锈蚀钢筋的疲劳寿命试验研究
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摘要：钢筋混凝土构件的失效都与疲劳破坏存在密切的联系，由于疲劳破坏造成的经济损失十分巨大。预测锈蚀钢筋的疲劳寿命，在理论和实际工程中都具有重要的实际意义。本文以某实际工程为背景，通过现场取样并进行静载试验和疲劳试验进行分析。结果表明钢筋的极限强度随着锈蚀率的提高而降低；通过曲线拟合得到最大应力和寿命的图线（S-N曲线图）,可用于锈蚀钢筋的寿命预测。
关键词: 锈蚀钢筋；力学性能；疲劳寿命；S-N曲线
1研究背景
钢筋混凝土结构广泛应用于工业与民用建筑、道路与桥梁工程、港口工程与水利工程等各种工程结构中。国内外许多工程结构由于耐久性不足，导致结构出现破坏并为此付出了惊人的代价[1]。在我国，服役三、四十年的建筑仍占据有相当大的比例，这些建筑物在长期的使用过中，材质老化、结构损伤积累，造成了结构性能退化，影响建筑物的安全使用，降低了结构的使用寿命。钢材和混凝土中的钢筋锈蚀是导致在役钢筋混凝土结构和管线结构耐久性降低的主要因素，已经引起了国内外学者的普遍关注[2]。钢筋锈蚀后，导致混凝土结构性能的裂化和破坏。钢筋锈蚀已成为导致钢筋混凝土结构耐久性不足，过早破坏的主要原因，是世界普遍关注的一大灾害。
2锈蚀钢筋力学性能退化机理
钢筋锈蚀对其力学性能的影响，主要存在两种观点：其一是锈蚀对钢筋的实际屈服强度和极限强度无明显影响，极限延伸率下降， 国内早期的研究及国外部分相关研究持这种观点；其二是在锈蚀率较小时(通常截面锈蚀率在5%以内)，钢筋锈蚀较均匀，锈蚀对钢筋的力学性能影响不大， 当锈蚀率较大时，钢筋为不均匀锈蚀， 钢筋锈蚀后实际屈服强度和极限强度下降，极限延伸率也下降，国内大部分后期研究持有这种观点。
关于钢筋力学性能随着锈蚀率的增加而下降的退化机理，目前观点为混凝土中的钢筋锈蚀通常是不均匀的，局部的锈坑导致钢筋在拉伸过程中，坑蚀部位会发生应力集中现象[3]。锈蚀率越大，锈坑越明显、越深，导致的应力集中现象也越明显。由于应力集中，在钢筋的截面薄弱部位应力大于其他部位，在其他部位应力还较小还没有来得及发生足够的变形时，该部位就因应力过大而提前屈服、甚至达到极限强度。因此，随着钢筋锈蚀的发展，钢筋的强度会下降，钢筋的极限延伸率也会有很大程度的降低。袁迎曙[3]和范颖芳[4]等通过非线性有限元模拟分析也指出，在钢筋的锈坑部位会发生应力集中现象，锈蚀钢筋力学性能下降主要由于坑蚀部位的应力集中现象引起，锈坑深度对屈服强度有明显的影响，但锈坑宽度对屈服强度影响不大。
钢筋的锈蚀程度通常有3种评定方法：钢筋质量锈蚀率、平均截面锈蚀率或实际截面锈蚀率。式(1)～（3）给出了确定3种锈蚀率的计算方法。一般钢筋质量锈蚀率和平均截面锈蚀率在数值上相等，其值小于钢筋实际截面锈蚀率；随着钢筋锈蚀的加剧，锈蚀越不均匀，钢筋的质量锈蚀率或平均截面锈蚀率与实际截面锈蚀率的差值越大。钢筋的实际截面锈蚀率能较真实地反映锈蚀钢筋拉伸试验中破坏截面的锈蚀程度， 但在实际工程中或试验中难以确定该截面的准确位置，而且由于锈损截面的不规则性使得锈蚀率的准确值难以测定， 因此，通常采用钢筋质量锈蚀率或平均截面锈蚀率来评定钢筋的锈损程度。这样，导致钢筋锈蚀率统计值偏小，锈蚀钢筋实际强度统计值也降低。
（1）
（2）
（3）
式中， 、 为未锈蚀钢筋和锈蚀钢筋质量；为未锈蚀钢筋的公称截面面积，即钢筋的名义截面面积或平均截面面积；为锈蚀钢筋平均截面面积；、 为钢筋试件破坏面处锈蚀前后实际截面面积。
建立统一的基本关系式如式(4)～式(7)。
(4)
(5)
(6)
(7)
式中，、为未锈蚀钢筋和锈蚀钢筋的屈服强度；、为未锈蚀钢筋和锈蚀钢筋的极限强度；、为未锈蚀钢筋和锈蚀钢筋的屈服荷载；、为未锈蚀钢筋和锈蚀钢筋的极限荷载； 、为未锈蚀钢筋和锈蚀钢筋的名义屈服强度； 、为未锈蚀钢筋和锈蚀钢筋的名义极限强度； 为锈蚀钢筋极限延伸率相对值； 、为未锈蚀钢筋和锈蚀钢筋的极限延伸率； 、为锈蚀钢筋名义屈服强度、名义极限强度相对值；、为锈蚀对钢筋的屈服强度和极限强度的影响系数。
3工程背景及结果分析
济南某花园会所，原设计为地下2层地上2层框架结构，梁板式筏形基础，总建筑面积2878.16m2。建筑结构安全等级为二级，建筑抗震设防类别为丙类，抗震设防烈度6度。本实验所用钢筋即取自该施工现场。截取粗细两种在大气中的钢筋。其中，较细的钢筋共33根，编号为A1-A33；较粗的钢筋共11根，编号为B1-B11。用钢刷对所获取的锈蚀钢筋进行除锈工作后，分别进行锈蚀钢筋的静载实验和疲劳实验。试验机为INSTRON 8502型电液伺服疲劳试验机。
表1为试样静载试验数据。结果表明，随着钢筋锈蚀程度的增加，极限强度降低增大，并且呈现波动趋势。这主要是由于钢筋锈蚀不均匀，局部存在坑蚀现象，引起应力集中所致[5]。同时，屈服强度和极限强度小于标准值，说明：锈蚀对钢筋的实际屈服强度和极限强度影响较大。
（8）
采用该曲线对该工程中的锈蚀钢筋进行寿命预测。
4. 结论
本文通过对大气环境中锈蚀钢筋的静载试验和疲劳试验，并通过对实验结果进行分析，得出了如下结论：
验证了钢筋力学性能与锈蚀的关系：锈蚀率较小时(通常截面锈蚀率在 5%以内)，钢筋锈蚀较均匀，锈蚀对钢筋的力学性能影响不大， 当锈蚀率较大时，钢筋为不均匀锈蚀， 钢筋锈蚀后实际屈服强度和极限强度下降。
疲劳断口分成两个区域，一个光滑，一个粗糙，粗糙区呈颗粒状。因为在裂纹扩展过程中，裂纹的两个侧面在交变荷载作用下，时而紧压，时而分开，多次反复，就形成断口的光滑区；端口的颗粒状粗糙区则是最后突然断裂形成的。
通过疲劳实验数据拟合出了该工况下锈蚀钢筋的S-N曲线，极其函数关系式：。利用该关系式可以对锈蚀钢筋进行寿命预测。
参考文献
[1] 陈肇元、朱金铨、吴佩刚.高强混凝土及其应用[M]，清华大学出版社，1991；
[2] 张伟平，商登峰，顾祥林. 锈蚀钢筋力学性能研究现状分析[J].工业建筑，2005（35）：706～709
[3] 袁迎曙，贾福萍，蔡跃.锈蚀钢筋的力学性能退化研究[J].工业建筑，2000， 30(1):43～46；
[4] 范颖芳，周晶.考虑蚀坑影响的锈蚀钢筋力学性能研究[J]. 建筑材料学报， 2003， 6(3):248～252；
[5] 王军强. 大气环境下锈蚀钢筋力学性能试验研究分析[J]. 徐州建筑职业技术学院学报，2003,3(3):25～27；
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