基于钢筋锈蚀的混凝土梁承载能力退化预计模型.pdf

第3 7 卷第4 期 2 0 0 8 年7 月 中国矿业大学学报 J o u m a lo fC h i n aU n i v e r s i t yo fM i n i n g ＆T e c h n o l o g y V 0 1 ．3 7N o ．4 J u l ．2 0 0 8 基于钢筋锈蚀的混凝土梁承载能力退化预计模型 吴庆1 ’2 ，袁迎曙2 1 ．安徽理工大学土木建筑学院，安徽淮南2 3 2 0 0 1 ；2 ．中国矿业大学建筑工程学院，江苏徐州2 2 1 1 1 6 摘要为了得到锈蚀钢筋混凝土梁承载力预计模型，在锈蚀混凝土梁截面应力应变基本假定基 础上，运用普通混凝土理论和已有的锈蚀构件试验研究成果，建立了锈蚀程度相对较小的构件的 正截面适筋延性破坏模型；运用极限平衡理论和拉杆拱模型求出钢筋滑移量与剪应力的关系，从 而建立了不同锈蚀程度的钢筋混凝土梁正截面承栽力预计模型．结果表明计算得到的破坏荷栽 值比试验值偏小，差别在1 0 ％～3 0 ％之间． 关键词锈蚀；混凝土梁；承载能力；退化；预计模型 中图分类号T U3 7 5 ．0 2文献标识码A文章编号1 0 0 0 1 9 6 4 2 0 0 8 0 4 一0 5 0 9 0 5 AM o d e lf o rD e g e n e r a t i o ni nB e a r i n gC a p a c i t yo f ，’1-、 ‘ ，’111 卜、，‘1一、 U O n c r e t eB e a m sw l t hC O r r O d e d 上 3 ．0m m 时，口一1 ．o ．这里是针 对锈蚀程度较小的情况，因此，取口一1 ．1 5 硼． 代人相关系数后，得到锈蚀梁正截面破坏的承 载能力计算模型 M c o ．s “阮[ 趔≮参丛“。 2 一 J l l 。l 厂，．。A7 ，．。 矗一2 口 ． 5 1 ．3 黏结撕裂破坏 随着钢筋锈蚀率增加，钢筋混凝土构件的基本 性能必然随之退化．当锈胀裂缝达到一定宽度时， 构件会由适筋破坏演变为黏结撕裂破坏．其承载力 由受压区混凝土抗压、受拉区钢筋承拉，二者共同 工作，发展到主要取决于锈后钢筋混凝土之间的黏 结强度．下面就针对锈蚀钢筋混凝土梁这一特点， 建立锈蚀钢筋混凝土梁正截面计算模型． 1 ．3 ．1 受力模型 混凝土构件锈胀开裂后，钢筋与混凝土间的黏 结力逐渐退化．但达到～定程度后，梁主要以钢筋 端部锚固滑移为主．若钢筋端部锚固措施可靠，且 全跨受拉钢筋的混凝土保护层发生锈胀开裂，那么 其受力特点和破坏特征仍然类似于普通钢筋混凝 土结构原理中的空间拉杆拱模型，与混凝土之间无 可靠黏结的锈蚀钢筋相当于拉杆，受压区混凝土形 成拱轴线，其力学模型和相应计算模型如图1 所 示． a 拉杆拱力学模型 b 计算模型 图1 锈蚀钢筋混凝土梁拉杆拱计算模型 F i g ．1 T i e d a r c hc o m p u t a t i o n a lm o d e lo fc o r r o d e dr e i n f o r c e dc o n c r e t eb e a m s 万方数据 第4 期吴庆等基于钢筋锈蚀的混凝土梁承载能力退化预计模型 5 1 1 1 ．3 ．2受压区高度z 与剪应力r 的关系 根据受压区混凝土压应力简化原理，将对拉杆 拱的计算模型进行简化 如图2 所示 ，运用极限平 衡理论，建立锈蚀钢筋混凝土梁正截面计算模型． 图2 钢筋混凝土梁横截面示意 F i g ．2 I l l u s t r a t i o no fR Cb e a mc r o s ss e c t i o n 图3 为梁受弯承载力计算简图，由此建立钢筋 混凝土梁在轴向平衡，即钢筋拉力T 与混凝土压 力相等，得 T 一厂c 如， 6 式中丘为钢筋混凝土梁受压区混凝土平均应 力． 一胁 图3 钢筋混凝土梁受弯承载力计算简图 F i g ．3B e a r i n gc a p a c i t yc a I c u l a t i o nd i a g r a m o fl o a d e dR Cb e a m 这里，钢筋自身所能承担的最大拉力L 为 ． T 。 ，，，。A 。， 7 式中 ．。为锈蚀钢筋的屈服强度，M P a ；A 。为锈 蚀钢筋的实际截面积，m m 2 ． 而锈蚀钢筋与混凝土间的黏结应力产生的拉 力T 。为 T 。 r ，c 出， 8 式中r 为锚固区受拉钢筋的平均黏结剪应力， N ／m m 2 ；d 为钢筋的直径，m m ；s 为钢筋在混凝土 中的长度，m m ； 由分析发现，当锈胀裂缝硼 1 ．2m m 时，T u 丁。，此时，由锈蚀钢筋与混凝土间的黏结应力起 决定作用． 锈蚀钢筋混凝土梁在受载过程中钢筋产生滑 移，由于滑移速度非常小，故可以把钢筋看作处于 平衡状态，所以钢筋拉力与钢筋所受剪力相等，得 T r 7 c d s 一△z 。 9 式中缸为钢筋的滑移量，m m ． 联立式 6 ， 9 得 z 一堡垫掣． 1 0 山一 ，、J v ， jc b 1 ．3 ．3 滑移量△z 与载荷P 和剪应力r 的关系 由于钢筋混凝土梁的高度和宽度远远小于梁 的跨度，故可以把整个钢筋混凝土梁简化成材料力 学里的“梁”．故钢筋混凝土梁受载荷后变形示意图 可以用图4 来表示． 图4钢筋混凝土梁受载变形 F i g ．4 D i s t o r t i o no fl o a d e dr e i n f o r c e dc o n c r e t eb e a m 根据材料力学的叠加理论可得出钢筋混凝土 梁两端的转角口的表达式 口一日1 见， 1 1 式中。p ，，岛分别为集中载荷单独作用时的转角． 经计算莉悯一器，晚一篇，故 p 一口t 以一一南一一M 药知， 1 2 式中P 为载荷，N ；M 为弯矩，N m m ；￡为钢筋混 凝土梁的跨度，m m ；E 。为混凝土的弹性模量， M P a ；J 为混凝土的惯性矩． 因此，根据材料力学和弹性力学理论，钢筋的 滑移量△z 由两部分引起的第一部分是由于钢筋 混凝土梁受载弯曲所产生的钢筋滑移量△z 。；第二 部分是钢筋的弹性伸长量血．故缸的表达式为 △z △z 1 △z 2 ． 1 3 根据钢筋混凝土梁所受载荷位置 图5 ，钢筋 混凝土梁的弯曲主要集中在A C 段和D B 段． 图5 梁的弯曲变形不蒽 F i g ．5 D i s t o r t i o no fb e n d i n gb e a m 故根据几何关系可得 舰一号 士一1 ． 1 4 根据弹性力学理论可知 缸一￡号z 参告z 一器川5 ， 式中￡为钢筋的应变；盯为钢筋的拉应力． 故缸一号 南一 箍．Ⅲ， 万方数据 5 1 2中国矿业大学学报 第3 7 卷 联立式 9 ， 1 6 ，求出滑移量△z 与载荷P 和 剪应力r 的表达式 一型社，Ⅲ， 式中E 。为钢筋的弹性模量，M P a ． 1 ．3 ．4载荷P 与剪应力r 的关系式 根据图2 ，3 ，由钢筋混凝土梁的弯矩平衡可得 丁 。一号 譬． ㈣， 将式 9 ， 1 0 和式 1 7 代人式 1 5 ，得到 叫。一型挚 ． ．．，，蹦E 。 磊b 一1 4 嚣、 ∽一生三掣 P l 了’ 整理得到 一栅 3 娼 地一悬 2 ． 2 6 3 擅。 4 r 2 1 9 址兀d 骘掣一譬．㈣， ‰豫dL ] 丽F 再严一等。 2 0 从式 2 0 可。以看出，载荷P 与剪应力r 不是简 单的线性关系，而是相互耦合的，此表达式无解析 解，因此弯矩M 与剪应力r 之间也无解析解． 对于转角口，由泰勒展开式 c 。s 口 1 一身 筹一爵 ⋯， 2 ， 在满足精度的前提下，可以取泰勒展开式的前几项 来代替c o s 晓 特别地当c o s 口 l 时，载荷P 与剪应力r 的表 达式如下一嘉器 2 ／6 3 c 棚 。 4 r 2 ’ 枷d 熹‰ 譬，．㈣， 即弯矩M c ．。与剪应力r 表达式为 M c ．u 一一翥器仙豫d 意‰一 一赤 器％一 胁。 2 丢埘2 ． 2 3 2 6 ＼3 征。 4 r ”⋯“，。2 ”⋯”⋯7 当为双筋矩形截面时，认为受压区锈蚀钢筋与 受压区混凝土共同受压变形，而且锈蚀钢筋受压时 的强度退化与受拉钢筋退化规律相同，那么上式转 化为双筋矩形截面的计算公式时，只是将 。转化 为 锵 啊． 在此推导中，没有考虑锈胀裂缝的出现对混凝 土截面的损伤．因此，为了将锈胀裂缝的对混凝土 截面的损伤影响考虑进去，将式 2 3 中的6 ， 。分 别改为6 。， ∽其中的6 。和 。。由式 3 ， 4 计算得 到，这时口一1 ．O ． M c ．u 一去[ 舞篝一 他 k ％争 ] 2 号j r 。6 。 。。 ． i ；；{ } 2 ， 2 4 式中剪应力r 为锈蚀钢筋与混凝土间的极限黏结 应力，它与锈蚀程度有关．在对锈蚀钢筋混凝土受 弯构件计算方法进行推导的过程中，主要针对自 然气候环境下的锈蚀钢筋混凝土构件进行计算方 法的研究． 2 模型的验证分析 将文献[ 7 ] 中的试验梁尺寸、配筋及破型后测 得的实际锈蚀率代入本文推导出的计算模型，得到 的理论计算的承载力、延性性能及破坏形态与相应 的试验值进行比较，具体如表1 所示． 文献[ 9 ] 是针对长期在氯化物介质环境下的钢 筋混凝土试件承载力试验研究，将其中的试验梁的 尺寸及配筋情况代人本文关于锈蚀钢筋混凝土梁 的承载力计算模型本文后，得到其计算结果，与文 献[ 9 ] 的试验结果进行对比，见表2 所示． 表1锈蚀梁试验值与理论计算值对比 T 铀I e1 C o m p a r i 舳no ft 嚣tr 髑u l ta n dt h ∞忡t i c 登裂缝弯矩试验弯矩计算 磊熊。粼，。黑，w M 破坏形态 试验理沦计算 万方数据 第4 期吴庆等基于钢筋锈蚀的混凝土梁承载能力退化预计模型5 1 3 注表中M ；为义献L 9 J 的试验值；M 为运用本文模型的计算值． 由本文的计算模型与文献中的试验值对比发 现，按照本文所给计算模式计算得到的破坏荷载值 与试验值吻合较好． L 2 J 3 结论 1 锈蚀程度相对较小的构件，认为其破坏形 式与未锈蚀时相似，发生正截面适筋延性破坏而不 会出现黏结撕裂破坏．因此，用一个协同工作降低 系数来综合考虑发生黏结破坏以前黏结退化的影 [ 3 ] 响，并考虑锈蚀钢筋力学性能退化、混凝土截面损 伤等因素，沿用普通钢筋混凝土的力学模型和计算 模型，得到锈蚀梁正截面破坏的承载能力计算模 型． [ 4 ] 2 随着锈蚀程度的增大，构件会由适筋破坏 演变为黏结撕裂破坏，由此运用极限平衡理论，利 用拉杆拱模型建立受压区高度z 与剪应力r 的关 ，。， 系，并根据几何关系和弹性力学，求出钢筋滑移量 与剪应力的关系，然后根据钢筋混凝土梁的弯矩平 衡，利用上述结果得到载荷与剪应力的关系，再将 文献中的结论代入，得到承载力与锈蚀量的关系模 型，从而建立锈蚀钢筋混凝土梁正截面计算模型． 3 将本文锈蚀梁承载力退化模型计算结果与 文献中的试验结果对比发现，按本文所给计算模式 L b J 计算得到的破坏荷载值比试验值偏小，差别在 1 0 ％～3 0 ％之间，其原因是试验过程中，试件大都 ，．， 没有发生黏结滑移破坏，另外也有配筋情况的影 。。 响．但总体上来说本文的模型虽略偏保守，但基本 可行． [ 8 ] 参考文献 ，， L 9 J [ 1 ] 吴庆，袁迎曙，李洁勇．人工气候环境下锈蚀混凝 土梁的结构性能退化研究[ J ] ．中国矿业大学学报， 2 0 0 7 ，3 6 4 4 4 2 4 4 5 ． W UQ i n g ，Y U A NY i n g s h u ，L lJ i e - y o n g ． R e s e a r c h o ns t r u c t u r a lb e h a v i o r ’sd e t e r i o r a t i o no fc o r r o d e dr e i n f o r c e dc o n c r e t eb e a m su n d e rm a 价m a d ec l i m a t e [ J ] ． J o u r n a lo fC i n aU n i v e r s i t yo fM i n i n g T e c h n o l o g y ， 2 0 0 7 ，3 6 4 4 4 1 4 4 5 ． 袁迎曙，贾福萍，蔡跃．锈蚀钢筋混凝土梁的结构 性能退化模型[ J ] ．土木工程学报，2 0 0 1 ，3 4 3 4 7 5 2 ． Y U A NY i n g s h u ， J l AF u p i n g ， C A IY u e ．T h e s t r u c t u r a lb e h a v i o rd e t e r i o r a t i o nm o d e lf o rc o r r o d e d r e i n f o r c e dc o n c r e t eb e a m s [ J ] ．C h i n aC i v i IE n g i n e e r i n gJ o u r n a l ，2 0 0 1 ，3 4 3 4 7 5 Z ． C A P o Z U C C AR 。N I D L ED ．I d e n t i f i c a t i o no fd a m a g ei nr e i n f o r c e dc o n c r e t eb e a m ss u b j e c t e dt oc o r r o s i o n [ J ] ．A c IS t r u c t u r eJ o u r n a l ，2 0 0 0 ，9 7 6 9 0 2 9 0 9 ． A L M U S A L L A MAA ，A l G A H T A N lAS ，R A S H ～ E E D U Z Z A F A RR ．E f f e c to fr e i n f o r c e m e n tc o r r o s i o n o nf l e x u r a lb e h a v i o ro fc o n c r e t es l a b s [ J ] ．J o u r n a lo f M a t e “a l si nC i v i lE n g i n e e r i n g ，1 9 9 6 ，8 3 1 2 3 1 2 7 ． 任宝双，钱家茹，聂建国．在用钢筋混凝土简支桥面 梁受弯承载力估算[ J ] ．工业建筑，2 0 0 0 ，3 0 1 1 2 9 3 3 ． R E NB a 0 _ s h u a n g ，Q I A NJ i a - r u ，N I EJ i a n _ g u o ．E v a l u a t i o no fb e a r i n gc a p a c i t yi nb e n d i n gf o re x i s t i n gs i m p l ys u p p o r t e dR Cb r i d g eb e a m s [ J ] ． I n d u s t r i a lC o n s t r u c t i o n ，2 0 0 0 ，3 0 11 2 9 3 3 ． P A R KR ，P A U I 。A YT ．钢筋混凝土结构[ M ] ．秦文 钺，丁得忠，王祖华，等，译．重庆重庆大学出版社， 1 9 8 5 ． 吴庆．锈蚀钢筋混凝土构件的结构性能退化预测 模型研究[ D ] ．徐州中国矿业大学建筑工程学院， 2 0 0 7 ． 牛荻涛．混凝土结构耐久性与寿命预测[ M ] ．北京 科学出版社，2 0 0 3 ． 范颖芳，周晶，黄振国．受氯化物腐蚀钢筋混凝土 构件承载力研究[ J ] ．工业建筑，2 0 0 1 ，3 1 5 3 5 ． F A NY i n g f a n g ，Z H o UJ i n g ，H U A N GZ h e n ．g u o ． E x p e r i m e n t a lr e s e a r c h o ns t r e n g t ho fR Cm e m b e r c o r r o d e db yc h l o r i d e [ J ] ．I n d u s t r i a lC o n s t r u c t i o n ， 2 0 0 1 ，3 1 5 3 5 ． 责任编辑王继红 万方数据