銹蝕鋼筋混凝土梁的結構性能退化分析

章鑫森1  陳克勇2

(1．中國礦業大學221008徐州； 2．西安電子工程研究所710100  西安)

    鋼筋混凝土梁是鋼筋混凝土結構中的重要受力構件，研究鋼筋混凝土梁中鋼筋銹蝕以后對其結構性能的影響，是鋼筋混凝土耐久性研究中十分重要的問題。混凝土梁內的鋼筋銹蝕以后，梁的結構性能主要發生了三點改變：梁的承載力降低；梁的延性性能退化；梁的破壞形態發生變化。

1、銹蝕鋼筋混凝土梁的結構性能退化機理

    銹蝕鋼筋混凝土梁的結構性能退化的主要原因是銹蝕鋼筋的力學性能退化和銹蝕鋼筋與混凝土粘結性能退化。

    當銹蝕量較小時，盡管粘結性能有所退化，但還能夠在鋼筋與混凝土之間建立起足夠的粘結應力，使鋼筋強度得到充分的發揮，梁承載力的下降主要取決于鋼筋強度的下降。當銹蝕量較大時，粘結性能嚴重退化，已不能夠建立起足夠的粘結應力，鋼筋的強度不能得到充分的發揮，梁的承載力下降主要受粘結性能的影響，而鋼筋強度的退化不起控制作用。

2、梁的承載力與延性

    不同銹蝕率下鋼筋混凝土梁的荷載(p)-跨中撓度(A)曲線發展過程表明，銹蝕梁的結構性能退化主要表現在結構承載能力下降、延性下降。梁的極限強度和延性可分別用極限荷載和延性比△u／△y表示，△u為梁破壞時的跨中撓度，△y為梁屜服時的跨中撓度。圖1為銹蝕梁典型的荷載一撓度曲線，可以看出，梁在荷載作用下經歷了3個階段：(1)裂縫形成以前上升階段；(2)裂縫形成到破壞階段，可以看出曲線發生明顯的轉折；(3)下降階段。

    不管鋼筋的銹蝕程度如何，一旦銹蝕，梁的承載能力均有不同程度的降低，且銹蝕越嚴重，梁的承載力越小。普通鋼筋混凝土梁承載力計算公式對鋼筋銹蝕后的混凝土梁不再適用，而建立合理的銹蝕梁承載力計算模式非常復雜。影響銹蝕梁的承載力的因素主要有兩個方面：一是混凝土截面損傷和鋼筋截面損失與力學性能退化，二是銹蝕鋼筋與混凝土之間的粘結性能退化，導致鋼筋與混凝土不能很好地協同工作。人們對于在銹蝕梁承載力計算中如何考慮鋼筋截面損傷與力學性能退化已經取得了共識，但粘結性能退化在承載力計算模式中如何考慮仍未能很好地解決。

    文獻[2]給出了銹蝕鋼筋混凝土梁抗彎強度的簡化計算表達式： Mu=η／Muo 式中，Mu0為未銹蝕鋼筋混凝土梁的抗彎強度，η／為考慮了鋼筋銹蝕以后的綜合折減系數。

    由于梁內鋼筋銹蝕后體積膨脹，混凝土保護層將產生順筋裂縫，直至脫落，因此銹蝕梁的剛度低于未銹蝕梁，造成撓度大于未銹蝕梁。如果仍采用未銹蝕梁的計算方法計算銹蝕梁的撓度，當銹蝕鋼筋截面損失率小于4.5％時，可取撓度增大系數1.4，為當截面損失率大于4．5％小于l2％時，可取撓度增大系數為l．8。3、梁的破壞形態

    銹蝕鋼筋混凝土梁的破壞形態與鋼筋的銹蝕程度有關系：

    在鋼筋銹蝕量較小、未出現銹脹裂縫時，梁基本完好，其受力裂縫與未銹蝕梁的裂縫分布特征一致，銹蝕梁的破壞形態與未銹蝕梁完全相同；

    隨著鋼筋銹蝕量增加，出現了銹脹裂縫，由于鋼筋和混凝土之間的粘結性能退化減弱了鋼筋與混凝土的應力傳遞，梁在加載過程中受拉區垂直裂縫稀少，間距增大，分布更不均勻，接近支座處斜裂縫逐漸與沿受拉主筋方向的縱向裂縫連接。此時若鋼筋銹蝕并不十分嚴重，梁底部分布的若干裂縫隨荷載增加，各裂縫都有一定的發展，到破壞時各裂縫均較明顯。但梁底部出現裂縫的荷載基本相同，即鋼筋銹蝕率并不影響鋼筋混凝土梁的開裂荷載；對鋼筋嚴重銹蝕、粘結力幾乎喪失的情況，梁底裂縫往往僅某一處發展，梁破壞時僅此處的裂縫很明顯，鋼筋不能充分發揮其強度與塑性性能，梁的破壞形態由適筋延性破壞轉為鋼筋粘結撕裂的脆性破壞；

    當錨固區受拉主筋與箍筋嚴重銹蝕時，銹蝕梁可能發生鋼筋錨固破壞。

    綜上所述，由于銹蝕鋼筋混凝土梁延性降低很大，梁破壞時的塑性性質明顯降低，脆性性質明顯增加。

4、結語

    鋼筋混凝土梁受侵蝕的過程是逐漸的，隨著鋼筋銹蝕程度的發展，鋼筋混凝土梁的結構性能將逐漸發生退化。雖然其退化過程是逐漸的，但最后造成的構件破壞將是突然的和脆性的。因此研究銹蝕鋼筋混凝土梁結構性能的退化規律，分析結構性能的退化程度是相當必要的，已經成為國內外結構工程學科的重要研究領域。

參考文獻：

[1]范穎芳，周晶，黃振國《受氯化物腐蝕鋼筋混凝土構件承載力研究》，工業建筑，2001

[2]金偉良，趙羽習《銹蝕鋼筋混凝土梁抗彎強度的試驗研究》，工業建筑，2001

(本文來源：陜西省土木建筑學會  文徑網絡：文徑 尹維維 編輯  劉真 審核)