]對(duì)HRB500級(jí)鋼筋混凝土簡(jiǎn)支梁和連續(xù)梁的受彎及受剪性能進(jìn)行了試驗(yàn)研究. 江濤[11]對(duì)配置HRB500級(jí)鋼筋的混凝土框架結(jié)構(gòu)進(jìn)行了靜力試驗(yàn)研究. 于秋波[12]通過(guò)試驗(yàn)研究了配置HRB500級(jí)鋼筋的部分預(yù)應(yīng)力混凝土梁的受力特點(diǎn)和破壞形態(tài). 王鐵成等[13-14]研究了高強(qiáng)鋼筋混凝土構(gòu)件在靜力荷載作用下的抗彎、抗剪性能和低周往復(fù)荷載作用下的抗震性能. 豐見(jiàn)政[15]對(duì)比研究了配置HRB500級(jí)鋼筋混凝土梁常溫下和高溫后的力學(xué)性能. 金偉良等[16]對(duì)銹蝕HRB500級(jí)鋼筋混凝土構(gòu)件的受力性能進(jìn)行了試驗(yàn)研究. 總結(jié)來(lái)看，因鋼筋銹蝕引起的混凝土結(jié)構(gòu)耐久性問(wèn)題研究周期長(zhǎng)、試驗(yàn)離散性較大，因此目前針對(duì)配置HRB500級(jí)鋼筋的混凝土構(gòu)件耐久性問(wèn)題研究較少[17]. 另外，結(jié)合市場(chǎng)調(diào)查和工程實(shí)際情況發(fā)現(xiàn)，HRB500級(jí)系列鋼筋僅在沿海較發(fā)達(dá)地區(qū)使用較多，中部地區(qū)普及程度仍然較低. 本次試驗(yàn)通過(guò)對(duì)加速銹蝕后的鋼筋混凝土足尺板進(jìn)行靜力抗彎試驗(yàn)，結(jié)合同等條件下混凝土內(nèi)銹蝕鋼筋的黏結(jié)強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度，對(duì)比分析銹蝕對(duì)配置HRB500級(jí)鋼筋混凝土板抗彎性能的影響，為高強(qiáng)鋼筋混凝土構(gòu)件耐久性設(shè)計(jì)以及高強(qiáng)鋼筋在工程中進(jìn)一步推廣應(yīng)用提供更多數(shù)據(jù)支持和研究依據(jù).

式中：N為鋼筋所受拉力，N;d為鋼筋的直徑，mm;l為黏結(jié)長(zhǎng)度，mm，本次取250 mm.

相對(duì)黏結(jié)強(qiáng)度kτ為同系列試件中銹蝕試件與未銹蝕試件的黏結(jié)強(qiáng)度之比（如圖13所示）. 為簡(jiǎn)化計(jì)算，不考慮銹蝕率較低時(shí)黏結(jié)力的提高. 通過(guò)回歸分析得到kτ與銹蝕率之間的關(guān)系如式（5）. 銹蝕率較低時(shí)kτ取1.0，使計(jì)算結(jié)果偏于安全.

3? ?抗彎承載力試驗(yàn)結(jié)果

3.1? ?試件銹蝕情況

足尺板試件裂縫多出現(xiàn)在板底部對(duì)應(yīng)縱筋的位置，并沿縱向從試件跨中向兩端開(kāi)展（如圖14所示）. 足尺板側(cè)向保護(hù)層厚度較大，但也有部分板側(cè)面對(duì)應(yīng)縱向鋼筋位置處出現(xiàn)縱向裂縫（S1-1M、S1-2H、S2-2M、S2-2H）. 銹脹裂縫情況詳見(jiàn)圖15（縱向）. 鋼筋銹蝕情況詳見(jiàn)表6.

3.2? ?抗彎破壞形態(tài)

銹蝕鋼筋混凝土板受彎的破壞模式以受壓區(qū)混凝土壓碎破壞為主，破壞過(guò)程仍分為3個(gè)階段：整體工作階段（彈性）、帶裂縫工作階段（塑性發(fā)展）、破壞階段. 對(duì)比圖15中不同試件受力裂縫（橫向）情況，未銹蝕鋼筋混凝土板受彎破壞時(shí)，板底和板側(cè)產(chǎn)生豐富的受彎裂縫;鋼筋銹蝕構(gòu)件破壞時(shí)，受彎裂縫數(shù)量減少. 同系列試件，銹蝕率越高，試件破壞時(shí)產(chǎn)生的受力裂縫減少越明顯. 加載過(guò)程中，受彎裂縫開(kāi)展會(huì)因既有銹脹裂縫而改變方向. 隨銹蝕率增大，板底受力裂縫開(kāi)展趨于集中，或產(chǎn)生一條主裂縫. 此情況在鋼筋強(qiáng)度較低的S1-1和S2-1系列試件中更為明顯. 當(dāng)銹蝕率過(guò)高時(shí)，由于板底出現(xiàn)橫向發(fā)展的銹脹裂縫，如試件S1-1M和S1-1H受力裂縫與橫向銹脹裂縫重合，其中試件S1-1H因銹蝕率過(guò)大，且板底橫向銹脹裂縫開(kāi)展充分，試件在加載初期就沿橫向銹脹裂縫發(fā)生斷裂.

3.3? ?試件荷載-撓度曲線

圖16所示為試件S、N兩側(cè)跨中荷載-撓度曲線（D3，D7）. 同系列試件在加載初期的整體工作階段，未銹蝕試件的荷載-撓度曲線斜率最大，試件曲線斜率隨銹蝕率增大出現(xiàn)不同程度的減小;同系列試件中，未銹蝕試件的屈服階段最明顯，銹蝕試件的屈服過(guò)程明顯變短. 配置普通HRB400級(jí)鋼筋的試件，當(dāng)銹蝕率達(dá)到15%左右時(shí)，基本無(wú)明顯的屈服階段;配置HRB500E級(jí)高強(qiáng)鋼筋的試件，屈服階段隨銹蝕率增大而變短的幅度較小. 試件S1-1M和S2-1H板側(cè)的銹脹裂縫，在加載后期不斷發(fā)展，且與受力裂縫相互影響，使板出現(xiàn)了輕微的扭轉(zhuǎn)，表現(xiàn)為試件D3和D7處位移差略大. 分析試驗(yàn)結(jié)果（表6）可知，銹蝕率對(duì)試件的開(kāi)裂荷載影響較小. 試件抗彎承載力和跨中撓度值都隨鋼筋銹蝕率增大而減小.

3.4? ?銹蝕率對(duì)抗彎性能的影響

定義相對(duì)抗彎承載力kM為同系列試件中銹蝕試件抗彎承載力與未銹蝕試件抗彎承載力之比（見(jiàn)表6）. 通過(guò)回歸分析可知，試件抗彎承載力隨銹蝕率增大而呈線性減?。ㄈ鐖D17所示）. 對(duì)比配置HRB400和HRB500E級(jí)鋼筋試件的kM曲線，前者的斜率較后者的大44%. 說(shuō)明配置HRB500E級(jí)鋼筋的試件，抗彎承載力隨銹蝕率增大下降較緩慢，銹蝕后的剩余抗彎承載能力較強(qiáng).

鋼筋混凝土足尺板剛度隨銹蝕率增加而減小，表現(xiàn)為試件峰值荷載時(shí)的跨中撓度隨鋼筋銹蝕率增加而減小. 定義相對(duì)跨中撓度kD為同一系列試件中，銹蝕后試件的跨中撓度與未銹蝕試件的跨中撓度之比（見(jiàn)表6）. 試件跨中撓度值隨銹蝕率增大的變化較為離散，但通過(guò)對(duì)撓度數(shù)據(jù)進(jìn)行分析可知，銹蝕后抗彎試件的撓度變化基本符合線性減小的變化規(guī)律（如圖18所示）. 對(duì)比配置HRB400和HRB500E級(jí)鋼筋試件的kD曲線，跨中撓度下曲線斜率分別為4.34%和2.6%，即隨銹蝕率增大，前者跨中撓度下降率較后者快66.9% （如圖18所示）. 配置HRB500E級(jí)鋼筋的試件，跨中撓度隨銹蝕率增大下降較為緩慢，銹蝕后的變形性能更好.

3.5? ?混凝土應(yīng)變

圖19、圖20分別是試件S2-2H混凝土的荷載-應(yīng)變圖和跨中截面混凝土的應(yīng)變沿截面高度變化的情況. 隨銹蝕率增大，鋼筋可能發(fā)生黏結(jié)滑移，但通過(guò)比較分析發(fā)現(xiàn)，鋼筋屈服或發(fā)生黏結(jié)滑移破壞前，試件發(fā)生彎曲變形基本符合平截面假定.

4? ?抗彎承載力計(jì)算

4.1? ?試件破壞模式

隨著銹蝕增加，鋼筋的（名義）屈服強(qiáng)度和鋼筋與混凝土的黏結(jié)性能都會(huì)下降，試件受彎時(shí)可能出現(xiàn)鋼筋受拉屈服或黏結(jié)滑移2種破壞情況：

式中：Fy，C為鋼筋的屈服拉力，N;Fτ，C為鋼筋與混凝土的黏結(jié)力，N;fy，C為受拉鋼筋的屈服強(qiáng)度，MPa，按式（2）計(jì)算;d為受拉鋼筋的直徑，mm，取鋼筋的公稱直徑;τC為受拉鋼筋與混凝土的平均黏結(jié)強(qiáng)度，MPa，按式（5）計(jì)算;lb為受拉鋼筋的計(jì)算黏結(jié)長(zhǎng)度，mm.

4.2? ?承載力計(jì)算

經(jīng)過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證，銹蝕鋼筋混凝土受彎構(gòu)件仍基本符合平截面假定. 考慮試件中受拉鋼筋銹蝕不均勻，抗彎承載力計(jì)算公式可寫(xiě)為：

式中：Mu，C為試件的抗彎承載力，N·mm;α1為等效系數(shù)，混凝土強(qiáng)度等級(jí)不高于C50時(shí)取1.0;fc為混凝土軸心抗壓強(qiáng)度，MPa;b為試件截面寬度，mm;h0為試件截面有效高度，mm;Ft，i為每根受拉鋼筋提供的抗拉承載力，N，取Fy，C和Fτ，C中的較小值;n為受拉鋼筋根數(shù).

足尺板抗彎試驗(yàn)采用四點(diǎn)加載方式，因此計(jì)算黏結(jié)長(zhǎng)度lb = 700 mm. 試件承載力試驗(yàn)值與計(jì)算值的統(tǒng)計(jì)分析詳見(jiàn)表6，所有試件抗彎承載力的計(jì)算值與試驗(yàn)值之比的平均值為1.067，標(biāo)準(zhǔn)差為0.113. 其中銹蝕板抗彎承載力的計(jì)算值與試驗(yàn)值之比的平均值為1.019，標(biāo)準(zhǔn)差為0.081，說(shuō)明計(jì)算值與試驗(yàn)結(jié)果吻合較好.

5? ?結(jié)? ?論

采用通電方式對(duì)配置高強(qiáng)鋼筋和普通鋼筋的混凝土板進(jìn)行加速銹蝕;通過(guò)銹蝕鋼筋抗拉試驗(yàn)、銹蝕鋼筋混凝土拉拔試驗(yàn)以及銹蝕鋼筋混凝土板抗彎試驗(yàn)，對(duì)比研究銹蝕對(duì)高強(qiáng)鋼筋混凝土板抗彎性能的影響，并根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果對(duì)銹蝕板抗彎承載力進(jìn)行了計(jì)算.

1）通過(guò)銹蝕鋼筋單向拉伸試驗(yàn)測(cè)得HRB500E

級(jí)和HRB400級(jí)銹蝕鋼筋的屈服強(qiáng)度、極限強(qiáng)度和伸長(zhǎng)率均隨銹蝕率增加呈線性減小.

2）銹蝕HRB500E級(jí)和HRB400級(jí)鋼筋半梁式

拉拔試驗(yàn)結(jié)果表明：當(dāng)銹蝕率<2.6%時(shí)，可不考慮銹蝕對(duì)鋼筋與混凝土黏結(jié)強(qiáng)度的增大影響;銹蝕率>2.6%時(shí)，鋼筋與混凝土黏結(jié)強(qiáng)度隨銹蝕率增大而線性減小.

3）配置HRB500E級(jí)和HRB400級(jí)鋼筋的混凝

土板，銹蝕后抗彎性能變化規(guī)律基本一致，即鋼筋銹蝕率增大，試件抗彎承載力和變形性能退化明顯. 其中，試件抗彎承載力和跨中撓度都隨銹蝕率增大而線性減小. 且隨銹蝕率增大，配置HRB400級(jí)鋼筋的試件，承載力下降較快，跨中撓度減小更顯著;而配置HRB500E級(jí)鋼筋的試件，鋼筋銹蝕后的剩余抗彎承載能力和變形性能都較強(qiáng).

4）考慮板內(nèi)縱筋銹蝕程度不統(tǒng)一，建立銹蝕鋼筋混凝土板受彎破壞模式的判別方法，再利用平衡關(guān)系，計(jì)算銹蝕鋼筋混凝土板抗彎承載力. 計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果吻合良好.

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