锈蚀钢筋混凝土梁抗剪能力退化机理和预计模型

第51卷第4期2021年2月下建筑结构Building StructureVol．51No．4Feb．2021DOI ：10.19701/j．jzjg．2021.04.013*江苏省研究生科研创新计划项目（KYCX17_0272）。

作者简介：邹正浩，博士，讲师，Email ：zouzhenghao @nuaa．edu．cn ；通信作者：吴瑾，博士，教授，Email ：wujin @nuaa．edu．cn 。

钢筋锈蚀再生混凝土梁刚度退化规律及计算方法研究*邹正浩1，2，杨国姣1，吴瑾2，苏天2（1宜春学院土木工程系，宜春336000；2南京航空航天大学土木与机场工程系，南京210016）［摘要］采用电化学方法对纵筋进行锈蚀，通过加载试验研究了再生混凝土梁在不同纵筋锈蚀率下刚度退化规律。

结果表明：再生混凝土梁破坏时的极限承载力随锈蚀率的增加而减小，当锈蚀率较小时，大约在5%极限承载力的荷载时梁在纯弯段内开始出现裂缝，破坏形态为适筋梁弯曲破坏；当锈蚀率较大时，破坏时裂缝分布有向跨中靠拢的趋势。

当荷载较小时，随着纵筋锈蚀率的增加再生混凝土梁跨中挠度变化不大；当荷载较大时，跨中挠度随纵筋锈蚀率增大而增大变得比较明显。

再生混凝土梁的刚度因纵筋锈蚀发生了一定的退化，导致刚度退化的主要原因是再生混凝土梁截面和纵筋横截面面积减小以及二者之间粘结性能的退化，并基于钢筋截面面积减小这一因素推导了再生混凝土梁弯曲刚度退化计算方法。

［关键词］再生混凝土；钢筋锈蚀；锈蚀率；刚度退化；弯曲刚度中图分类号：TU375．1文献标识码：A文章编号：1002-848X （2021）04-0086-05［引用本文］邹正浩，杨国姣，吴瑾，等．钢筋锈蚀再生混凝土梁刚度退化规律及计算方法研究［J ］．建筑结构，2021，51（4）：86-90，64．ZOU Zhenghao ，YANG Guojiao ，WU Jin ，et al．Degradation law and calculation method of stiffness of recycled concrete beams with corroded rebars ［J ］．Building Structure ，2021，51（4）：86-90，64．Degradation law and calculation method of stiffness of recycled concrete beams with corroded rebarsZOU Zhenghao 1，2，YANG Guojiao 1，WU Jin 2，SU Tian 2（1Department of Civil Engineering ，Yichun University ，Yichun 336000，China ；2Department of Civil and Airport Engineering ，Nanjing University of Aeronautics and Astronautics ，Nanjing 210016，China ）Abstract ：The electrochemical method was used to corrode the longitudinal rebars ，and the stiffness degradation law of recycled concrete beams under different corrosion rate of longitudinal rebars was studied by loading tests．The results show that the ultimate bearing capacity of recycled concrete beams decreases with the increase of corrosion rate．When the corrosion rate is small ，cracks begin to appear in the pure bending section at the load about 5%of the ultimate bearing capacity ，and the failure mode is flexural failure of balanced-reinforced beam．When the corrosion rate is large ，the distribution of cracks tends to be closer to the mid-span．When the load is small ，with the increase of the corrosion rate of longitudinal rebars ，the mid-span deflection of the recycled concrete beam does not change much ，when the load is large ，the mid-span deflection increases obviously with the increase of the corrosion rate of longitudinal rebars ，and the stiffness of the recycled concrete beam is degenerated due to the corrosion of longitudinal rebars ，the main reasons for the stiffness degradation are the reduction of the cross-sectional area of recycled concrete beams and longitudinal bars ，and the degradation of the bond performance between them ，thus the calculation method of the degradation of the flexural stiffness of the recycled concrete beam was derived based on the reduction of the cross-sectional area of the rebars．Keywords ：recycled concrete ；rebar corrosion ；corrosion level ；stiffness degradation ；flexural stiffness0引言混凝土中的钢筋锈蚀研究是分析现有结构性能退化的关键工作之一［1］。

混凝土和钢筋力学性能的退化同济大学建筑工程系2014.4混凝土和钢筋力学性能的退化一、锈蚀钢筋力学性能二、锈蚀预应力钢筋力学性能二、碳化混凝土力学性能三、酸腐蚀混凝土力学性能四、硫酸盐腐蚀混凝土力学性能五浸油混凝土力学性能五、浸油混凝土力学性能2抗力R 保持不变失效概率P f 不变R,S 不变：分布类型、均值和变异性均不变效应S 保持不变0t效应S (t )R,S分布类型和模型3使用寿命概率密度抗力R (t )失效概率P f (t )0t目标使用寿命平均使用寿命均值变异性钢筋截面V =V第6章环境作用下结构受力性能的退化 锈蚀构件受力性能的退化V >V 纵向裂缝宽度横向裂缝宽度承载力锈损率ηsηL 纵向裂缝宽度达限值ηH 横向裂缝宽度达限值ηP 承载力下降到限值ηS变形达到限值变形锈蚀产物V <VV <V <V4混凝土保护层胀裂时间tT 1t1t cr t wl t wh t p t s 0T cr T u混凝土钢筋孔隙过渡区Cl CO O H O锈蚀构件承载能力计算锈蚀构件刚度计算锈蚀构件裂缝宽度性能指标钢筋开始锈蚀服役时间剩余使用寿命（1）平均截面锈蚀率 钢筋锈蚀程度的表征锈蚀前平均截面积s η一、锈蚀钢筋力学性能（2）最大截面锈蚀率锈s0scs s0A A A η−=锈蚀后平均截面积s0sc,mins,max s0A AA η−=锈蚀后最小截面积s,max η5（3）质量锈蚀率0cs 0mm m η−=锈蚀后钢筋质量sη自然锈蚀钢筋砼中锈蚀钢筋裸露锈蚀钢筋试加速锈蚀钢筋外加电流锈蚀氯盐加速锈蚀验研究有人工气候锈蚀研究方法模拟锈蚀钢筋机械加工锈坑6数值锈蚀钢筋限元分析钢筋锈蚀特征？2O 大气环境直流电源+锈蚀钢筋-混凝土 锈蚀钢筋获取途径阳极阴极混凝土混凝土钢筋−OH O H 2e 铜片盐溶液混凝土OH+2Fe +2Fe +2Fe +2Fe +2Fe OHOH2O 原钢筋横截面自然锈蚀机理加速锈蚀机理7原钢筋横截面+2Fe +2Fe +2Fe +2Fe +2Fe +2Fe +2Fe +2Fe 钢筋自然锈蚀形态钢筋加速锈蚀形态几何形态8钢筋自然锈蚀形态钢筋加速锈蚀形态几何形态10121416182022A s c 0.000.0230.0740.0980.1260.1460.000.0230.0740.0980.1260.146ηs =ηs =ηs =ηs =ηs =ηs =0.000.0230.0740.0980.1260.1460.000.0230.0740.0980.1260.146ηs =ηs =ηs =ηs =ηs =ηs =90102030405060n10未锈锈蚀未锈锈蚀裸露锈蚀钢筋（156）裸露锈蚀钢筋（422）试件来源砼中自然锈蚀外加电流锈蚀（35）（76）同济大学数据库砼中自然锈蚀外加电流锈蚀（248）（48）兄弟单位数据库11不断增加不断收集100150200250300荷载(K N )0%5.38%10.54%50100150200荷载(K N )0%8.36%19.23%0500246810变形(mm)00246810变形(mm)80100120N )0%17.38%405060N )0%27.18%加速ф25 加速ф18荷载变形曲120204060024681012变形(mm)荷载(K 28.05%010203002468101214变形(mm)荷载(K35.79%加速ф16加速ф12线20304050载(K N )0%8.56%24.33%15202530载(K N )0%10.34%24.95%荷载变形曲010*******变形(mm)荷0510024681012变形(mm)荷1520K N )0%10.21%2710%80100120140KN)8.56%16.06%20.48%加速ф10加速ф813线0510********变形(mm)荷载(27.10%02040600246810变形(mm)荷载(加速ф6裸露ф183040506070载(KN )0%11.30%25.89%304050607080载(K N)9.32%16.89%20.30%01020024681012变形(mm)荷010200246810变形(mm)荷80100120N )14.06%21.15%8.78%1520K N)13.10%27.90%自然ф12 自然ф14 荷载变形曲1402040600123456变形(mm)荷载(K 05100246810变形(mm)荷载(39.97%自然ф16 自然ф8线（1）随着钢筋锈蚀的发展，钢筋锈蚀越不均匀试（2）混凝土中自然锈蚀钢筋不均匀程度>加速锈蚀钢筋（3）随着钢筋锈蚀的发展，屈服荷载、极限荷载降低，且极限荷载尤为明显；（4）随着钢筋锈蚀的发展，屈服平台缩短甚至消失，极限验现象15延伸率降低，颈缩现象消失；名义屈服荷载名义屈服强度锈前屈服强度相对屈服荷载相对面积比值锈蚀ycyc y0s ucyc yc y0s0sc y0s0sc uc uc u0s0sc u0uc u00s s s c (1)(1)f fF F F A A F A A F F F A A F f A f A α=−ηα=⎧=⋅⋅=⎪⎪⎨⎪=⋅⋅−=⎩η⎪载度度锈后平均截面积载钢筋强度的16名义极限荷载名义极限强度锈前极限强度相对极限荷载表征⎧yc 0f确定型本构关系scσεh ycf ucf εε0y f 界限锈蚀率⎪⎪⎪⎩⎪⎪⎪⎨>−−−+≤≤≤=)()()()(shc sc yc uc shc suc shcsc yc shcsc s0ycyc s0sc sc s0sc εεεεεεεεεεσf f f E f f E E 17sη0su 0sh εsc0sy sucεshc ε光圆钢筋:10%~15%变形钢筋:20%~30%2.533.54量锈蚀钢筋力学指标随锈蚀率的变化情况y = -1.119x + 1R 2 = 0.72980.60.811.2强度相对值y = e -2.5009xR 2 = 0.61710.811.21.41.6率相对值名义屈服强度相对值—截面锈蚀率关系0.511.5200.10.20.30.40.5截面锈蚀率弹性模弹性模量—截面锈蚀率关系1800.20.400.20.40.60.81截面锈蚀率名义极限00.20.40.600.20.40.60.8截面锈蚀率极限延伸名义极限强度相对值—截面锈蚀率关系极限延伸率相对值—截面锈蚀率关系模型适用条件−yc f uc f suc εcrs ,η锈蚀钢筋力学指标随锈蚀率的变化情况CM1变形:30％光圆:15％试验室电化学加速锈蚀CM2变形:30％光圆:15％大气环境自然裸露锈蚀1121.11y s syc f f ηη−=01202.11u ss uc f f ηη−−=0736.3su suc e εεη−=01049.11y s syc f f ηη−−=01119.11u s uc f f η−−=0093.2su suc e εεη−=19CM3变形:20％光圆:10％实际工程混凝土中钢筋锈蚀1231.11y s syc f f ηη−−=01245.11u ss uc f f ηη−−=sη0501.2su suc e εεη−=锈蚀钢筋力学性能退化机理20锈蚀钢筋的承载力=平均截面积*基于平均截面积的强度=最小截面积*基于最小截面积的强度=最小截面积*未锈钢筋的强度锈蚀钢筋力学性能退化机理F F f A ⎧yc yc yc0m in u u ..u u f A A A R F F f A f A A A R ===⎪⎪⎨⎪===⎪⎩ycsc m in scc c c0m in csc m in sc Laser line sourceRange 721三维激光扫描技术锈蚀钢筋锈蚀钢筋Rebar TrayCMOS image senor锈蚀钢筋力学性能退化机理121.6R121.6R00.40.81.20%10%20%30%40%s10.9654y η=+自然锈蚀钢筋00.40.81.20%10%20%30%40%s10.9367y η=+加速锈蚀钢筋22（1）钢筋截面积的不均匀性是名义强度降低的主要因素；（2）R 值随着锈蚀率的增大而增大，导致强度降低；（3）自然锈蚀钢筋的R 值大于加速锈蚀钢筋，导致其强度衰减更显著Laser line sourceRebar TrayRange 7CMOS image senor锈蚀钢筋横截面积的不均匀性三维激光扫描技术锈蚀钢筋锈蚀钢筋2300()1exp{}x x f x eeμμσσσ−−−−=−Gumbel 极值分布()E R μγσ=+()226D R πσ=锈蚀钢筋横截面积的不均匀性24Relationship between the Gumbel statistical paratmeters of R and the averagecross-sectional loss ratio, ηs2835锈蚀率10%锈蚀率20%()000ln A A μμσ=+×锈蚀钢筋横截面积的不均匀性0714211 1.05 1.1 1.15 1.2 1.25锈蚀率30%3535截断长度50mm 0σσ=250714212811.031.061.091.121.15直径12mm 直径16mm 直径20mm0714212811.031.061.091.121.15截断长度200mm 截断长度350mmscσ锈后钢筋力学性能的变异性0.70.80.91 1.151710.9287R μη=−+=0.60.70.80.91 1.092110.9809R μη=−+=00.20.40.60.81e μ=sη0su ε0sh εycf ucf scε0sy ε0y f sucεshcε2600.050.10.150.20%5%10%15%20%25%30%00.080.160.240.320.40%5%10%15%20%25%00.050.10.150.20%5%10%15%20%25%30%0.54040.02790.7796R δη=+=0.67660.136δη=+极限强度相对值变异系数屈服强度相对值变异系数极限应变相对值变异系数0.47940.03440.863R δη=+=0.60%5%10%15%20%25%30%极限强度相对值平均值0%5%10%15%20%25%30%屈服强度相对值平均值0%5%10%15%20%25%极限应变相对值平均值锈蚀钢筋随机本构模型27（1）均为确定性模型，概率模型或随机模型未见；（2）自然锈蚀钢筋中多为一般大气环境下锈蚀钢筋，讨海洋大气环境下锈蚀钢筋甚少；（3）主要为轴拉时力学性能退化规律的研究，轴压时力学性能退化规律未有研究；（4）主要为锈蚀钢筋的静力性能，桥梁的锈蚀问题更突出但锈蚀钢筋疲劳性能研究甚少；（5）主要为普通钢筋锈后力学性能，新型钢筋、老式钢筋研究甚少论与展望28预应力筋锈后力学性能研究甚少；（6）主要采用试验方法，数值模拟受限，退化机理不明二、锈蚀钢筋疲劳性能屋顶花架自然锈蚀钢筋29加速锈蚀钢筋30自然锈蚀钢筋和加速锈蚀钢筋疲劳性能的相似性问（1）试验“外加电流加速锈蚀”实际“碳化或氯盐引起的自然锈蚀”（2）试验中“先锈蚀后疲劳”实际中“先疲劳后锈蚀，然后锈蚀和疲劳同步”（3）试验中“恒定荷载水平”实际中“”题31实际中随机疲劳荷载900100402570120045070150三、锈蚀预应力钢筋力学性能(a)(b)(c)锈蚀混凝土板的尺寸示意图正极负极直流电源预应力筋电线预应力筋拉伸试验装置铜板5%NaCl 溶液混凝土垫块混凝土板混凝土板中预应力筋电化学加速锈蚀装置示意(a) 钢绞线(b) 钢丝20304050100150200250300荷载/k N0.0460.1890.112 0.0750.018荷载/k N0.0550.095 0.175典型锈蚀率时预应力筋荷载－变形曲线1001234050020406080变形 /mm(a) 钢绞线变形 /mm(b) 钢丝0.60.811.20.60.91.20.60.811.2E Cβp u cp u c钢丝钢丝钢丝101000.20.400.10.20.30.40.30.10.20.30.400.20.400.030.060.09βηs ηsαηs 弹性模量 钢绞线钢绞线极限强度极限应变Ec s = 10.848βη-puc spuc s= 11.935= 12.683a a ηη⎧⎪⎨⎪⎩-- （钢丝）（钢绞线）puc s = 19.387βη-σf 0.85f E ε0ηE ηεs 0.08η<()pc pc pcpuc puc pc p0c puc p0c 0.150.85E f f εσεεεε⎧⎪=⎛⎞⎨+−⎜⎟⎪⎜⎟−⎪⎝⎠⎩()pcp0c εε≤()pcp0c εε>0.08≥σε=E p0c puc pc0.85/f E ε=s ηpc pc pc预应力筋 E pcpuc fpuc ε钢绞线 ()s p 10.848η-E()s pus12.6831f ηη--钢丝p E()s pus11.9351f ηη--()s pu 19.387ηε-本构模型中特征参数的取值四、碳化混凝土力学性能freshcarbonated36⎪⎪⎪⎨⎧⎤⎡−−−≤⎥⎦⎤⎢⎣⎡−=u εεεεεεεεεεσσ0020002）（）（本构⎪⎩≤<⎥⎦⎢⎣×−+−uu u εεεαεεεεσ000085.0)1(关系其中峰值应变极限应变0015.00=ε0)9.09.1(εαε−=u37五、酸腐蚀混凝土力学性能破坏形态溶解膨胀38剥离溶解性腐蚀39机理10%HCL 7.5%HCL 5%HCL6050混凝土强度损失（%）溶01020304050607080腐蚀时间(天)40302010解性腐蚀力40混凝土强度损失与盐酸浓度及其腐蚀时间的关系()⎟⎟⎠⎞⎜⎜⎝⎛−−=2000)(21εεεεσσCt k d 学性能六、硫酸盐侵蚀混凝土力学性能110120130405060708090100024********相对强度(%)水中7.5%硫酸钠5%硫酸钠41时间 (周)[]⎟⎟⎠⎞⎜⎜⎝⎛−−−=20000)(2)(1εεεεσσt t c k d 普通高强混凝土混凝土硫硫42酸钠侵蚀酸镁侵蚀七、浸油混凝土力学性能皂化液浸蚀混凝土：⎥⎦⎤⎢⎣⎡+−−+−=20222020)102.00004.0()102.00004.0(2εεεεσσt t t t tt t 002])100204.0(1001[σεεσ+−+−=t t t t tt 00εε≤≤ut t t εεε≤≤0其中峰值应变020)102.00004.0(εε+−=t t t 极应变43极限应变uut t εε)05.01(+=#5、#20机油浸蚀混凝土：tt 00εε≤≤utt t εεε≤≤0其中峰值应变极应变⎥⎦⎤⎢⎣⎡−−−+=202200)008.01()008.01(28080εεεεσσt t t t t t 008080])8.0100(1001[σεεσt t t t +−+−=00)008.01(εεt t −=44极限应变uut t εε)015.01(+=谢谢!45。

反复荷载下锈蚀混凝土柱抗剪承载力机理分析1.概述钢筋混凝土结构（构件）的剪力传递很大程度上依赖于混凝土的抗拉与抗压强度而呈脆性破坏，因此在结构设计过程中必须设法防止或推迟钢筋混凝土结构（构件）的剪切破坏。

在现有结构设计过程中，设计者通过“强剪弱弯”的设计原则以保证钢筋混凝土构件在荷载作用下不会首先出现脆性剪切破坏，使构件具有一定的延性。

但是，随着钢筋混凝土构件服役时间的增加，混凝土、钢筋等材料在外界各类环境因素的作用下，材性逐渐退化。

研究表明：在外界环境因素作用下，钢筋混凝土构件中的钢筋发生锈蚀，构件力学性能退化；其中，构件中箍筋的锈蚀程度较之纵筋更为严重，对构件抗剪性能的影响更为显著。

因此，本文将在以往研究的基础上，考虑箍筋不均匀锈蚀的影响，采用变角桁架+拱模型研究钢筋混凝土柱塑性铰区域的剪切性能，为在役混凝土柱剪切性能的评定和设计提供明确的力学模型及理论指导。

相对于极限平衡分析法和试验资料统计分析法，混凝土构件抗剪机理的力学分析法具有物理概念明确、力学分析严密等特点。

钢筋混凝土框架柱抗剪承载力的机理分析方法大多采用桁架+拱模型，即由桁架作业来描述横向钢筋的抗剪贡献，而由拱作用来描述混凝土的抗剪贡献。

T.Ichinose 提出的防止混凝土柱塑性铰区域剪切破坏的桁架+拱模型中以桁架模型把柱构件区分为塑性铰区域、非塑性铰区域和过渡区三部分，并分别假定塑性铰区域、非塑性铰区域内的腹杆倾角不变，过渡区的腹杆倾角则连续变化，且塑性铰区腹杆转角由构件的极限转角（曲率）来确定，并由此建立了与构件延性相关的抗剪承载力计算公式；拱模型则采用对角直线拱，拱的倾角不随塑性变形的影响，因为拱作用与腹筋应变无关。

该桁架+拱模型认为弯剪破坏是由塑性铰区域骨料咬合作用的减小和混凝土的软化，并且认为构件的抗剪强度随塑性铰转动的增大而减小。

该模型的突出特点是能适用于梁、柱和剪力墙结构的非塑性铰区的抗剪承载力设计及塑性铰区的延性设计。

锈蚀钢筋混凝土梁的抗剪承载力分析模型钢筋混凝土结构在长期使用过程中，往往会受到环境因素的影响，导致钢筋发生锈蚀。

钢筋锈蚀不仅会削弱钢筋本身的力学性能，还会对整个混凝土梁的抗剪承载力产生显著影响。

因此，建立准确的锈蚀钢筋混凝土梁的抗剪承载力分析模型对于评估结构的安全性和耐久性具有重要意义。

一、钢筋锈蚀对混凝土梁抗剪性能的影响钢筋锈蚀会引起钢筋截面积减小、屈服强度降低以及与混凝土之间的粘结性能退化。

这些变化直接影响了混凝土梁的抗剪能力。

首先，锈蚀导致钢筋截面积减小，使得其能够承担的剪力相应减少。

其次，屈服强度的降低使得钢筋在承受剪力时更容易达到屈服状态，从而降低了梁的抗剪强度。

再者，钢筋与混凝土之间的粘结性能退化，会削弱两者协同工作的能力，导致混凝土梁在抗剪过程中不能有效地发挥钢筋的作用。

此外，钢筋锈蚀还会引起混凝土的开裂和剥落。

锈蚀产物的体积膨胀会对周围混凝土产生挤压作用，导致混凝土开裂。

随着锈蚀程度的加剧，混凝土保护层可能会剥落，进一步削弱了混凝土对钢筋的约束作用，降低了梁的抗剪性能。

二、现有抗剪承载力分析模型的综述目前，已有许多学者提出了针对锈蚀钢筋混凝土梁抗剪承载力的分析模型。

这些模型大致可以分为基于试验数据的经验模型和基于理论推导的力学模型。

经验模型通常通过对大量试验数据的回归分析得到。

这类模型简单直观，但往往具有一定的局限性，因为它们依赖于特定的试验条件和参数范围，对于超出这些范围的情况预测准确性可能会降低。

力学模型则基于混凝土和钢筋的力学性能以及两者之间的相互作用进行推导。

常见的有桁架模型、压力场理论等。

这些模型在理论上较为严谨，但计算过程相对复杂，需要准确确定各种参数，实际应用中可能存在一定的难度。

然而，现有的分析模型普遍存在一些不足之处。

例如，有些模型没有充分考虑钢筋锈蚀引起的粘结性能退化的影响；有些模型对混凝土开裂和剥落的考虑不够细致；还有些模型在参数确定上存在较大的不确定性，导致实际应用中的误差较大。

基于数论方法的锈蚀梁抗力退化模型分析孙文;彭建新【摘要】提出一种基于数论方法的抗力退化模型的计算方法.通过分析梁的锈蚀过程中和结构抗力衰减的影响因素,并考虑不同地区、不同环境下结构构件材料和力学性能的差别,立足于已有研究成果,基于实验研究和理论分析,提出锈蚀梁的抗力随机过程概率模型,给出一种基于数论方法对模型计算分析的方法.通过算例,分别应用数论方法和蒙特卡罗法,将模型的计算结果进行比较,证实了该数论方法的简便性.%A calculation method is presented.The NTM is used for the calculation of the resistance degeneration model of corroded beams.The reinforcement corrosion process is analyzed,the attenuation factors of the structural resistance are propsoed,and the me-chanical properties of materials and structural elements under different circumstances and the different regions are considered.Through experimental and theoretical analysis,a probabilistic model of corrosion resistance beam is provided.The NTM to calculate the probabilistic model is used.In order to confirm the simplicity of NTM,an example is used to compare the NTM and the Monte Carlo method.【期刊名称】《交通科学与工程》【年(卷),期】2016(032)002【总页数】7页(P56-62)【关键词】锈蚀钢筋混凝土梁;抗力;概率模型;数论方法;统计实验【作者】孙文;彭建新【作者单位】长沙理工大学桥梁工程安全控制省部共建教育部重点实验室,湖南长沙 410004;长沙理工大学桥梁工程安全控制省部共建教育部重点实验室,湖南长沙410004【正文语种】中文【中图分类】U445.7+3结构抗力是钢筋混凝土结构剩余寿命预测的重要标准之一。

引言混凝土的抗压强度是混凝土的主要特性之一，除去原材料等因素，混凝土内钢筋锈蚀也会对抗压强度产生影响[1]。

目前国内地铁均采用直流牵引供电系统，会有部分以直流电为主的电流由走行轨处泄露，这类电流方向杂乱，被称为杂散电流[2]。

处于杂散电流环境下的钢筋会发生电化学腐蚀，在混凝土内产生钢筋-混凝土界面锈胀应力，随着锈胀应力的增长，混凝土保护层受拉开裂[3]。

当前对于杂散电流加速钢筋锈蚀的研究主要集中在混凝土开裂时的临界锈胀应力与开裂时间[4]，也有学者在混凝土内安置钢筋并外接直流电流，进行混凝土中钢筋受杂散电流腐蚀对其强度影响的试验研究[5-6]，但试验得到的抗压强度是钢筋与混凝土的整体强度，同时缺少相应的理论研究。

基于以上背景，本文从理论角度分析杂散电流腐蚀钢筋对混凝土抗压强度的影响，利用Faraday电解定律、弹性力学厚壁筒应力理论以及混凝土二轴强度破坏准则，建立了杂散电流加速钢筋锈蚀条件下的混凝土抗压强度预测公式。

1、混凝土内钢筋锈胀力的产生钢筋在杂散电流作用下的腐蚀本质上是电化学腐蚀，活性状态的铁转化为铁离子，继而形成腐蚀产物[7]。

锈蚀量与电流强度和通电时间的关系见式（1）。

表 1 不同锈蚀产物的μ取值2、混凝土内锈胀力的大小假定钢筋锈蚀为均匀锈蚀过程，利用损伤力学和弹性力学理论，将混凝土保护层简化为仅内部受压、外边界给定位移约束的厚壁圆筒，圆筒厚度等于混凝土保护层厚度，分析模型如图1所示[13]。

图1中，δc为混凝土与铁锈交界面处的径向位移，δr为铁锈在界面处的径向位移，钢筋锈蚀自由膨胀后原始直径为d1，dρ为钢筋未锈蚀直径。

图 1 钢筋锈蚀时钢筋与混凝土的协调变形计算图3、杂散电流环境下钢筋锈胀混凝土抗压强度退化模型3.1 钢筋锈胀混凝土应力分析将混凝土保护层简化为受到内压力作用的管壁[16]，如图2所示，在锈胀力的作用下，环形管壁截面上产生拉应力σφ，管壁径向产生压应力σρ，并且混凝土与铁锈交接面处σφ、σρ最大。

混凝土中钢筋锈蚀的预测模型研究一、研究背景混凝土结构是现代建筑中最为常见的一种结构形式，而钢筋混凝土结构更是其中的主流。

由于钢筋混凝土结构中钢筋与混凝土之间的协同作用，使得其具有了良好的受力性能。

然而，随着时间的推移，钢筋混凝土结构中钢筋表面可能会出现锈蚀现象，导致钢筋的力学性能和耐久性下降，从而影响整个结构的安全性能。

因此，混凝土中钢筋锈蚀的预测模型研究具有极其重要的意义。

二、研究现状目前，对于混凝土中钢筋锈蚀的预测模型研究已经有了一些成果。

其中，最常用的预测模型是基于钢筋锈蚀深度的预测模型。

这种模型的基本思路是通过对混凝土中钢筋表面的锈蚀深度进行测量，并根据一定的数学模型来预测锈蚀的发展趋势。

此外，还有一些基于物理力学模型的预测模型，它们通过建立混凝土中钢筋与混凝土之间的力学模型，来预测钢筋的锈蚀发展趋势。

这些模型的预测精度和适用范围各有不同，需要根据实际应用情况进行选择。

三、研究内容本研究旨在建立一种适用于钢筋混凝土结构的预测模型，通过对混凝土中钢筋表面锈蚀深度的测量，结合物理力学模型，来预测钢筋锈蚀的发展趋势。

具体研究内容包括以下几方面：1. 钢筋表面锈蚀深度的测量方法研究。

目前，常用的测量方法包括电化学方法、重量损失法、表面形貌法等。

本研究将比较不同测量方法的优缺点，选择适合的方法进行测量。

2. 钢筋混凝土的力学模型研究。

本研究将建立钢筋混凝土的力学模型，考虑混凝土的弹性模量、泊松比、钢筋的弹性模量、截面积等因素，以及钢筋与混凝土之间的黏结力和摩擦力等因素，建立钢筋混凝土的力学模型，为后续的预测模型打下基础。

3. 钢筋锈蚀的预测模型研究。

本研究将基于钢筋表面锈蚀深度的数据，结合钢筋混凝土的力学模型，建立钢筋锈蚀的预测模型。

通过对模型的验证和修正，得到更加精确的预测结果。

四、研究方法本研究将采用实验研究和数值模拟相结合的方法。

具体方法包括以下几方面：1. 实验研究：通过制备不同锈蚀程度的钢筋混凝土试件，进行锈蚀深度的测量和力学性能测试。

锈蚀钢筋混凝土梁的结构性能退化模型袁迎曙　贾福萍　蔡　跃(中国矿业大学)摘　要　通过对锈蚀钢筋混凝土梁的试验,研究了结构性能退化机理。

根据退化机理分析,锈蚀钢筋的力学性能退化以及锈蚀钢筋与混凝土粘结性能退化是导致钢筋混凝土锈蚀梁的结构性能退化的主要因素。

通过锈蚀钢筋力学性能及其与混凝土的粘结性能的试验研究,建立了锈蚀钢筋的应力-应变关系和锈蚀钢筋与混凝土的粘结应力-滑移关系的退化模型。

在基本力学性能研究基础上,建立锈蚀梁有限元模型,实现了锈蚀梁的有限元分析。

关键词 钢筋　锈蚀　混凝土　退化模型　有限元分析中图分类号:TU323.3;TB115 文献标识码:A 文章编号:1000-131X (2001)03-0047-06 在自然与工业环境侵蚀下,钢筋混凝土结构内钢筋发生锈蚀,造成混凝土开裂、剥落。

混凝土梁内的钢筋锈蚀以后,梁的结构性能会产生一系列的变化。

锈蚀钢筋的力学性能退化以及锈蚀钢筋与混凝土粘结性能退化将导致锈蚀钢筋混凝土梁的结构性能发生退化[1,4,5]。

本文从锈蚀钢筋混凝土梁的结构性能试验入手,并对锈蚀钢筋力学性能及其与混凝土的粘结性能进行了试验研究,建立了锈蚀钢筋的应力-应变关系和锈蚀钢筋与混凝土的粘结应力-滑移关系的力学退化模型。

根据基本力学退化模型,对锈蚀梁进行有限元分析,为现有结构可靠度评价打下基础。

1　锈蚀钢筋混凝土梁试验1.1　试验梁设计三根钢筋混凝土试验梁,分别表示为Beam -1、Beam -2和Beam -3,试验梁尺寸为b ×h ×l =120×200×1900mm 。

采用简支梁形式,跨度1.7m ,跨中施加两集中力,两集中力相距500m m 。

主筋混凝土保护层厚度为25mm ,梁具体尺寸和配筋见图1所示。

图1　试验梁Beam -1为不锈蚀梁,Beam -2、B eam -3受拉主筋分别锈蚀5%、10%。

采用恒电流法[2]对混凝土内钢筋进行锈蚀,运用电化学理论原理,确定钢筋锈蚀量与电流强度、通电时间之间的数学关系。

锈蚀钢筋混凝土粘结性能退化及其对梁抗弯刚度影响的研究重庆大学硕士学位论文（专业学位）学生姓名：曾宇指导教师：陈朝晖教授兼职导师：徐晓军高级工程师学位类别：工程硕士(建筑与土木工程领域)重庆大学土木工程学院二O一四年五月Study on degradation of bond properties of Corroded Reinforced Concrete and its influence to the flexural stiffness of beamA Thesis Submitted to Chongqing Universityin Partial Fulfillment of the Requirement for theProfessional DegreeByZeng YuSupervised by Prof. Chen ZhaohuiPluralistic Supervised by Sen. Eng. Xu Xiaojun Specialty: ME (Architectural and Civil Engineering Field)College of Civil Engineering ofChongqing University, Chongqing, ChinaMay, 2014中文摘要摘要混凝土与钢筋之间良好的粘结性能是保证二者协同工作的重要基础，随着实际工程中耐久性问题越来越多地出现，钢筋混凝土粘结性能的耐久性也自然的成为研究者们关注的焦点。

已有的研究成果表明，钢筋锈蚀已经成为混凝土结构耐久性最主要的影响因素之一，其对钢筋混凝土粘结性能的影响也不可忽略，但是由于锈蚀产物界面上的传力机理复杂且影响因素众多，兼之理论分析体系匮乏，因此十分有必要继续展开对该领域的理论和试验研究。

本文以已有的锈蚀钢筋混凝土粘结性能退化试验为基础，通过对试块锈蚀率和极限荷载数据进行分析，得出结论：当锈蚀率低于某值（约1%）时，极限荷载逐渐变大；当锈蚀超过该值之后，极限荷载开始变小。

钢筋锈蚀后钢筋混凝土梁抗剪性能试验研究与分析
佟建楠;张瑞铮;牛旭婧;鲁蕴华
【期刊名称】《混凝土》
【年(卷),期】2024()1
【摘要】为了研究箍筋与纵筋锈蚀对钢筋混凝土(RC)梁抗剪性能的影响,设计了10根RC梁进行试验研究,分析了箍筋与纵筋的锈损机理及其影响。

试验过程中,采用了机械切割的方式对箍筋进行锈蚀模拟,采用了包裹Teflon薄膜绝缘层的方式对纵筋进行无黏结模拟,采用了填充丙烯酸板的方式对纵筋锈胀裂缝进行模拟。

以现有的试验数据,对箍筋锈蚀影响因子与箍筋截面损失率的相关性进行了拟合分析。

结果表明:Teflon薄膜包裹钢筋与丙烯酸板填充模拟轴向裂缝模拟纵筋锈蚀效果较好;箍筋和纵筋锈蚀对构件斜截面抗剪性能影响显著,随着锈蚀率增加,抗剪性能退化程度增大。

【总页数】6页(P33-38)
【作者】佟建楠;张瑞铮;牛旭婧;鲁蕴华
【作者单位】唐山学院土木工程学院;唐山市乾正建设工程材料检测有限公司;中国矿业大学(北京)力学与建筑工程学院
【正文语种】中文
【中图分类】TU528.01
【相关文献】
1.箍筋锈蚀的钢筋混凝土梁抗剪性能研究
2.局部区段锈蚀的钢筋混凝土梁抗剪承载力试验研究
3.锈蚀钢筋混凝土梁碳纤维加固后抗剪承载力有限元分析
4.纵筋锈蚀对钢筋混凝土梁抗剪性能影响的试验研究
5.小剪跨比锈蚀钢筋混凝土梁受剪性能试验研究
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混凝土中钢筋锈蚀预测模型的研究1.研究背景钢筋混凝土结构是现代建筑中广泛使用的一种结构形式。

然而，钢筋混凝土结构中的钢筋锈蚀是一个普遍存在的问题。

钢筋锈蚀会导致钢筋的强度下降，从而降低整个结构的承载能力，严重时甚至会导致结构的倒塌。

因此，预测钢筋锈蚀的情况对于保障钢筋混凝土结构的安全具有重要意义。

2.研究现状目前，国内外学者已经对混凝土中钢筋锈蚀预测模型进行了广泛的研究。

其中，主要的预测模型有基于电化学阻抗法的预测模型、基于有限元方法的预测模型、基于神经网络的预测模型等等。

基于电化学阻抗法的预测模型是一种常用的方法。

该方法利用电极在混凝土表面的电化学反应，通过测量电化学阻抗来预测钢筋锈蚀的情况。

该方法具有非破坏性、可重复性、实时性等优点，但是其精度受到混凝土表面湿度、温度等环境因素的影响。

基于有限元方法的预测模型是一种数值模拟方法。

该方法通过建立混凝土中钢筋锈蚀的数学模型，并利用计算机进行模拟，预测钢筋锈蚀的程度。

该方法具有较高的精度，但是需要耗费较多的时间和计算资源。

基于神经网络的预测模型是近年来发展起来的一种新方法。

该方法利用神经网络的强大的学习能力，通过训练数据集来预测钢筋锈蚀的情况。

该方法具有较高的预测精度和较快的计算速度，但是需要耗费大量的训练数据。

3.研究内容本研究旨在建立一种高精度、实用性强的混凝土中钢筋锈蚀预测模型。

具体研究内容如下：1）建立预测模型本研究将综合利用电化学阻抗法、有限元方法和神经网络方法，建立混凝土中钢筋锈蚀的预测模型。

首先，利用电化学阻抗法测量混凝土表面的电化学阻抗，得到钢筋混凝土结构的腐蚀状态。

然后，将电化学阻抗数据输入到有限元方法中，建立混凝土中钢筋锈蚀的数学模型，通过有限元模拟计算出钢筋的腐蚀程度。

最后，将有限元模拟得到的数据作为训练数据，利用神经网络方法建立混凝土中钢筋锈蚀的预测模型。

2）优化预测模型本研究将采用遗传算法和粒子群优化算法对建立的预测模型进行优化。