钢筋锈蚀对钢筋混凝土圆柱抗震性能的影响

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第21卷󰀁第4期2008年7月中󰀁国󰀁公󰀁路󰀁学󰀁报ChinaJournalofHighwayandTransportVol.21󰀁No.4July2008文章编号:1001󰀁7372(2008)04󰀁0055󰀁06

收稿日期:2007󰀁11󰀁22基金项目:教育部创新团队资助项目(IRT0518)作者简介:李金波(1981󰀁),男,山东莱芜人,工学博士研究生,E󰀁mail:ljb0405@163.com。钢筋锈蚀对钢筋混凝土圆柱抗震性能的影响李金波,贡金鑫(大连理工大学海岸和近海工程国家重点实验室,辽宁大连󰀁116024)摘要:对不同锈蚀程度的钢筋混凝土圆柱进行了低周反复试验,研究了不同轴压比下钢筋锈蚀率对钢筋混凝土圆柱承载力、刚度、延性、耗能能力等的影响,并给出了试件的滞回曲线和骨架曲线。试验结果表明:随着钢筋锈蚀率和轴压比的增大,滞回环的面积逐渐减小,试件的刚度、延性和耗能能力逐步降低;当遭受严重腐蚀时,试件可能由塑性破坏转变为脆性破坏。关键词:桥梁工程;钢筋混凝土圆柱;低周反复试验;抗震性能;钢筋锈蚀;延性中图分类号:U441.5󰀁󰀁󰀁文献标志码:AInfluencesofRebarCorrosiononSeismicBehaviorofCircularRCColumnsLIJin󰀁bo,GONGJin󰀁xin(StateKeyLaboratoryofCoastalandOffshoreEngineering,DalianUniversityofTechnology,Dalian116024,Liaoning,China)Abstract:AcyclichorizontalloadingtestwascarriedoutusingcircularRCcolumnsdamagedbydifferentdegreesofrebarcorrosion.Intheexperiment,theseismicbehaviorsofcircularcorrodedRCcolumnsunderdifferentdegreesofaxialloads,suchasbearingcapacity,stiffness,ductilityanddissipatedenergycapacitywerestudied,andthehystereticandskeletoncurvesforthecircularcorrodedRCcolumnswereobtained.Testresultsshowthatthestiffness,ductilityandenergydissipationcapacity,aswellasareasofhysteresisloopsofcirclecorrodedRCcolumnscanbesignificantlyreducedalongwiththeincreaseofrebarcorrosionextentanddegreesofaxialload.IfthecircularRCcolumnscontainextremelycorrodedrebars,thecolumndamagedbyplasticfailurewillbepronetobrittleshearfailureunderseismicloads.Keywords:bridgeengineering;circularRCcolumn;cyclichorizontalloadingtest;seismicbeha󰀁vior;rebarcorrosion;ductility0引󰀁言钢筋锈蚀一直是桥梁结构破坏的重要原因之一,特别对于处于海洋环境中的混凝土桥梁结构,混凝土开裂现象普遍,桥墩表面出现纵向锈蚀裂缝,个别钢筋折断,钢筋骨架局部损坏,这些问题都严重危及桥梁结构的安全。如果桥梁结构处于地震区,则有必要研究锈蚀桥墩的抗震性能,以便对锈蚀混凝土结构进行评估、加固,避免锈蚀结构在地震灾害下发生倒塌破坏。当前各国对锈蚀柱抗震性能的研究主要集中在矩形柱方面,主要研究在不同轴压比下,不同钢筋锈蚀程度对矩形截面柱抗震性能的影响[1󰀁4],而对作为桥梁结构的常用构件的圆形截面柱(如高速公路桥梁和城市高架桥柱)锈蚀后的抗震性能[5󰀁6]研究较少。基于此,笔者对不同锈蚀程度的圆柱在不同轴压比下的低周反复性能进行了试验研究,并分析了构件刚度、延性和耗能能力随钢筋锈蚀量和轴压比的变化[7󰀁8]。1试验内容和方法1.1试件制作为了研究钢筋锈蚀前后混凝土试件在不同轴压比下的受力性能,共制作了8根圆形截面钢筋混凝土试件,试件尺寸与配筋如图1所示。设计试件截面直径为260mm,高为1000mm,下部墩尺寸为1300mm󰀁360mm󰀁400mm,剪跨比为3󰀁15,混凝土强度等级按C25设计,水灰比为0.65,竖向浇筑。纵筋采用6根HRB335级热轧带肋钢筋,直径为16mm,对称配置,截面配筋率为2.27%。箍筋采用HPB235级光圆钢筋,直径8mm,间距100mm,试件保护层厚度为30mm。

图1试件尺寸及配筋(单位:mm)Fig.1DimensionsandReinforcementsofSpecimen(Unit:mm)1.2材料性能实测混凝土立方体的抗压强度为32.4MPa,纵筋锈蚀前,其屈服强度为373.2MPa,极限强度为572.3MPa,使用精度为0.01g的天平称质量,称得纵筋单位长度质量为14.97g󰀁cm-1。1.3钢筋锈蚀方法在自然环境和使用环境中,钢筋混凝土试件锈蚀过程缓慢,直接使用实际锈蚀环境锈蚀的试件进行研究是不现实的。本文中笔者根据电化学原理,对试件进行快速电化学锈蚀。将试件放入溶质质量分数为3.5%的NaCl溶液中,使用稳压直流电源施加锈蚀电流[9],试件中钢筋接直流电源的阳极,紧贴试件表面放置的不锈钢板接直流电源的阴极,每12h读数一次。需要说明的是,电化学锈蚀和钢筋的自然锈蚀有一定差别,特别是电化学锈蚀产生的锈胀裂缝宽度较小;同时,由于锈蚀过程复杂,电锈蚀过程中各试件纵筋锈蚀程度不均匀。1.4试验设置与加载制度低周反复试验的加载方式和装置如图2所示。竖向荷载通过试验台上固定于门架上的1000kN液压千斤顶施加,在加载过程中竖向荷载保持恒定,试件轴压比见表1;水平荷载由液压千斤顶施加,通过安装在千斤顶上的荷载传感器进行力的测量和控制;位移通过电阻位移计测量;使用德国imc数据采集系统采集数据。加载过程如图3所示。试验中采用位移控制[10󰀁11],开始加载时控制位移为2mm,然后按照4mm的倍数递增进行循环加载,每级循环3次。

表1试件参数Tab.1ParametersofSpecimens试件编号A0B0C0A12B21B22C32D43质量损失率/%0.00.00.09.45.19.49.414.7轴压比0.150.250.400.150.250.250.400.322试验结果及分析2.1试件锈蚀情况由于钢筋锈蚀导致试件受到不同程度的损伤,56中󰀁国󰀁公󰀁路󰀁学󰀁报󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁2008年各试件表面均能观察到沿纵筋的裂缝以及斑点状红色锈蚀产物,裂缝长度都在800mm以上,锈蚀量最大的试件最大裂缝宽度达2.5mm,锈蚀后的试件如图4所示。试验结束后,取出试件中的锈蚀纵筋,使用除锈溶液清洗,经清水漂洗后,用石灰水中和,最后再用清水冲洗干净,用电烘箱烤干后,使用天平称量得到锈蚀试件的锈蚀率(钢筋质量损失率),见表1。由于锈蚀过程的复杂性,各试件中纵筋的锈蚀程度不一致,表1中列出的为纵筋平均锈蚀率,同时由于箍筋直径小于纵筋,且保护层较薄,导致箍筋的锈蚀程度比纵筋严重,一些试件的箍筋甚至锈断。

图4锈蚀后的柱试件Fig.4CorrodedColumnSpecimen2.2试件破坏情况对于未锈蚀试件,试件根部混凝土首先受拉开裂,随着反复荷载的增大,水平裂缝不断发展,并且开始出现斜向裂缝,裂缝较多并多集中于距离根部350mm的范围内。最后试件因受压混凝土压碎而破坏。对于锈蚀后的受损试件,由于锈蚀钢筋与混凝土之间的黏结强度有不同程度的降低,在反复荷载作用下,水平裂缝的数目明显少于未锈蚀试件,裂缝非常稀疏,且水平裂缝几乎都在试件屈服前的循环加载中产生。试件屈服以后,随着加载增大,无明显的新水平裂缝产生,竖向裂缝宽度变大,在整个加载过程中,几乎没有斜向裂缝产生。最后,混凝土保护层整块剥落,纵筋外露,受压纵筋向外屈曲,对于一些箍筋锈蚀严重或锈断的试件,由于混凝土失去了箍筋的约束,试件最终发生脆性破坏失效。例如试件D43,在临近破坏时,距根部以上250mm内的混凝土保护层全部脱落,之后核心混凝土出现竖向裂缝,使得核心区混凝土受压破坏导致试件失效。图5为锈蚀试件D43的破坏状态。2.3滞回曲线图6为试件的荷载󰀁位移滞回曲线。已有的试图5试件D43破坏时的状态Fig.5FailureStateofSpecimenD43验研究和分析表明,试件纵筋配筋率、箍筋配筋率和剪跨比等对试件的滞回性能、延性和耗能能力等都有明显的影响。本文中所研究的是在上述所有因素相同,且钢筋锈蚀量不同的条件下,试件在不同轴压比下的滞回性能、延性和耗能能力。根据图6,在相同轴压比情况下,比较试件B0、B21、B22可以看出,随着钢筋锈蚀程度的增大,滞回曲线的丰满程度和滞回环的面积逐渐减小,试件的极限荷载和最大位移也逐渐减小,表明试件的延性和耗能能力降低。在相同锈蚀程度下,比较试件A12、B22、C32可以看出,随着轴压比的增大,滞回曲线的丰满程度和滞回环的面积逐渐减小,试件的最大位移也逐渐减小,试件的延性和耗能能力显著降低。同时,由于钢筋锈蚀程度的不均匀性,滞回曲线明显不对称。2.4骨架曲线根据偏心受压试件每级循环的荷载󰀁位移最大值,取正、负方向绝对值的平均值,绘出各试件的骨架曲线,如图7所示,试件的开裂荷载、屈服荷载、极限荷载等的试验值见表2。由骨架线可以看出,当荷载较小时,锈蚀试件比未锈蚀试件的刚度要低。在轴压比为0.25时,轻微锈蚀试件B21的骨架曲线与未锈蚀试件B0的骨架曲线相近,而锈蚀试件B22的屈服荷载和极限荷载分别比未锈蚀试件B0的相应特征荷载下降7.9%和7.37%;轴压比为0.4时,锈蚀较严重试件C32的屈服荷载和极限荷载分别比未锈蚀试件C0的相应特征荷载下降12.68%和15.56%。由此可知:在同等轴压比下,试件的抗震性能随锈蚀量的增大而显著降低;在相同锈蚀量下,随着轴压比的增大,锈蚀试件的抗震性能比未锈蚀试件降低更多。由图7还可看出:钢筋未锈蚀试件在达到极限荷载值后,有较长的平直段,具有较好的延性;在相同轴压比下,锈蚀试件随着锈蚀程度的增大,平直段57第4期󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁李金波,等:钢筋锈蚀对钢筋混凝土圆柱抗震性能的影响

图6试件的滞回曲线Fig.6HysteresisLoopCurvesofSpecimens表2试件的特征荷载Tab.2CharacteristicLoadsofSpecimenskN试件编号A0B0C0A12B21B22C32D43开裂荷载34.335.949.833.736.130.848.439.1屈服荷载58.0264.7974.9452.5861.7059.6765.4462.20极限荷载76.8283.