箍筋锈蚀对钢筋混凝土梁承载机理影响的试验研究

董  卫1，  苏志敏1，  杨华舒1，  武  亮1，  大下英吉2，  叶嘉兵1

 （1昆明理工大学，昆明650500;2中央大学，东京112 -8551）

[摘要]  以位移控制加载，进行了锈蚀钢筋混凝土梁的四点受弯加载试验。增大部分试件箍筋的间距，以研究严重锈蚀后箍筋剩余量较少情况下锈蚀钢筋混凝土梁的承载机理和破坏模式。通过纵筋的应变分布，计算各加载水平下纵筋与混凝土之间的粘结应力。试验表明，随着纵筋和箍筋的锈蚀，剪跨区域的平均粘结应力达到最大值后逐渐减小；锚固区域的平均粘结应力逐渐增大。锈蚀钢筋混凝土梁的承载机理为梁效应向拱效应转化过程中的复合梁拱效应状态，其转化程度取决于纵筋的锈蚀率和箍筋的剩余量。根据梁拱效应转化的程度，提出锈蚀钢筋混凝土梁承载机理的判断流程图。

  [关键词]箍筋；锈蚀；极限承载力；承载机理；拱效应；梁效应；复合梁拱效应

  中图分类号：TU375.1 文章编号：1002-848X( 2016) 06-0086-05

0  引言

 锈蚀钢筋混凝土梁是锈蚀结构构件中研究得较多的一种构件。锈蚀会减少钢筋的横截面面积，降低粘结性能，从而引起承载力和破坏形态的变化。LACHEMI M等研究了锈蚀对受剪承载力的影响，表明锈蚀是破坏形态变化的主要原因。卫军等测试了多种锈蚀率的钢筋混凝土梁，发现锈蚀后梁的破坏形态可能发生受弯破坏、剪压破坏和粘结破坏。YOON S等的研究表明，随着锈蚀率的增大，锈蚀梁的破坏形态会从受剪破坏转变为粘结破坏。通常认为箍筋在非锈蚀钢筋混凝土梁中的主要作用是提高钢筋混凝土梁的抗剪性能。但在锈蚀钢筋混凝土梁中，显然箍筋还能起到增强纵筋和混凝土之间的粘结性能的作用。董卫等的试验表明，当无腹筋钢筋混凝土梁纵筋的锈蚀率大于10%时，破坏形态从受弯破坏转变为粘结破坏。表明有无箍筋对受弯锈蚀钢筋混凝土梁的破坏模式有一定影响。但是现有的研究尚未深入阐述箍筋锈蚀对钢筋混凝土梁的承载机理的影响。因此，本文以有腹筋钢筋混凝土梁为研究对象，着重研究箍筋锈蚀的影响。传统的电化锈蚀是将阳极接在纵筋上进行的，箍筋的锈蚀率受到纵筋锈蚀率的制约。为使锈蚀后剩余的箍筋总量在较大范围内变化且不使纵筋的锈蚀率过大，增大了部分钢筋混凝土梁箍筋的间距。通过纵筋的内贴应变计测量剪跨区域和锚固区域的粘结应力，分析了锈蚀有腹筋钢筋混凝土梁的承载机理变化和破坏形态，同时给出了判别依据。1  试验概况

1.1试件制备

 以9根长×宽×高为2 100×240×200的钢筋混凝土简支梁为研究对象（图1），试验梁下部配置3根不设弯钩的SD295A级ɸ16钢筋，箍筋采用封闭式SD295A级ɸ6钢筋，间距取80，160，240mm，分别为梁有效高度的0.5，1.0，1.5倍。保护层厚度按水工钢筋混凝土梁结构要求取40mm。混凝土强度等级为C30，配合比见表1，为增强混凝土的导电性，采用了5%的食盐水作为搅拌用水；钢筋特性实测值见表2。试件的名称定义以h0.5 -3.7为例，由字母h、梁的箍筋间距与有效高度的比值0.5和纵筋锈蚀率3.7(%)构成；另外，试件h1.5-19.7的箍筋涂有防锈漆。

1.2钢筋的电化锈蚀

 试件养护28d后，进行屯化锈蚀（图2）。锈蚀梁的锈蚀率为纵筋锈蚀前后质量的减少率，各锈蚀梁的实际锈蚀率见表3。

1.3加载试验及数据测定

 加载采用速率为0.5 mm/min的位移控制，试验加载现场照片如图3所示。测定数据包括荷载、两加载点和跨中挠度、纵筋轴线方向的应变（应变片间距为48mm）。为不影响钢筋和混凝土之间的粘结性能并保护应变片不受电化锈蚀的破坏，应变片粘贴在钢筋内部，各梁的极限荷载P exp见表3。

2  试验结果及分析

2.1试件的破坏形态

 试件侧面裂缝的发展情况见图4，5。沿着箍筋均有锈胀裂缝产生，随着箍筋间距的增大，箍筋锈胀裂缝的长度也在增加，表明箍筋配筋量较少时，箍筋更容易被锈蚀。加载裂缝向上发展并与箍筋的锈胀裂缝连通。h0.5-0系列试件纯弯段上部的混凝土被压碎，随着纵筋锈蚀率的增加，混凝土压碎的区域逐渐减小。试件h1. 0-10.8与试件h1.5 -10.6的现象一样，纯弯段上部的混凝土被压碎。与上述破坏形态不同，试件h1.5 -23.9的加载裂缝从左侧的加载点下方开始沿着纵筋扩展至支座；试件h1.5 -19.7的加载裂缝从左侧的加载点下方开始，以约300的夹角向下延伸，后沿着纵筋扩展至支座。

2.2箍筋锈蚀情况

 箍筋的锈蚀率见表4，从整体锈蚀率来看，有如下的趋势：1）箍筋的锈蚀率高于纵筋的锈蚀率；2）纵筋的锈蚀率越高，箍筋的锈蚀率越高；3）防锈漆能有效抑制箍筋的锈蚀。箍筋下部的锈蚀率和整体的锈蚀率相差较大，说明箍筋的锈蚀具有不均匀性。图6为试件h1.5 -19.7破坏侧剪跨区内箍筋锈蚀后的照片。上部的箍筋锈蚀严重，下部局部区域因锈蚀而断裂。因此，在研究锈蚀钢筋混凝土梁承载力时，应考虑箍筋不均匀锈蚀的影响。

2.3试件的极限承载力

 图7(a)为h0.5系列试件的荷载．挠度曲线。试件h0.5的极限荷载为91. 3kN。锈蚀试件

h0.5 -3.7，h0.5 -14.8，h0.5 -18.3的极限荷载为77.0，57.9，56. 7kN，分别为试件h0.5-0的84%．63%，62%。试件h0.5 -18.3纵筋的锈蚀率比试件h0.5 -14.8增加了24%，而且试件h0.5 -18.3箍筋整体的锈蚀率和箍筋下部（右半跨）的锈蚀率均高于试件h0.5 -14.8，但两者的极限荷载基本一致，仅相差2%。由此推测，试件h0.5 -18.3的承载机理产生了变化。图7(b)为试件h1. 0-10.8和h1.5系列的荷载，挠度曲线。试件h1.5-0的极限荷载为91. 8kN，与试件h0.5-0的极限荷载相当。由此可见，非锈蚀的试件中，若不发生斜截面破坏，箍筋的配筋量对极限荷载没有影响，这和规范中正截面承载力的计算是一致的。

 试件h1. 0-10.8纵筋的锈蚀率比试件h0.5 -3.7增加了192%，试件h1. 0-10.8箍筋的锈蚀率也相对较高（整体高151%、下部高195%），但两者的极限荷载几乎一样（前者略高1%）；试件h1.5 -10.6也显示出同样的情况，纵筋的锈蚀率比试件h0.5 -3.7增加了186%，箍筋的锈蚀率也相对较高（整体高161%、下部高180%），极限荷载略微减少2%。由此可推测，相对于试件h0.5 -3.7，试件h1. 0-10.8和试件h1.5 -10.6的承载机理发生了某种变化，这种承载机理的变化能够降低锈蚀钢筋混凝土梁承载力退化的程度。

 试件h1.5 -10.6和试件h1. 0-10.8的纵筋锈蚀率较为接近，两者箍筋（整体和下部）的锈蚀率也基本相同，但是前者箍筋的配筋率仅为后者的60%，由此可见试件h1.5 -10.6的承载机理也发生了某种变化，这种承载机理的变化弥补了箍筋量较少的影响，使得两者的承载力基本没有明显差异。因此，在研究锈蚀钢筋混凝土梁正截面承载力时，必须同时考虑承载机理的变化。

2.4纵筋的应变分布

 图8为各试件纵筋应变分布曲线。各荷载水平下，试件h0.5-0跨中区域纵筋的应变形状类似于抛物线，锚固区域应变没有明显增加，最终纯弯段纵筋屈服。锈蚀试件h0.5 -3.7，h0.5 -14.8和h0.5 -18.3同样表现出相似的趋势，但锚固区域纵筋的应变略有增加。锈蚀试件h1.5 -19.7的纵筋应变表现出很大差异（左侧为破坏侧），较小的荷载水平下，跨中部分区域纵筋的应变趋于一致，破坏侧剪跨区域左半部分纵筋的应变的梯度较大，锚固区域的纵筋应变没有明显变化；较大的荷载水平下，跨中区域纵筋的应变表现出一定的波动性，总体来讲梯度不是很大，破坏侧剪跨区域左半部及锚固区域部分的纵筋应变明显增加，其梯度也较大。由此可见，随着纵筋锈蚀率和箍筋间距的增加，外荷载传递至锚固区域。

2.5纵筋的应力历程

 根据锈蚀无腹筋钢筋混凝土梁的应变分布特征，将锈蚀无腹筋钢筋混凝土梁发生破坏的一侧分成锚固区域附近和剪跨区域附近两个部分：锚固区域附近定为0~ 250mm之间的区域，剪跨区域附近定为250~ 875mm之间的区域。以下讨论锚固区域附近和剪跨区域附近的平均粘结应力随外荷载的变化历程，区域内平均粘结应力为局部粘结应力的平均值。

 以图9中锈蚀试件h0.5 -14.8，h1.5 -19.7为例，说明锈蚀有腹筋钢筋混凝土梁的粘结应力的特点，作为对比，图中同时显示了非锈蚀试件h0.5-0的粘结应力。对于试件h0.5-0，荷载加载到85kN之前，剪跨区域的平均粘结应力呈直线上升，锚固区域的平均粘结应力小幅上升；临近破坏阶段，剪跨区域的平均粘结出现小幅波动，锚固区域的平均粘结应力进入平台期。对于试件h0.5 -14.8，荷载加载到50kN之前，剪跨区域和锚固区域的平均粘结应力都均匀上升；临近破坏阶段，剪跨区域的平均粘结出现下降的趋势，锚固区域的平均粘结应力呈现增加的趋势。对于试件hl.5 -19.7，荷载加载到45kN之前，剪跨区域和锚固区域的平均粘结应力都均匀上升；临近破坏阶段，剪跨区域的平均粘结出现较大幅度下降，锚固区域的平均粘结应力陡然增加。结合关于锈蚀试件极限承载力的分析，根据试件h0.5-0，h0.5 -14.8，h1. 5-19.7临近破坏阶段的平均粘结应力的变化趋势可以得出如下结论：随着纵筋锈蚀率和箍筋间距的增加，剪跨区域所能承受的最大平均粘结应力相应减少；随着荷载水平的增加，锚固区域的平均粘结应力逐渐增大。另外，受到支座反力的约束，锚固区域锈蚀后也能承受较高的应力水平。

3  有腹筋锈蚀钢筋混凝土梁的承载机理

 加载后期，虽然剪跨区域的平均粘结应力逐渐减小，但荷载仍保持增加，说明锚固区域对锈蚀试件后期承载力的影响较大。相对文献[8]的无腹筋深度锈蚀钢筋混凝土梁的拱效应作用，本文有腹筋钢筋混凝土梁的承载机理为梁效应向拱效应转化过程中的不完全拱效应状态，其锈蚀钢筋混凝土梁的承载机理的转化流程可用图10表示。当纵筋锈蚀率<18.3%且箍筋下部锈蚀率< 70.2%，剪跨区域能承受绝大部分的外荷载时，锈蚀钢筋混凝土梁以梁效应承载机理为主，呈现受弯破坏。当纵筋锈蚀率较高且箍筋下部剩余量较少时，剪跨区域不能承受绝大部分的外荷载时，锈蚀钢筋混凝土梁以拱效应承载机理为主。锚固性能较差时呈现粘结破坏，通常箍筋配筋应满足纵筋锈蚀率>23.9%，且箍筋下部锈蚀率>97. 0%（试件hl.5 -23.9左半跨箍筋下部锈蚀率换算到箍筋间距为80mm情况下的锈蚀率）。

4  结论

 (1)锈蚀钢筋混凝土梁的承载机理为梁效应和拱效应的复合体；纵筋和箍筋的锈蚀率越高，梁效应向拱效应转化的程度越高。

 (2)锈蚀钢筋混凝土梁中，纵筋重心以下的箍筋部分可提高纵筋和混凝土间的粘结力。

 (3)当纵筋锈蚀率较低且箍筋下部剩余量较多时，锈蚀钢筋混凝土梁的破坏形态为正截面弯曲破坏。当纵筋锈蚀率较高且箍筋下部剩余量较少时，锈蚀钢筋混凝土梁的破坏形态为粘结破坏。

 (4)梁效应向拱效应转化的过程中，若斜截面承载力较弱，则产生斜截面的破坏。

 (5)计算锈蚀钢筋混凝土梁的斜截面承载力时，需考虑箍筋锈蚀的不均匀性。