锈蚀钢筋与混凝土动态粘结性能的试验研究

第34卷 第2期

2008年4月四川建筑科学研究SichuanBuildingScience

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锈蚀钢筋与混凝土动态粘结性能的试验研究

郑晓燕,吴胜兴

1

2

(1.南京林业大学,江苏南京 210037;2.河海大学,江苏南京 210024)

摘 要:本研究设计大尺寸柱式拉伸试件,通过电化学锈蚀方法使其快速锈蚀,用电液伺服动力加载系统进行动态拉伸试验。采用钢筋开槽内贴片的方法测量钢筋应变沿锚固长度的变化,外贴片测量混凝土外表面应变,并在加载端和自由端安装千分表量测两端滑移。基于动态拉伸试验结果,得出了锈蚀钢筋与混凝土粘结应力分布的时程变化规律;研究了锈蚀程度对粘结应力分布的影响规律;建立了动荷载下锈蚀钢筋混凝土的粘结滑移本构关系。关键词:锈蚀钢筋;混凝土;粘结滑移;动态性能

中图分类号:TU375 文献标识码:A 文章编号:1008-1933(2008)02-071-05

Researchonbondbehaviorofcorrodedsteelbarandconcreteunderdynamicloads

ZHENGXiaoyan,WUShengxing

1

2

(1.NanjingForestryUniversity,Nanjing 210037,China;2.HehaiUniversity,Nanjing 210024,China)

Abstract:Largesizecolumn-typetensionspecimenswerepoured.Afterbeingcuredthreemonths,

thesespecimenswereunder

acceleratedcorrosionbytheelectrochemicalmethod.Dynamictensiontestswerecarriedonwiththeelectrofluidservosystem.Straingaugesintheinternalgrooveofsteelbarswereusedtomeasurethestrainsofsteelbars.Straingaugesgluedonconcretesurfaceswereusedtomeasurethestrainsofconcretesurface.Theslipsattheloadingendandthefreeendofthesteelbarweremeasuredbytheelectrodisplacementdia-lgauge.Basedontheresultsofdynamictensiontests,thelawsofdistributionofbondstresswithtimewerestudied,andthatwithcorrosionwerediscussed.Accordingtothetestdatatheconstitutiverelationshipofthebondstressandrelativeslipofcorrodedbarsandconcretehasbeenestablished.

Keywords:corrodedsteelbar;concrete;bond-slip;dynamicbondbehavior

0 前 言

受使用环境的影响,实际工程中钢筋锈蚀是非常普遍的现象,而锈蚀钢筋混凝土结构仍需要抵御包括地震等动力荷载在内的作用。钢筋的锈蚀会使其与混凝土的粘结性能发生变化,关于锈蚀钢筋与混凝土的粘结性能研究已取得了不少成果,但动态粘结性能,尤其是锈蚀钢筋与混凝土的动态粘结性能的研究刚刚起步

[8-9]

[1-7]

能的影响规律,建立动荷载下锈蚀钢筋混凝土的粘结滑移本构关系,对服役结构的鉴定和耐久性分析

具有重要的现实意义,对新建建筑物的耐久性设计也具有指导意义。

1 试验过程

1.1 试件的设计和制作

本研究以钢筋混凝土结构中的受拉构件为背景,试验设计了6组大尺寸柱式拉伸试件(每组3个试件),如图1所示,直径为20mm的月牙纹钢筋布置在试件中心。外贴片测量混凝土外表面应变,并在加载端和自由端安装千分表量测两端滑移,如图1(b)所示;采用钢筋开槽内贴片的方法,测量钢筋应变沿锚固长度的变化,如图2所示,每40mm贴1片,上下交错布置,合拢后,应变片间距为20。研究动荷载作用下锈蚀

混凝土钢筋粘结性能的时程变化以及锈蚀对粘结性

收稿日期:2006-09-12

作者简介:郑晓燕(1965-),女,河南邓州人,博士,教授,主要从事工程结构教学和研究工作。

基金项目:国家自然科学基金项目 钢筋混凝土结构锈裂损伤的参数识别与系统仿真评估 (50079002)E-mai:lxyzh@

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四川建筑科学研究第34卷

外,其他试件按照设计的轻度、中度和重度3种电化学锈蚀方案,使其快速锈蚀。表1给出了各种锈蚀程度试件拉伸试验结束将试件破型量测的钢筋锈蚀深度。

自由端内贴片编号为1~30,图3给出的是应变片5测出的钢筋应变;图4是外贴片4测出的混凝土应变;图5,6分别是加载端和自由端滑移。

表1 试验方案Table1 Testscheme

组类及设计

锈蚀程度A组未锈B组重度锈蚀C组轻度锈蚀

试件编号S1S2S3S4S5S6S7S8S9

钢筋实际锈蚀深度

00.0.0.0.0.0.313235131216

组类及设计锈蚀程度D组中度锈蚀E组重度锈蚀F组重度锈蚀

试件编号S10S11S12S13S14S15S16S17S18

钢筋实际锈蚀深度0.0.0.0.0.0.0.0.0.272427394139333136

1.2 测量内容

自行设计加载装置,采用 力控制 电液伺服动力加载系统,对试件施加峰值逐渐增大的三角波荷载。控制系统将预先设计好的按三角波变化的力信号发出,采集系统自动采集数据。试验成功测得各量测内容的时程变化。限于篇幅,下面,以中等锈蚀

观察量测结果发现:

(1)在快速循环并逐渐增大的三角波形拉力作用下,无论是应变或者是滑移,其时程变化与荷载变化有类似的规律。

2008No 2郑晓燕,等:锈蚀钢筋与混凝土动态粘结性能的试验研究

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下了残余应变,且残余应变随循环次数的增加越来越大,这与卸载时反向粘结应力的作用有关。

(3)混凝土应变在荷载降为零时出现了反向应变,即混凝土外表面由受拉变为受压。很显然,卸载时,钢筋回缩使混凝土受压。

(4)滑移时程变化显示,加载端滑移量在荷载进程中存在明显的突变,突变点恰好与自由端初滑移时刻对应,说明此刻钢筋和混凝土之间的胶着力已丧失,滑移传递到了自由端;由于反向粘结应力的作用,在每一循环卸载后,都留下了残余滑移,其值随荷载进程越来越大。

其他试件也符合以上规律,只是程度不同而已。

的粘结应力分布曲线,由于卸载后加载端附近反向粘结应力的存在,粘结应力沿锚固深度的分布出现明显的双峰现象;随着荷载快速循环增加,粘结应力分布曲线在加载端变缓,加载端附近凸起的峰值逐渐平缓,尽管荷载峰值在增加,加载端小范围粘结应力反而降低,这说明,加载端粘结遭到破坏。

2 试验结果分析

2.1 粘结性能的时程分析

图7为S11试件的加载历程。基于实测的钢筋应变,拟合出加载至A点时粘结应力沿锚固深度的分布以及卸载至B点时粘结应力沿锚固深度的分布如图8所示。可以看出,荷载达到第1循环峰值时,并非整个锚深的钢筋都受力,应力传递长度仅为整个锚固长度的一半。卸载过程中,钢筋回缩时受到反向粘结应力的作用,当反向粘结应力的积累超过回缩力后,

钢筋就不再回缩。

图9 各循环荷载峰值时粘结应力分布曲线Fig.9 Distributioncurvesofbondstressatpeakloads

2.2 锈蚀程度对钢筋混凝土粘结性能的影响

为了研究动载下不同锈蚀程度钢筋的粘结性能,在A,B,C,D4组试件中选取锈蚀程度不同的4个试件(未锈S2、轻锈S8、中等锈蚀S11、严重锈蚀S5)进行比较。绘出各循环(图中为第1,2和11循环)荷载峰值所对应的粘结应力分布图,如图10,11,12所示。

从图10第1循环峰值荷载对应的粘结应力分布可以清楚地看出锈蚀对粘结性能的影响:锈蚀严重的试件,其粘结应力分布越趋均匀,应力峰值越小。随着加载卸载多次作用,粘结损伤和残余应变使得粘结应力分布与静载下的情况相比,发生了很大变化,明显呈现双峰现象,如图11,12所示。尽管如此,锈蚀程度对其影响显而易见:锈蚀程度越严重,其第1峰值越小,粘结应力传递越深,分布更均匀。

图10 第1循环荷载峰值时粘结应力分布

Fig.10 Distributioncurvesofbondstressatthepeak

valueofthefirstcycle

3 动荷载下锈蚀钢筋混凝土的粘结滑移本构关系

9C,E,I,K,P点相对应

,

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四川建筑科学研究第34卷

间的粘结锚固位置函数分布有以下特征。

(1)双峰值现象 在距离加载端和自由端约0 25la处各有一个峰值,未锈试件和轻锈试件表现得更为明显。这是由于特殊的荷载作用方式造成的,在峰值逐渐增大的三角波荷载作用下,荷载经历了加载卸载多次循环,除自由端附近外,其他锚固区域的钢筋也经历了多次拉伸、回缩;混凝土也经历了拉、压多次循环;钢筋和混凝土之间的粘结应力也经历了正向、反向粘结应力多次循环。这些都使得钢筋与混凝土之间的粘结刚度遭到破坏,尤其是锚固区中部,粘结刚度的退化是相当严重的。

(2)自由端附近粘结刚度得到强化 拉力作用下,锚固区所有钢筋肋在外力作用方向一侧混凝土受压,荷载每一个循环卸载为0,钢筋回缩,加载端钢筋肋会与混凝土脱开;由于反向粘结应力的作用,这种 脱开 从加载端开始向自由端衰减,自由端钢筋肋与外力方向一侧混凝土自始至终处于挤紧状态,一直处于挤压状态的混凝土和钢筋的粘结锚固

了和位置有关外,与时间也有关系(或者说不同循环下 s本构关系有所不同)。在进行结构有限元分析时,最关心的是破坏阶段的应力状态,本研究的粘结滑移本构关系,正是用此阶段的试验结果获得的。

3.1 位置函数

选择不同锈蚀程度的试件S2,S9,S12和S17,拟合出了4种锈蚀程度试件破坏阶段(最后一个循环,从加载开始到荷载达到峰值破坏),各级荷载下对应的粘结应力及滑移沿锚固深度的分布。

以粘结应力为纵标,滑移为横标,即得一组不同锚固深处的 s关系曲线。在该组曲线上,取同一滑移值下不同位置处的粘结应力连成曲线,即将纵坐标粘结应力除以其平均值,横坐标锚固位置除以总锚固深度,得位置函数曲线,如图13

所示。

刚度得到强化。

(3)快速增长的三角波荷载作用下,粘结刚度在锚固区中部的退化由于钢筋的锈蚀得到缓解 锈蚀较严重的S12和S17两个试件,其锚固区中部的粘结刚度明显高于未锈及轻锈的两个试件S2和S9(尽管他们都远小于静载下普通钢筋混凝土在该位置的粘结刚度)。正如前述,锚固区中部粘结刚度的降低是由于动荷载作用下正、反向粘结力反复作用的结果,锈蚀越严重,残余粘结应力越小,反复作用对粘结刚度的破坏作用相对变小了。

(4)加载端和自由端附近约0 25la范围内,粘结刚度随锈蚀程度而降低 稳定的锈蚀物侵入周围混凝土,这样,就把钢筋和混凝土约束在一起,增加了胶着力的作用。随着锈蚀程度的加深,钢筋和混凝土之间的锈蚀产物逐渐聚集形成锈层,锈层是由质地松散的片状或粉状物组成(在试件破型后可以看到),破坏了钢筋和混凝土之间的胶着力,从某种程度上也破坏了钢筋和混凝土之间的摩擦、咬合作用,导致粘结刚度下降,对于严重锈蚀伤及钢筋肋的试件尤其如此。

对各种锈蚀程度试件的位置函数曲线进行拟合,得到统一的位置函数表达式,引入钢筋锈蚀深度tr来考虑锈蚀程度的影响。

2

f2(x/la)=A1[0 01+10 49-41 42()+59 6

lala

()] 0 0 25(1)ala

图13 锈蚀程度对位置函数的影响

Fig.13 Curvesofbondanchorpositionfunction

比较可以看出,动荷载下,锈蚀钢筋和混凝土之

2008No 2郑晓燕,等:锈蚀钢筋与混凝土动态粘结性能的试验研究

75

f2(x/la)=A2[-0 55+19 29

136 03(

2

-81 56()+lala

4 结 语

混凝土在动荷载作用下的材料性能研究是近年来的钢筋混凝土结构理论研究中一个热点,动态粘

34

)-75 85()]lala

(2)

0 25< 0 75

la

2

f2(x/la)=A3[41 76-160 42+212 86()-lala

结性能研究,尤其是锈蚀钢筋与混凝土动态粘结性

能的研究刚刚起步,本研究用三角波荷载对试件进行拉伸试验,对锈蚀钢筋混凝土的动态粘结性能进行了研究,建立了动荷载下锈蚀变形钢筋与混凝土的粘结滑移本构关系。本构关系考虑了动荷载作用过程中结构损伤引起的粘结退化,用于有限元分析时能够真实地反映实际工程中的结构在经历了动荷载一系列作用后达到破坏阶段时的反应。这是对钢筋混凝土基本理论之一 钢筋与混凝土的粘结滑移本构关系的发展,为动荷载下锈蚀钢筋混凝土结构的有限元分析,提供了必要的基本条件。参考文献:

[1] A-lSulaimaniGJ,KaleemullanM,BasunbulIA,eta.lInfluence

ofCorrosionandCrackingonBondBehaviorandStrengthofRein-forcedConcreteMembers[J].ACIStructuralJourna,l1990,87(2):220-231.

3

94 2()] 0 75<x 1

la

(3)

系数A1,A2,A3考虑钢筋锈蚀深度tr的影响,通过对不同锈蚀程度试件试验数据分析对比,按下列规定来取:

当0 tr 0 15mm时

A1=A2=A3=1

当0 15<tr 0 4mm时

A1=eA3=e

-0 45tr-0 23tr

A2表达式较为复杂,当0 15<tr 0 2时

A2=e

当tr>0 2时

A2=0 77er[4 19-40 04

t

0 57t

r

2

+170 3()-lala

[2] AlmusallamAA.,A-lGahtaniAS,Rasheeduzzafar.Effectofrein-forcementcorrosionandcrackingonbondstrength[J].Construc-tionandBuildingMaterials,1996,10(2):123-129.

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concreteandreinforcementasafunctionofthedegreeofreinforce-mentcorrosion[J].Cementandconcreteresearch,2002,32(8):1313-1318.

[4] 袁迎曙,余 索,贾福平.锈蚀钢筋混凝土粘结性能退化研究

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[10]郑晓燕.锈蚀钢筋与混凝土动态粘结性能研究[D].南京:河

海大学,2004.

x3x4

288 77()+169 08()]

lala

3.2 基本粘结滑移本构关系

基本粘结滑移本构关系是由实测荷载计算平均粘结应力 ,由实测的两端滑移sf,sl计算平均滑移s,最后,将计算结果用光滑曲线相连得到。数学表达式为 =1 363e

-tr

3

(0 0049+18 4378s-4 9914s-

2

35 7313s)(4)式中 ,s的单位分别为MPa和mm;tr为平均锈蚀深度,单位为mm。

将建立的基本粘结滑移本构关系公式(4)乘以位置函数公式(1)~(3),得到了与锈蚀深度有关的锈蚀钢筋混凝土的粘结滑移本构关系:

=1 363e

-tr

3

(0 0049+18 4378s-4 9914s-(5)

2

35 7313s)f2(x/la)

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