摘要: 混凝土中鋼筋銹蝕易造成結構性能退化進而影響到結構的承載力, 因此在已有研究成果的基礎上, 立足現(xiàn)行計算理論, 提出在用鋼筋混凝土梁承載力計算模型, 可為混凝土結構耐久性評估提供科學的依據(jù)。
關鍵詞: 在用鋼筋混凝土梁; 受彎承載能力; 計算模型
中圖分類號: U441.2 文獻標識碼: B 文章編號: 1002- 4786( 2006) 12- 0031- 03
0 引言
鋼筋混凝土結構在長期使用過程中, 由于受自然環(huán)境及使用環(huán)境等因素的作用, 將發(fā)生材料老化、結構損傷, 這種累積損傷必然造成結構性能的逐漸退化、承載力下降、耐久性能降低, 這會給鋼筋混凝土構件的繼續(xù)使用埋下隱患。對于在用鋼筋混凝土構件, 其真實承載力通過破壞性試驗獲得是不現(xiàn)實的, 也是不可能的。如何建立承載力評估方法, 準確預測鋼筋混凝土構件的剩余承載力, 是混凝土結構耐久性評估的關鍵問題。
目前, 國內外對在用鋼筋混凝土構件的承載力研究剛剛起步, 所采用的研究方法主要有試驗法和有限元分析法, 但這些研究大多只是給出定性的分析結果, 而對在用鋼筋混凝土構件承載力的計算方法和模型研究尚少。為此, 本文將在已有試驗研究成果[1～3]的基礎上, 對在用鋼筋混凝土受彎構件的結構性能退化和破壞特征進行分析, 提出較為適用的鋼筋混凝土梁正截面承載力計算方法和模型, 為鋼筋混凝土結構耐久性評估提供依據(jù)。
1 在用鋼筋混凝土梁的結構性能
文獻[1]～[3]的試驗研究表明, 在用鋼筋混凝土梁的損傷主要從以下兩個方面影響構件的承載力:一是混凝土截面損傷和鋼筋截面損失與力學性能退化; 二是鋼筋銹蝕引起鋼筋與混凝土之間粘結性能退化, 導致鋼筋與混凝土不能很好地協(xié)同工作。這兩方面的影響因素在承載力計算中做何考慮, 是建立模型的關鍵。
1.1 銹蝕鋼筋強度的退化
銹蝕鋼筋強度的退化與銹蝕程度有關。文獻[4]～[6]進行了大量銹蝕鋼筋力學性能試驗, 其結果表明, 隨著鋼筋截面損失率的增大, 屈服強度和抗拉強度的下降幅度就會增大, 當鋼筋嚴重銹蝕后, 其應力- 應變曲線會發(fā)生很大的變化, 沒有明顯的屈服點, 且屈服強度與抗拉強度非常接近。銹蝕鋼筋的實際屈服強度和極限強度分別為屈服荷載和極限荷載與鋼筋實際面積的比值。文獻[4]通過試驗分析, 給出了鋼筋銹蝕后按實際面積得出的屈服強度和極限強度與鋼筋銹蝕程度的關系式:
式中, fys、fus分別為銹蝕鋼筋實際屈服強度和極限強度; fy、fu分別為未銹鋼筋屈服強度與極限強度; ηs為鋼筋銹蝕截面損失率(%) 。
文獻[4]建議, 當截面損失率ηs<5%時, 可認為鋼筋銹蝕后的屈服強度與銹蝕前相同; 當截面損失率5%<ηs<60%時, fys和fus可按按照式(1) 和式(2) 計算。
1.2 銹蝕鋼筋粘結性能的退化
鋼筋與混凝土的粘結錨固是鋼筋與混凝土之間一種復雜的相互作用, 用于傳遞二者之間的應力與協(xié)調變形, 因此鋼筋與混凝土之間良好的粘結錨固性能是鋼筋與混凝土兩種不同材料共同工作的基本前提。
有關對鋼筋銹蝕引起鋼筋混凝土粘結錨固性能變化的試驗研究表明: 當銹蝕量較小(ηs<1%) 時,粘結強度隨銹蝕量的增大而增大, 在銹脹開裂前, 仍高于無銹鋼筋; 銹脹開裂后, 粘結力隨裂縫寬度的增大而降低, 當裂縫寬度約為0.1mm時, 粘結力相當于無銹鋼筋的粘結力, 當裂縫寬度超過0.1mm時, 必須考慮粘結力降低對承載力的影響。粘結錨固性能下降引起的鋼筋和混凝土之間協(xié)同工作能力的下降, 是通過協(xié)同工作系數(shù)ks來表征的, 其計算模式為:
式中, ωa的物理含義為當銹脹裂縫寬度超過這一限值時, 粘結力退化將開始影響鋼筋與混凝土之間的協(xié)同工作性能; ωb的物理含義為當銹脹裂縫寬度超過其值時, 即可認為鋼筋與混凝土之間的粘結力基本喪失。
1.3 混凝土截面幾何損傷
對受彎構件來說, 正截面抗彎承載力的計算不考慮受拉區(qū)混凝土的抗拉作用, 因此, 計算時不考慮鋼筋銹蝕引起的受拉區(qū)混凝土截面幾何損傷。但在受壓區(qū), 當混凝土碳化較嚴重時, 需考慮受壓區(qū)混凝土截面幾何損傷對承載力的影響。考慮幾何損傷后的截面尺寸, 可采用如下公式進行計算:
he=h- αc1 ( 4)
be=b- αc2- αc3 ( 5)
式中, h、b分別為截面原有高度和寬度(mm) ;he、be分別為損傷后的截面高度和寬度(mm) ; c1為截面高度方向受壓區(qū)混凝土保護層厚度(mm) ; c2、c3為截面寬度方向的兩側保護層厚度(mm) ; α為對應于保護層c1、c2、c3的幾何損傷系數(shù), 其建議值為: 當受壓區(qū)縱向裂縫寬度0<ω<2mm時, α=0.15ω;當ω=2mm～3mm時, α=0.45。
2 在用鋼筋混凝土梁的破壞特征
試驗研究表明, 銹蝕梁的受力過程仍可分為三個階段:
a) 未裂階段: 當梁承受的彎矩較小時, 截面的應變也較小, 應力與應變成正比, 構件處于彈性工作狀態(tài), 但由于銹蝕梁的剛度小于同條件下的正常梁, 故梁的擾度較未銹梁稍大, 隨著荷載的增大,受拉區(qū)出現(xiàn)垂直裂縫, 即認為第一階段結束;
b) 帶裂工作階段: 受拉區(qū)一旦開裂, 開裂截面的鋼筋應力即象正常梁那樣突然增大, 荷載擾度曲線出現(xiàn)轉折點, 擾度增長加快, 但銹蝕梁的擾度大于正常梁, 隨荷載的增大, 裂縫寬度加大, 中和軸位置上移, 但上升高度低于正常梁, 壓區(qū)混凝土出現(xiàn)塑性變形, 進而受拉鋼筋屈服, 第二階段結束;
c) 破壞階段: 受拉鋼筋屈服后, 中和軸進一步上移, 受壓區(qū)混凝土被壓碎, 梁即發(fā)生破壞。
研究還表明, 銹蝕梁的受力特征與鋼筋銹蝕程度亦有很大的關系: 當銹蝕量較小時( 未出現(xiàn)銹脹裂縫) , 銹蝕梁的破壞與未銹梁完全相同; 銹脹裂縫出現(xiàn)后, 由于鋼筋與混凝土之間的粘結力退化,銹蝕梁的受力裂縫稀少, 間距增大, 分布更不均勻; 對鋼筋嚴重銹蝕粘結力幾乎喪失的情況, 根據(jù)有關的模擬試驗結果, 銹蝕梁具有梁拱受力特征,且隨粘結力喪失區(qū)段的增大, 拱作用越明顯; 當銹蝕量較大時, 粘結性能退化較大, 鋼筋和混凝土共同工作能力下降, 鋼筋不能發(fā)揮其強度與塑性性能, 梁的破壞將從延性向脆性轉化; 當錨固區(qū)主筋與箍筋嚴重銹蝕時, 銹蝕梁可能發(fā)生鋼筋錨固破壞。
3 在用鋼筋混凝土梁抗彎承載力計算
根據(jù)銹后受彎構件承載力試驗結果, 在計算承載力時, 對受彎構件應主要考慮混凝土截面的幾何損傷、銹后鋼筋有效截面減小、鋼筋力學性能惡化以及粘結力損失引起的強度降低等因素。考慮到實際工程中構件的鋼筋銹蝕程度差別較大, 有些鋼筋銹蝕嚴重, 有些銹蝕較輕, 有些可能還未發(fā)生銹蝕, 故在承載力計算中需對每根鋼筋分別考慮其粘結性能退化的影響( 見圖1) 。
若忽略混凝土強度變化的影響, 平衡條件下,銹后鋼筋混凝土受彎構件的正截面受彎承載力計算公式為:
式中, Msu為銹蝕梁正截面受彎承載力; fc為混凝土軸心抗壓強度; α1為受壓區(qū)混凝土矩形應力圖形所取應力與混凝土抗壓強度設計值的比值; x為混凝土受壓區(qū)高度; h0 e為考慮受壓區(qū)混凝土截面幾何損傷后的截面有效高度, 且h0 e=he- a, 其中a為受拉區(qū)鋼筋合力作用點距受拉邊緣距離, 由于各排鋼筋銹蝕程度不均勻, a在鋼筋銹蝕過程中不斷發(fā)生變化, 但其變化相對截面高度而言, 可以忽略不計; fy為未銹鋼筋屈服強度; fysi 為第i根銹蝕鋼筋的實際屈服強度, 具體計算見( 1) 式; As、Asci分別為未銹鋼筋和第i根銹蝕鋼筋的有效截面面積;ksi 為第i根鋼筋的協(xié)同工作系數(shù), 具體計算見( 3)式。
以上兩式的適用條件為:
a) 為了保證構件破壞時不出現(xiàn)超筋破壞, 要求:x≤xbe 或ξ≤ξbe ( 8)
b) 為了保證構件不出現(xiàn)少筋破壞, 要求:ρ≥ρmin ( 9)
式中, ξbe為界限相對受壓區(qū)高度, 主要與鋼筋的彈性模量和屈服強度有關。
彈性模量在鋼筋銹蝕過程中變化不大, 但銹后鋼筋的屈服強度降低, 鋼筋混凝土粘結性能退化,因此隨著銹蝕的加重, 界限相對受壓區(qū)高度會發(fā)生不可忽視的變化, 且有:
式中, xbe為銹后受彎構件界限破壞時, 受壓區(qū)計算高度, xbe=ξbeh0 e; εcu、β1、Es按現(xiàn)行《混凝土結構設計規(guī)范》(GB 50010- 2001) 取值。
4 在用鋼筋混凝土梁計算模型驗證分析
本文收集了文獻[2]中5根自然暴露10年的T形截面梁, 以此驗證所提出的在用鋼筋混凝土受彎構件承載力計算公式的實際可行性。
4.1 試驗梁
試驗梁截面尺寸見圖
2, 基本參數(shù)見表1。
4.2 結果驗證
按照本文提出的銹蝕梁承載力計算方法, 對5根試驗梁進行計算, 結果見表2。由表1、表2可知, 承載力試驗值與計算值之比為1.004, 由此可見, 本文提出的在用鋼筋混凝土
梁承載力計算公式與試驗結果吻合較好, 說明該計算方法基本可用于在用鋼筋混凝土梁的承載力計算。
5 結語
本文在已有研究成果的基礎上, 立足于現(xiàn)行計算理論, 提出了在用鋼筋混凝土受彎構件正截面承載力計算方法和模型, 為混凝土結構的可靠性鑒定和耐久性評估提供了技術依據(jù)。
參考文獻
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