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董  衛(wèi)1，  蘇志敏1，  楊華舒1，  武  亮1，  大下英吉2，  葉嘉兵1

 （1昆明理工大學(xué)，昆明650500;2中央大學(xué)，東京112 -8551）

[摘要]  以位移控制加載，進(jìn)行了銹蝕鋼筋混凝土梁的四點(diǎn)受彎加載試驗(yàn)。增大部分試件箍筋的間距，以研究嚴(yán)重銹蝕后箍筋剩余量較少情況下銹蝕鋼筋混凝土梁的承載機(jī)理和破壞模式。通過(guò)縱筋的應(yīng)變分布，計(jì)算各加載水平下縱筋與混凝土之間的粘結(jié)應(yīng)力。試驗(yàn)表明，隨著縱筋和箍筋的銹蝕，剪跨區(qū)域的平均粘結(jié)應(yīng)力達(dá)到最大值后逐漸減小；錨固區(qū)域的平均粘結(jié)應(yīng)力逐漸增大。銹蝕鋼筋混凝土梁的承載機(jī)理為梁效應(yīng)向拱效應(yīng)轉(zhuǎn)化過(guò)程中的復(fù)合梁拱效應(yīng)狀態(tài)，其轉(zhuǎn)化程度取決于縱筋的銹蝕率和箍筋的剩余量。根據(jù)梁拱效應(yīng)轉(zhuǎn)化的程度，提出銹蝕鋼筋混凝土梁承載機(jī)理的判斷流程圖。

  [關(guān)鍵詞]箍筋；銹蝕；極限承載力；承載機(jī)理；拱效應(yīng)；梁效應(yīng)；復(fù)合梁拱效應(yīng)

  中圖分類號(hào)：TU375.1 文章編號(hào)：1002-848X( 2016) 06-0086-05

0  引言

 銹蝕鋼筋混凝土梁是銹蝕結(jié)構(gòu)構(gòu)件中研究得較多的一種構(gòu)件。銹蝕會(huì)減少鋼筋的橫截面面積，降低粘結(jié)性能，從而引起承載力和破壞形態(tài)的變化。LACHEMI M等研究了銹蝕對(duì)受剪承載力的影響，表明銹蝕是破壞形態(tài)變化的主要原因。衛(wèi)軍等測(cè)試了多種銹蝕率的鋼筋混凝土梁，發(fā)現(xiàn)銹蝕后梁的破壞形態(tài)可能發(fā)生受彎破壞、剪壓破壞和粘結(jié)破壞。YOON S等的研究表明，隨著銹蝕率的增大，銹蝕梁的破壞形態(tài)會(huì)從受剪破壞轉(zhuǎn)變?yōu)檎辰Y(jié)破壞。通常認(rèn)為箍筋在非銹蝕鋼筋混凝土梁中的主要作用是提高鋼筋混凝土梁的抗剪性能。但在銹蝕鋼筋混凝土梁中，顯然箍筋還能起到增強(qiáng)縱筋和混凝土之間的粘結(jié)性能的作用。董衛(wèi)等的試驗(yàn)表明，當(dāng)無(wú)腹筋鋼筋混凝土梁縱筋的銹蝕率大于10%時(shí)，破壞形態(tài)從受彎破壞轉(zhuǎn)變?yōu)檎辰Y(jié)破壞。表明有無(wú)箍筋對(duì)受彎銹蝕鋼筋混凝土梁的破壞模式有一定影響。但是現(xiàn)有的研究尚未深入闡述箍筋銹蝕對(duì)鋼筋混凝土梁的承載機(jī)理的影響。因此，本文以有腹筋鋼筋混凝土梁為研究對(duì)象，著重研究箍筋銹蝕的影響。傳統(tǒng)的電化銹蝕是將陽(yáng)極接在縱筋上進(jìn)行的，箍筋的銹蝕率受到縱筋銹蝕率的制約。為使銹蝕后剩余的箍筋總量在較大范圍內(nèi)變化且不使縱筋的銹蝕率過(guò)大，增大了部分鋼筋混凝土梁箍筋的間距。通過(guò)縱筋的內(nèi)貼應(yīng)變計(jì)測(cè)量剪跨區(qū)域和錨固區(qū)域的粘結(jié)應(yīng)力，分析了銹蝕有腹筋鋼筋混凝土梁的承載機(jī)理變化和破壞形態(tài)，同時(shí)給出了判別依據(jù)。1  試驗(yàn)概況

1.1試件制備

 以9根長(zhǎng)×寬×高為2 100×240×200的鋼筋混凝土簡(jiǎn)支梁為研究對(duì)象（圖1），試驗(yàn)梁下部配置3根不設(shè)彎鉤的SD295A級(jí)ɸ16鋼筋，箍筋采用封閉式SD295A級(jí)ɸ6鋼筋，間距取80，160，240mm，分別為梁有效高度的0.5，1.0，1.5倍。保護(hù)層厚度按水工鋼筋混凝土梁結(jié)構(gòu)要求取40mm�；炷�土強(qiáng)度等級(jí)為C30，配合比見(jiàn)表1，為增強(qiáng)混凝土的導(dǎo)電性，采用了5%的食鹽水作為攪拌用水；鋼筋特性實(shí)測(cè)值見(jiàn)表2。試件的名稱定義以h0.5 -3.7為例，由字母h、梁的箍筋間距與有效高度的比值0.5和縱筋銹蝕率3.7(%)構(gòu)成；另外，試件h1.5-19.7的箍筋涂有防銹漆。

1.2鋼筋的電化銹蝕

 試件養(yǎng)護(hù)28d后，進(jìn)行屯化銹蝕（圖2）。銹蝕梁的銹蝕率為縱筋銹蝕前后質(zhì)量的減少率，各銹蝕梁的實(shí)際銹蝕率見(jiàn)表3。

1.3加載試驗(yàn)及數(shù)據(jù)測(cè)定

 加載采用速率為0.5 mm/min的位移控制，試驗(yàn)加載現(xiàn)場(chǎng)照片如圖3所示。測(cè)定數(shù)據(jù)包括荷載、兩加載點(diǎn)和跨中撓度、縱筋軸線方向的應(yīng)變（應(yīng)變片間距為48mm）。為不影響鋼筋和混凝土之間的粘結(jié)性能并保護(hù)應(yīng)變片不受電化銹蝕的破壞，應(yīng)變片粘貼在鋼筋內(nèi)部，各梁的極限荷載P exp見(jiàn)表3。

2  試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1試件的破壞形態(tài)

 試件側(cè)面裂縫的發(fā)展情況見(jiàn)圖4，5。沿著箍筋均有銹脹裂縫產(chǎn)生，隨著箍筋間距的增大，箍筋銹脹裂縫的長(zhǎng)度也在增加，表明箍筋配筋量較少時(shí)，箍筋更容易被銹蝕。加載裂縫向上發(fā)展并與箍筋的銹脹裂縫連通。h0.5-0系列試件純彎段上部的混凝土被壓碎，隨著縱筋銹蝕率的增加，混凝土壓碎的區(qū)域逐漸減小。試件h1. 0-10.8與試件h1.5 -10.6的現(xiàn)象一樣，純彎段上部的混凝土被壓碎。與上述破壞形態(tài)不同，試件h1.5 -23.9的加載裂縫從左側(cè)的加載點(diǎn)下方開始沿著縱筋擴(kuò)展至支座；試件h1.5 -19.7的加載裂縫從左側(cè)的加載點(diǎn)下方開始，以約300的夾角向下延伸，后沿著縱筋擴(kuò)展至支座。

2.2箍筋銹蝕情況

 箍筋的銹蝕率見(jiàn)表4，從整體銹蝕率來(lái)看，有如下的趨勢(shì)：1）箍筋的銹蝕率高于縱筋的銹蝕率；2）縱筋的銹蝕率越高，箍筋的銹蝕率越高；3）防銹漆能有效抑制箍筋的銹蝕。箍筋下部的銹蝕率和整體的銹蝕率相差較大，說(shuō)明箍筋的銹蝕具有不均勻性。圖6為試件h1.5 -19.7破壞側(cè)剪跨區(qū)內(nèi)箍筋銹蝕后的照片。上部的箍筋銹蝕嚴(yán)重，下部局部區(qū)域因銹蝕而斷裂。因此，在研究銹蝕鋼筋混凝土梁承載力時(shí)，應(yīng)考慮箍筋不均勻銹蝕的影響。

2.3試件的極限承載力

 圖7(a)為h0.5系列試件的荷載．撓度曲線。試件h0.5的極限荷載為91. 3kN。銹蝕試件

h0.5 -3.7，h0.5 -14.8，h0.5 -18.3的極限荷載為77.0，57.9，56. 7kN，分別為試件h0.5-0的84%．63%，62%。試件h0.5 -18.3縱筋的銹蝕率比試件h0.5 -14.8增加了24%，而且試件h0.5 -18.3箍筋整體的銹蝕率和箍筋下部（右半跨）的銹蝕率均高于試件h0.5 -14.8，但兩者的極限荷載基本一致，僅相差2%。由此推測(cè)，試件h0.5 -18.3的承載機(jī)理產(chǎn)生了變化。圖7(b)為試件h1. 0-10.8和h1.5系列的荷載，撓度曲線。試件h1.5-0的極限荷載為91. 8kN，與試件h0.5-0的極限荷載相當(dāng)。由此可見(jiàn)，非銹蝕的試件中，若不發(fā)生斜截面破壞，箍筋的配筋量對(duì)極限荷載沒(méi)有影響，這和規(guī)范中正截面承載力的計(jì)算是一致的。

 試件h1. 0-10.8縱筋的銹蝕率比試件h0.5 -3.7增加了192%，試件h1. 0-10.8箍筋的銹蝕率也相對(duì)較高（整體高151%、下部高195%），但兩者的極限荷載幾乎一樣（前者略高1%）；試件h1.5 -10.6也顯示出同樣的情況，縱筋的銹蝕率比試件h0.5 -3.7增加了186%，箍筋的銹蝕率也相對(duì)較高（整體高161%、下部高180%），極限荷載略微減少2%。由此可推測(cè)，相對(duì)于試件h0.5 -3.7，試件h1. 0-10.8和試件h1.5 -10.6的承載機(jī)理發(fā)生了某種變化，這種承載機(jī)理的變化能夠降低銹蝕鋼筋混凝土梁承載力退化的程度。

 試件h1.5 -10.6和試件h1. 0-10.8的縱筋銹蝕率較為接近，兩者箍筋（整體和下部）的銹蝕率也基本相同，但是前者箍筋的配筋率僅為后者的60%，由此可見(jiàn)試件h1.5 -10.6的承載機(jī)理也發(fā)生了某種變化，這種承載機(jī)理的變化彌補(bǔ)了箍筋量較少的影響，使得兩者的承載力基本沒(méi)有明顯差異。因此，在研究銹蝕鋼筋混凝土梁正截面承載力時(shí)，必須同時(shí)考慮承載機(jī)理的變化。

2.4縱筋的應(yīng)變分布

 圖8為各試件縱筋應(yīng)變分布曲線。各荷載水平下，試件h0.5-0跨中區(qū)域縱筋的應(yīng)變形狀類似于拋物線，錨固區(qū)域應(yīng)變沒(méi)有明顯增加，最終純彎段縱筋屈服。銹蝕試件h0.5 -3.7，h0.5 -14.8和h0.5 -18.3同樣表現(xiàn)出相似的趨勢(shì)，但錨固區(qū)域縱筋的應(yīng)變略有增加。銹蝕試件h1.5 -19.7的縱筋應(yīng)變表現(xiàn)出很大差異（左側(cè)為破壞側(cè)），較小的荷載水平下，跨中部分區(qū)域縱筋的應(yīng)變趨于一致，破壞側(cè)剪跨區(qū)域左半部分縱筋的應(yīng)變的梯度較大，錨固區(qū)域的縱筋應(yīng)變沒(méi)有明顯變化；較大的荷載水平下，跨中區(qū)域縱筋的應(yīng)變表現(xiàn)出一定的波動(dòng)性，總體來(lái)講梯度不是很大，破壞側(cè)剪跨區(qū)域左半部及錨固區(qū)域部分的縱筋應(yīng)變明顯增加，其梯度也較大。由此可見(jiàn)，隨著縱筋銹蝕率和箍筋間距的增加，外荷載傳遞至錨固區(qū)域。

2.5縱筋的應(yīng)力歷程

 根據(jù)銹蝕無(wú)腹筋鋼筋混凝土梁的應(yīng)變分布特征，將銹蝕無(wú)腹筋鋼筋混凝土梁發(fā)生破壞的一側(cè)分成錨固區(qū)域附近和剪跨區(qū)域附近兩個(gè)部分：錨固區(qū)域附近定為0~ 250mm之間的區(qū)域，剪跨區(qū)域附近定為250~ 875mm之間的區(qū)域。以下討論錨固區(qū)域附近和剪跨區(qū)域附近的平均粘結(jié)應(yīng)力隨外荷載的變化歷程，區(qū)域內(nèi)平均粘結(jié)應(yīng)力為局部粘結(jié)應(yīng)力的平均值。

 以圖9中銹蝕試件h0.5 -14.8，h1.5 -19.7為例，說(shuō)明銹蝕有腹筋鋼筋混凝土梁的粘結(jié)應(yīng)力的特點(diǎn)，作為對(duì)比，圖中同時(shí)顯示了非銹蝕試件h0.5-0的粘結(jié)應(yīng)力。對(duì)于試件h0.5-0，荷載加載到85kN之前，剪跨區(qū)域的平均粘結(jié)應(yīng)力呈直線上升，錨固區(qū)域的平均粘結(jié)應(yīng)力小幅上升；臨近破壞階段，剪跨區(qū)域的平均粘結(jié)出現(xiàn)小幅波動(dòng)，錨固區(qū)域的平均粘結(jié)應(yīng)力進(jìn)入平臺(tái)期。對(duì)于試件h0.5 -14.8，荷載加載到50kN之前，剪跨區(qū)域和錨固區(qū)域的平均粘結(jié)應(yīng)力都均勻上升；臨近破壞階段，剪跨區(qū)域的平均粘結(jié)出現(xiàn)下降的趨勢(shì)，錨固區(qū)域的平均粘結(jié)應(yīng)力呈現(xiàn)增加的趨勢(shì)。對(duì)于試件hl.5 -19.7，荷載加載到45kN之前，剪跨區(qū)域和錨固區(qū)域的平均粘結(jié)應(yīng)力都均勻上升；臨近破壞階段，剪跨區(qū)域的平均粘結(jié)出現(xiàn)較大幅度下降，錨固區(qū)域的平均粘結(jié)應(yīng)力陡然增加。結(jié)合關(guān)于銹蝕試件極限承載力的分析，根據(jù)試件h0.5-0，h0.5 -14.8，h1. 5-19.7臨近破壞階段的平均粘結(jié)應(yīng)力的變化趨勢(shì)可以得出如下結(jié)論：隨著縱筋銹蝕率和箍筋間距的增加，剪跨區(qū)域所能承受的最大平均粘結(jié)應(yīng)力相應(yīng)減少；隨著荷載水平的增加，錨固區(qū)域的平均粘結(jié)應(yīng)力逐漸增大。另外，受到支座反力的約束，錨固區(qū)域銹蝕后也能承受較高的應(yīng)力水平。

3  有腹筋銹蝕鋼筋混凝土梁的承載機(jī)理

 加載后期，雖然剪跨區(qū)域的平均粘結(jié)應(yīng)力逐漸減小，但荷載仍保持增加，說(shuō)明錨固區(qū)域?qū)︿P蝕試件后期承載力的影響較大。相對(duì)文獻(xiàn)[8]的無(wú)腹筋深度銹蝕鋼筋混凝土梁的拱效應(yīng)作用，本文有腹筋鋼筋混凝土梁的承載機(jī)理為梁效應(yīng)向拱效應(yīng)轉(zhuǎn)化過(guò)程中的不完全拱效應(yīng)狀態(tài)，其銹蝕鋼筋混凝土梁的承載機(jī)理的轉(zhuǎn)化流程可用圖10表示。當(dāng)縱筋銹蝕率<18.3%且箍筋下部銹蝕率< 70.2%，剪跨區(qū)域能承受絕大部分的外荷載時(shí)，銹蝕鋼筋混凝土梁以梁效應(yīng)承載機(jī)理為主，呈現(xiàn)受彎破壞。當(dāng)縱筋銹蝕率較高且箍筋下部剩余量較少時(shí)，剪跨區(qū)域不能承受絕大部分的外荷載時(shí)，銹蝕鋼筋混凝土梁以拱效應(yīng)承載機(jī)理為主。錨固性能較差時(shí)呈現(xiàn)粘結(jié)破壞，通常箍筋配筋應(yīng)滿足縱筋銹蝕率>23.9%，且箍筋下部銹蝕率>97. 0%（試件hl.5 -23.9左半跨箍筋下部銹蝕率換算到箍筋間距為80mm情況下的銹蝕率）。

4  結(jié)論

 (1)銹蝕鋼筋混凝土梁的承載機(jī)理為梁效應(yīng)和拱效應(yīng)的復(fù)合體；縱筋和箍筋的銹蝕率越高，梁效應(yīng)向拱效應(yīng)轉(zhuǎn)化的程度越高。

 (2)銹蝕鋼筋混凝土梁中，縱筋重心以下的箍筋部分可提高縱筋和混凝土間的粘結(jié)力。

 (3)當(dāng)縱筋銹蝕率較低且箍筋下部剩余量較多時(shí)，銹蝕鋼筋混凝土梁的破壞形態(tài)為正截面彎曲破壞。當(dāng)縱筋銹蝕率較高且箍筋下部剩余量較少時(shí)，銹蝕鋼筋混凝土梁的破壞形態(tài)為粘結(jié)破壞。

 (4)梁效應(yīng)向拱效應(yīng)轉(zhuǎn)化的過(guò)程中，若斜截面承載力較弱，則產(chǎn)生斜截面的破壞。

 (5)計(jì)算銹蝕鋼筋混凝土梁的斜截面承載力時(shí)，需考慮箍筋銹蝕的不均勻性。