开裂状态下锈蚀钢筋混凝土梁抗弯刚度的研究
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摘要:通过电化学腐蚀的方法进行了开裂状态下锈蚀钢筋混凝土梁抗弯刚度的试验研究。根据试验数据，拟合出了裂缝宽度对钢筋混凝土梁抗弯刚度影响系数的计算公式。还给出了锈蚀钢筋混凝土梁短期刚度的表达式。其结果有益于完善和发展锈蚀钢筋混凝土梁的计算方法。
关键词：钢筋混凝土梁 ，裂缝 ， 锈蚀，刚度 ， 刚度影响系数
Abstract: through the electrochemical corrosion methods of cracking under the state of corroded reinforced concrete beam bending stiffness of the experimental research. According to the test data, fitting out of the crack width of reinforced concrete beam bending stiffness effect coefficient calculation formula. Back to out of corroded reinforced concrete beam and the expression of the short-term stiffness. The results are beneficial to the development and perfection of corroded reinforced concrete beam calculation method.
Keywords: reinforced concrete beams, cracks, corrosion, rigidity, stiffness influence coefficients
中图分类号：U445.47+1文献标识码：A文章编号：
引言
钢筋混凝土梁是钢筋混凝土结构中的重要受力构件，研究钢筋混凝土梁中的钢筋锈蚀以后对其各项性能的影响，是钢筋混凝土耐久性研究中十分重要的问题。本文采用电化学腐蚀的方法加速梁内钢筋的锈蚀，对锈蚀钢筋混凝土梁进行试验研究，不仅丰富了锈蚀钢筋混凝土梁的试验数据，也为完善和发展锈蚀钢筋混凝土梁的计算方法提供了一定的依据。
1、试验设计
1.1试件制作
试验梁混凝土强度等级为C30，主筋混凝土保护层厚度15mm。试验梁具体尺寸和配筋如图1所示。
图1钢筋混凝土试验梁配筋图
1.2 试验分组
本试验共制作9组试验梁，具体分组情况如表1所示。
表1
1.3试验方法
预裂试验对梁采取中点分级加载方式，预裂裂缝宽度分别为0mm、0.15mm、0.3mm、0.5mm。试验采用电化学方法进行梁内钢筋的快速锈蚀。将试验梁浸泡在5%NaCl溶液中，按需锈蚀的受拉主筋的表面积，通以电流密度为0.63mA/cm2的电流。为了在纵筋通电锈蚀时防止电流强度损失，与纵筋接触处的箍筋底部均裹以绝缘胶布并涂上环氧树脂。
钢筋混凝土梁加速锈蚀过程中，定期地观察梁的顺筋裂缝发展情况，顺筋裂缝出现具有随机性，并且混凝土保护层一旦开裂，此处的钢筋锈蚀会明显加剧，更加促进裂缝的开展。
2、试验结果及分析
2.1试验结果
现给出典型的试验梁荷载-挠度全曲线，如图2、图3所示。
图2对比梁LK的荷载-挠度全曲线
图3试验梁L-0-TD-2的荷载-挠度全曲线
2.2试验结果分析
验算正常使用阶段构件挠度时，由于钢筋混凝土受弯构件正常使用时
是带裂缝工作的，此时正截面承担的弯矩约为其最大受弯承载力试验值Mu的50%～70%，为方便计算，我国《混凝土结构设计规范GB50010-2010》定义在M-φ曲线上0.5Mu～0.7Mu区段内，任一点与坐标原点O相连的割线斜率tgα为截面弯曲刚度，记为B。因此，B=tgα=M/φ，M=0.5Mu～0.7Mu。
本次试验研究受腐蚀后试验梁跨中截面的弯曲刚度，M、φ分别为跨中截面的弯矩和曲率，分别计算0.5Mu、0.6Mu、0.7Mu所对应的截面弯曲刚度，取平均值作为试验梁的短期刚度Bs。
在试验梁的荷载-挠度曲线上分别读取（fu，Pu）、（f0.5,0.5Pu）、（f0.6,0.6Pu）、（f0.7,0.7Pu）各点的坐标值，如表2所示。
表2
跨中截面弯曲刚度：
(1)
分别计算0.5Mu、0.6Mu、0.7Mu对
应的跨中截面弯曲刚度Bs0.5、Bs0.6、
Bs0.7。各组试验梁刚度降低情况如图4、图5所示。
图4第一组试验梁刚度降低柱形图
图5第二组试验梁刚度降低柱形图
刚度影响系数：
(2)
式中，Bs’ ——锈蚀钢筋混凝土梁的短期刚度；
Bs ——对比梁LK的短期刚度。
根据试验分组，分别找出不同腐蚀程度下刚度影响系数β随裂缝宽度d的变化规律，并给出统计公式如下所示。
图6β-d的函数关系
第一组（通电时间1250小时，理论锈蚀率35%）刚度影响系数：
(3)
第二组（通电时间900小时，理论锈蚀率25%）刚度影响系数：
(4)
由图6可以看出，在相同裂缝宽度下，随着锈蚀率增大，锈蚀钢筋混凝土梁短期刚度较未锈蚀钢筋混凝土梁短期刚度降低越多。
现行《混凝土结构设计规范 GB50010-2010》计算钢筋混凝土受弯构件的短期刚度时，并未考虑钢筋锈蚀对于短期刚度的影响，现根据试验结果对短期刚度进行修正：
(5)
3、结论
钢筋锈蚀以后，不仅仅造成截面面积减小，而且因为种种原因使其力学性能发生变化，这些变化可能导致服役的中、老年结构的耐久性、抗力、破坏形态发生重大变化。根据试验研究和理论分析可以得到如下结论：
(1)对比各试验梁的荷载-挠度全曲线可以发现，曲线上钢筋开始屈服至截面破坏阶段表现为缩短和消失，试验梁的破坏形态由适筋梁的破坏形式转向少筋梁的破坏形式，破坏时裂缝由分布的几条转向集中在某一处。
(2)本文根据试验数据，拟合出了裂缝宽度对钢筋混凝土梁抗弯刚度影响系数的计算公式。钢筋混凝土梁的抗弯刚度影响系数随裂缝宽度的增加而减小，文中已给出了具体表达式，分别适用于钢筋锈蚀率为35%和钢筋锈蚀率为25%时横向裂缝宽度在0至0.5mm之间变化的情况。
(3)本文还给出了锈蚀钢筋混凝土梁短期刚度计算的表达式。
参考文献
[1]金伟良，赵羽习. 锈蚀钢筋混凝土梁 抗弯强度的试验研究[J]. 工业建筑，2001,31(5).
[2]国家标准. 混凝土结构试验方法标准（GB50152—92）[S]. 北京：中国建筑工业出版社，1992.