箍筋锈蚀足尺混凝土构件抗震性能

罗小勇，梁 岩，梁应军

（1.中南大学 土木工程学院，湖南 长沙 410075；2.郑州大学 土木工程学院，河南 郑州 450001）

钢筋混凝土结构在长期使用过程中，由于材料老化、不利环境及使用不当等造成的结构损伤直接导致结构承载力下降、耐久性降低及抗震性能退化［1］.目前，钢筋混凝土结构存在的突出问题是许多结构处于严重的腐蚀环境中，同时又处于地震多发地带.中国传统设计未考虑混凝土结构的耐久性问题，并且设计的安全度设置水平较低，留下了大量存在一定缺陷的结构［2］.这些结构在遭遇地震时易出现脆性破坏，甚至倒塌，其破坏后果严重.Mehta［3］指出：“当今世界，混凝土结构的破坏原因按重要性递减的顺序是钢筋锈蚀、寒冷地区的冻害、侵蚀环境的物理化学作用”.钢筋混凝土结构在锈蚀与地震作用下的动力响应，不仅影响居住者的舒适性，而且直接影响结构安全性和耐久性［4］.Berto等［5］指出钢筋混凝土构件承载能力和延性会随着钢筋的锈蚀率增大而减小，在某些情况下，也会导致结构从塑性破坏转变为脆性破坏.这种作用对结构尤其是地震区的结构分析很有意义，这些区域混凝土结构延性特征和实际形成机理都是安全评估中的关键问题.

箍筋位于钢筋笼外侧，在腐蚀环境中更易发生锈蚀.一方面箍筋锈蚀不仅造成自身截面减小、力学性能退化，且锈胀后混凝土保护层易开裂，结构截面发生几何损伤；另一方面箍筋锈蚀后对混凝土约束能力下降，使得结构延性降低，抗震性能退化.Okada等［6］通过喷洒盐水的方法使混凝土梁中的钢筋锈蚀，进行低周反复荷载试验，结果表明在循环荷载作用下该结构的承载力较无锈蚀结构的降低速度快.之后国内外学者对钢筋混凝土结构耐久性损伤后的抗震性能进行了大量研究［7］，但内容多是结构加固及其抗震性能的评估［8－10］，形式多是理论分析［11－14］，试验研究［15－17］不多，箍筋锈蚀对结构抗震性能影响的研究更少.本文对锈蚀箍筋混凝土大尺寸受弯构件的低周反复载荷性能进行了试验研究，探讨箍筋锈蚀对钢筋混凝土结构承载力、耗能性能、刚度及延性等的影响.

1 试验

1.1 试件设计

钢筋混凝土试件共6个，各试件尺寸、配筋和加载形式相同，纵筋未锈蚀，仅箍筋锈蚀，但锈蚀程度不同.混凝土设计强度为C30，其配合比为m（水）∶m（水泥）∶m（砂子）∶m（卵石）＝0.40∶1.00∶1.21∶2.95.试验实测立方体抗压强度为36.2MPa.纵筋HRB335 直径16 mm，箍筋HPB300 直径8mm，间距100mm.试件尺寸见图1.钢筋的材料性能如表1所示.

图1 试件尺寸示意图Fig.1 Schematic of specimen design（size：mm）

表1 钢筋材料性能Table 1 Material properties of rebar

试件箍筋设计锈蚀率（质量分数，文中涉及的锈蚀率、含量等均为质量分数）分别为0%，6%，12%，18%，24%和30%.箍筋与纵筋连接处进行绝缘处理，以防止纵筋锈蚀.钢筋快速锈蚀采用电化学锈蚀方法，试件浇筑养护完成后放入5%氯化钠溶液中浸泡20d，然后通直流电源进行电化学加速锈蚀，电流密度0.55mA／cm2.试验完成后从破坏的试件中取出锈蚀箍筋，将锈蚀钢筋截取成20cm 试件，用12%盐酸溶液酸洗，经清水漂净后用石灰水中和，再用清水冲洗干净，擦干后置于干燥器中存放5h，然后用天平秤取每根钢筋质量，计算钢筋实际锈蚀率.

1.2 试验装置及加载制度

采用MTS电液伺服试验机，最大荷载为1 000kN.试件底部用地锚固结，上端施加水平反复荷载.加载时首先采用荷载控制循环加载直至试件进入屈服状态，试件屈服后改用位移控制循环加载.荷载控制的初始荷载取计算开裂荷载的50%，位移控制循环等级均为试验屈服位移Δy，每级循环3 次，直至试件发生破坏.试验极限荷载Fu应低于峰值荷载Fp的85%，试件达到极限状态后可以判定加载试件已经破坏，此时停止试验.

2 试验现象

箍筋锈蚀钢筋混凝土试件低周反复载荷性能试验结果见表2.由表2可见，箍筋的实际锈蚀率与设计锈蚀率有一定差距.

试件的屈服荷载和位移根据能量等值法确定，极限荷载取峰值荷载下降15%所对应的荷载.由于锈蚀过程的复杂性，各试件呈现出的锈蚀程度不均匀，表2中的锈蚀率为箍筋的实测平均锈蚀率.试验发现，试件内箍筋发生严重不均匀锈蚀，转角区域箍筋锈蚀严重，直线区段锈蚀较轻；箍筋锈蚀产物膨胀致使混凝土保护层开裂，裂缝产生于试件转角部位，且沿纵筋方向分布，在试件转角部位产生竖向锈胀裂缝，随着锈蚀率的增大，锈胀裂缝宽度逐渐增大.试件从开始加载到破坏依次经历开裂状态、屈服状态和极限状态.各试件的破坏状态见图2.由图2可以看出，各试件随着锈蚀率的不同，其破坏形态各不相同.对于锈蚀试件，由于纵筋的滑移，在加载过程中可以听到其内部明显的噼啪响声.锈蚀率较大的试件在加载过程中箍筋剪断，呈现明显的脆性破坏特征.

表2 不同箍筋锈蚀率下钢筋混凝土试验结果Table 2 Experimental results of reinforced concrete under different stirrup corrosion rates

图2 各试件破坏状态Fig.2 Failure modes of specimens

锈蚀试件在反复荷载作用下，锈胀裂缝首先沿原有纵向拓展，随着荷载增大，在根部出现新的水平弯曲裂缝，但裂缝相对钢筋未锈蚀试件稀疏，贯通裂缝数量减小，间距增大，裂缝出现的最大高度有所降低.钢筋屈服后，水平弯曲裂缝继续开展，在根部以上第1或第2根箍筋处形成主裂缝.荷载继续增大，混凝土保护层整块剥落，长度达300mm，纵筋外露且向外屈曲.从锈蚀严重的试件可以看出，临近破坏时混凝土保护层呈块状脱落，核心混凝土压碎，试件破坏.试验发现，部分角部箍筋锈蚀严重，混凝土的约束作用减弱，抗剪能力下降，试件接近破坏时箍筋外鼓更加明显，与纵筋连接处被撑开，甚至被撑断，纵筋压曲明显且反复拉压，L－6试件破坏时纵筋甚至被拉断.未锈蚀试件及锈蚀率较低试件破坏形态以延性较好的弯曲破坏为主；箍筋锈蚀率的增大导致试件抗剪承载力降低，混凝土约束作用减弱，高锈蚀率试件在加载过程中剪切变形明显，试件达到极限荷载后呈现较明显的脆性性质，试件端部塑性铰区形成明显的剪切破坏面，破坏形态逐渐向延性较差的剪切破坏转变.

3 试验结果及分析

3.1 荷载－位移滞回曲线及骨架曲线

试件水平荷载－位移滞回曲线见图3.由图3可看出，当荷载较小，试件处于弹性状态时，卸载曲线基本与加载曲线重合，滞回曲线斜率基本不变，呈直线型.试件达到开裂状态后，随着荷载的增大，位移增大速率大于荷载增大速率，曲线斜率逐渐减小，且减小的幅度加快，试件刚度逐渐退化.由图3还可以看出，卸载曲线的斜率随反复加卸载循环次数的增加而减小，表明构件卸载刚度也在发生退化；卸载完成后，试件残余变形随反复加卸载次数不断累积而增大.总的趋势看来，完好试件的滞回曲线比较饱满，呈稳定丰满的梭形，没有明显的捏拢现象，表现出较好的塑性变形和耗能能力.箍筋锈蚀后试件滞回曲线与无锈蚀试件有明显不同.在开裂前，锈蚀构件的滞回曲线与完好构件基本一致，加卸载曲线近似重合为直线，构件处于弹性阶段；开裂之后，由于锈蚀箍筋的影响，试件滞回曲线的丰满程度和滞回环面积相对完好构件逐渐减小，捏拢现象明显，表明构件耗能能力和变形性能降低.随着箍筋锈蚀率的增大，构件的破坏形式逐渐类似于“少筋破坏”.

图3 各试件荷载－位移滞回曲线Fig.3 Hysteresis curves of the specimens

3.2 荷载－位移骨架曲线

滞回曲线上各次同向加载的峰值点依次相连得到的曲线称为骨架曲线，试件荷载－位移骨架曲线见图4.由图4可知：各试件初始刚度差异较小，表明较小荷载作用下，钢筋锈蚀对结构性能影响较小；随着锈蚀率的逐渐增大，构件破坏时的极限位移减小.试件L－6由于箍筋锈蚀率较大，混凝土约束降低，纵筋反复拉压以致断裂，表2中承载力数据也表明，试件承载力变化不明显，这是因为试件受剪承载力远大于受弯承载力.

图4 试件骨架曲线Fig.4 Skeleton curves of the specimens

试验发现反复荷载作用下钢筋锈胀裂缝对试件性能影响较大，锈胀裂缝沿纵筋随机出现在试件角部，并非均匀对称出现在四角.荷载作用下，锈胀裂缝宽度不断增大，混凝土在锈胀裂缝处剥落，试件截面变为非对称多边形，原中心荷载变为偏心荷载，试件受扭，导致试件受力更为复杂.

3.3 延性退化

延性系数是评估结构或构件抗震性能的一个重要指标.对于有抗震设防要求的结构，具有良好的延性，能够有效吸收和耗散地震能量，降低结构的动力反应，减轻地震破坏，防止结构倒塌.位移延性系数μ 为极限位移Δu与屈服位移Δy的比值，其表达式见式（1）：

屈服位移确定的方法采用能量等值法，能量等值法采用折线OYU 替代原F－D 曲线，折线的确定原则为OYU 折线下面积与原曲线OAU 下面积相等，或者面积OAB 与BYU 相等，如图5所示.

图5 能量等值法Fig.5 Energy equivalence method

各试件延性系数见表2.由表2可知，随着钢筋锈蚀程度的增大，试件特征位移逐渐减小，延性系数逐渐降低.这是因为随着锈蚀程度增大，箍筋面积减小，混凝土约束作用减小，导致试件延性降低.

由表2可见，当锈蚀率较低时，由于锈蚀产物填充了混凝土空隙，延性系数变化不大；当锈蚀率大于10.3%时，延性系数急剧下降；当箍筋锈蚀率达到22.6%时，延性降低30%.这是因为箍筋锈蚀率较大时，由于锈蚀的不均匀性，箍筋在其与纵筋连接处锈蚀严重，混凝土约束作用减小，甚至丧失，致使延性急剧下降.

3.4 刚度退化

刚度退化是指结构或构件刚度随反复加载次数的增多而降低的特性.取各试件每级循环荷载作用下，荷载与相应位移的比值作为每级循环的割线刚度，以Ki表示，试件荷载－位移曲线的初始刚度以K0表示.图6为根据试验实测值得到的各试件割线刚度衰减曲线.

图6 试件刚度衰减曲线Fig.6 Decay curves of specimen stiffness

由图6可以看出，试件刚度随着位移的增大而减小；在达到峰值荷载之后，刚度衰减速率减小，刚度的衰减趋于平缓.锈蚀试件由于裂缝发展和变形积累更为迅速，初始刚度相对较小，刚度衰减速率要大于未锈蚀试件.

3.5 耗能性能

结构在承受地震往复荷载作用下发生弹塑性变形，消耗能量能力是衡量其抗震性能的重要依据，耗能能力越大，对抗震越有利.结构吸收和耗散能量的能力，可由滞回曲线所包围的面积和形状来衡量.各试件耗能性能见图7.由图7可看出，当箍筋锈蚀率小于10.3%时，耗能总体变化不大；当锈蚀率大于10.3%时，耗能性能降低较多，锈蚀率达到22.6%时极限状态耗能约降低18.3%.

图7 试件滞回耗能Fig.7 Energy dissipation of specimens

试件的耗能特性可采用等效黏结阻尼系数he表示，表达式见式（2），其确定方法如图8所示.

图8 等效黏结阻尼系数计算Fig.8 Calculation of equivalent viscous damping coefficient

式中：SABCDEFGA为1个加载、卸载滞回环所围成的面积；S△OCH，S△OFI分别为三角形OCH，OFI的面积.

各试件屈服状态等效黏结阻尼系数如图9 所示.由图9可知，随着锈蚀率的增大，试件等效黏结阻尼系数逐渐减少，说明滞回曲线丰满程度降低，捏拢现象更加明显.

图9 试件等效黏结阻尼系数Fig.9 Equivalent viscous damping coefficient of specimens

4 结论

（1）箍筋锈蚀对混凝土构件在反复荷载作用下的延性、刚度和耗能性能均有较大影响.各试件随着箍筋锈蚀程度的增大，滞回曲线的丰满程度逐渐减小，捏拢现象显著，试件耗能能力、刚度及变形性能降低.当箍筋锈蚀率达到10.3%时，试件的延性及耗能性能降低明显；当箍筋锈蚀率达到22.6%时，试件的延性降低30%，极限状态耗能约降低18.3%.

（2）箍筋锈蚀在一定程度上改变了试件的破坏形态和失效模式.箍筋锈蚀导致混凝土约束作用减弱，纵筋反复拉压甚至断裂，使得试件达到极限荷载后呈现较明显的脆性性质，试件端部塑性铰区形成明显的剪切破坏面，破坏形态逐渐向延性较差的剪切破坏转变.

（3）箍筋锈蚀对混凝土构件抗震性能有较大影响，特别是锈蚀严重试件，在地震中更易表现为脆性破坏，在结构抗震设计中应考虑这一不利影响.

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