钢筋锈蚀与混凝土保护层损失对钢筋混凝土柱强度的影响

摘要：在本文中，通过使用改进的分析程序和先进的劣化材料模型开发弯矩-轴力（M-P）相互作用图，量化了钢筋腐蚀和混凝土保护层对桥柱结构行为的影响。 本研究的结果表明，受压控制区域，相比左侧或者受拉侧劣化，柱截面受压侧钢筋锈蚀减少了有效宽度并导致更大的承载能力降低。然而，一般来说，在受拉控制区域，相比受压钢筋或者截面左右两侧钢筋，受拉钢筋锈蚀会导致更大的强度降低。

关键词：劣化 锈蚀 混凝土保护层 结构响应 钢筋混凝土柱

1引言

钢筋锈蚀是混凝土构件变质的主要原因。无论腐蚀过程的来源如何，无论是碳化，氯离子，氧气渗透，保护层厚度不足或其他多种原因，腐蚀对混凝土构件的影响都是类似的。腐蚀可能会以多种方式好方法墩柱的残余强度，例如钢筋的截面损失，腐蚀强化强度的降低，腐蚀引起的开裂和剥落引起的混凝土横截面的减少以及结合强度的损失。据FHWA报道，“国家公路，桥梁与交通状况：2004年情况与绩效”报告显示，美国总共有162,869座桥梁在公路桥梁网络中存在缺陷。当桥梁平均加权时，这占公路桥梁总库存的27.5％[1]。根据FHWA的报告，除冰盐引起的腐蚀损害被认为是导致桥梁结构在结构上不足的主要问题之一。

评估锈蚀对钢筋混凝土桥柱结构性能的影响对于估计残余承载能力至关重要，最终用于制定具有成本效益的维修策略。 随着维修费用的增加和需要改造的桥梁数量的增加，量化劣化钢筋混凝土构件残余强度变得越来越重要。 恶化结构的目前使用的主观条件评估程序可能导致不准确的结果。 在本文中，通过使用Tapan [2]提出的方法，通过发展弯矩-轴力（M-P）相互作用图来量化钢筋锈蚀和混凝土保护层层损失对桥梁结构行为的影响。 该方法已经用Tapan [2]中提供的有限的可用实验数据进行了验证。

2研究意义

根据文献综述，可以看出钢筋混凝土构件退化的各个方面都得到很好的覆盖。 然而，与劣化钢筋混凝土柱承载能力评估有关的文献有限。Rodriguez等发表的一组实验测试数据只有一篇。文献[3]关于钢筋混凝土柱在组合弯曲和轴向行为下承载能力的影响。 使用该测试数据，假设有限数量的劣化情况，通过开发轴向载荷 - 弯矩（P-M）相互作用图评估劣化钢筋混凝土柱的承载能力[3]。 需要更多的工作来开发适用于劣化钢筋混凝土柱的强度评估方法，其中包括所有锈蚀相关因素和恶化情景。影响劣化钢筋混凝土柱的结构性能的因素有保护层到纵向钢筋直径比，劣化位置，钢筋比等。 没有任何涵盖所有这些变量的可用数据。 因此，根据Tapan [2]先前验证的分析方法，根据劣化位置和混凝土保护层损失，确定钢筋锈蚀和混凝土保护层损失对桥梁结构性能的影响。

3钢筋混凝土构件劣化

耐久性问题是结构工程相当关注的主要焦点。 在达到设计使用寿命之前，正在经历大量劣化的结构越来越多。 这种过早劣化在结构的完整性和安全性方面是一个问题。 此外，结构的劣化与其相关的成本相当高[4]。

在许多情况下，劣化问题的根本原因是混凝土结构钢筋的锈蚀。 混凝土通常用于提供高度防护以防止嵌入式钢筋的锈蚀。 混凝土固有地为钢筋提供了高碱性的环境。 这样可以防止钢筋锈蚀。 然而，腐蚀会导致这些情况下，通常遇到的混凝土质量不好，设计或施工，和恶劣的环境条件。

钢筋混凝土构件的锈蚀变质通常由以前由其他研究者定义的四个阶段组成[4,5]。 这些阶段的评估显示在定期检查和拍照的示例（图1）中。

图1. 墩柱锈蚀退化阶段 - 检验报告[4]

3.1锈蚀效应的模拟

Tapan [2]开发的分析模型用于确定劣化柱的损伤几何形状和劣化混凝土和钢筋的材料性质的P-M相互作用图。 这些图是使用Tapan [2]中描述的修改分析程序开发的，并考虑到高级劣化材料模型。

3.1.1锈蚀钢筋

钢筋遭受锈蚀损坏后其强度和延性也相应有所损失，因此，原来的强度的钢筋不能用于预测锈蚀的钢筋强度。

杜等人开发的经验公式 [6]在本文提出的分析模型中采用了锈蚀钢筋的剩余承载力.他们的测试结果与在自然锈蚀条件下获得的结果吻合良好。因此，杜等人提出的经验方程（方程（1） - （3））. [6]用于评估混凝土中嵌入的锈蚀钢筋的残余强度用于计算锈蚀钢筋的剩余承载力。

其中f是锈蚀钢筋的屈服强度（fs（cor））; f_y为非锈蚀性钢筋的屈服强度; Qcorr钢筋锈蚀量（％）; 锈蚀钢筋的平均截面积（As（cor））; Aso是未锈蚀钢筋的初始横截面积; Icorr实体结构钢筋锈蚀速率（lA / cm）; Db无锈蚀钢筋的直径; t是自锈蚀开始以来经过的时间（年）。

3.2混凝土保护层剥落

控制钢筋周围混凝土开裂的重要参数是：

■混凝土保护层厚度

■混凝土的抗拉强度

■钢筋大小

■钢筋产品锈蚀膨胀量

■容纳在周围混凝土孔内的锈蚀钢筋，不会引起混凝土中的断裂应力。

当最大环向应力（由于内部压力））等于混凝土的抗拉强度时，假定保护层开裂瞬间发生。 尽管实际上，开裂混凝土具有一定量的残余强度（即有三个开裂阶段，初始，渗透和极限开裂），但假设在最大环向应力等于混凝土的拉伸强度之后发生极限开裂。 发现“混凝土保护层与纵向钢筋直径之比”对劣化钢筋混凝土柱承载能力起着重要作用。 导致保护层开裂的钢筋锈蚀量计算为2.25％，对于纵向钢筋直径比等于1（C / D = 1），C / D = 2.5的5.25％。

3.2.1钢筋锈蚀和粘结损失的影响

对于传统的钢筋混凝土构件，可以使用平衡方程，应力-应变关系和应变兼容性沿跨度的任何典型截面确定应变和应力变化。这种分析假设钢筋和混凝土之间存在完美的粘结，并且意味着钢筋在载荷下的应变等于和钢筋位置相同处混凝土的应变。

桥墩的高度和横截面上的不均匀的钢筋锈蚀导致锈蚀钢筋和周围混凝土之间的粘结部分或完全丧失。变形墩的肋的劣化导致墩肋与周围的混凝土键之间的互锁力明显减小。结果表明，变形钢筋和混凝土之间的粘结强度的主要机理会恶化，粘结强度明显降低[7]。凯恩斯和米拉德[8]的研究结果表明，它是粘结体遭受最迅速的降解作为腐蚀的结果，因此有一个严重的潜在因素，以减少结构的安全性。因此，传统的应变相容性不适用于锈蚀钢筋中的应力计算（即沿着锈蚀的钢筋长度的应变变化（暴露的钢筋长度平均）），并且不能使用基于应变相容性的常规方法，无需任何修改来确定实际劣化钢筋混凝土构件的能力。 为了解决钢筋锈蚀和粘结损失，同时开发不同劣化情况下的相互作用图，计算出暴露的钢筋长度时相邻混凝土的平均变化，并计算退化（未粘合）钢筋中的应变，如图2所示。使用下面的等式;

其中es是劣化钢筋中的应变; ec为劣化钢筋的平均应变; ∆Lexp是暴露（未支撑）锈蚀钢筋的长度; ec是混凝土中的应变。

图2计算锈蚀钢筋混凝土柱段的应力和应变。

3.22锈蚀钢筋长度（考虑受压区劣化的钢筋屈曲）

柱的轴向承载能力随着钢筋横截面积的减小而减小。 如果锈蚀钢筋的长度超过临界长度，则在屈服前可能会屈曲。 几个研究人员[9-11]研究表明，钢筋的非弹性屈曲行为对无支撑的杆长与杆直径比非常敏感。 箍筋锈蚀以及混凝土保护层的开裂增加了RC柱承载能力的降低速率，因为这两个结果导致较长的无支撑纵向钢筋长度过早屈曲。 在该模型中，通过重心轴进行轴向压缩的压缩构件的弯曲屈曲强度由等式（5）-（8）得出。这些方程用于计算锈蚀暴露的钢筋的临界屈曲应力。

Ag是构件总面积; fy是指定的最小屈服应力; E弹性模量; K有效长度因子; L是构件长度; r是屈曲轴的回转半径。

4钢筋锈蚀和混凝土破损对RC柱结构性能的影响研究

关于锈蚀对结构完整性的影响的研究对于开发用于预测残余承载能力的有效工具至关重要。 钢筋锈蚀对结构行为的影响可以通过使用改进的分析程序（包括劣化的材料模型）开发相互作用图来量化[2]。 使用该模型，研究了钢筋混凝土柱的结构残余承载能力，如图3所示劣化柱的几种情况。对圆柱，在这项研究中，六种不同的锈蚀劣化的情况下，对不同的锈蚀量进行了研究。这些劣化的情况可以概括如图4所示。

图3.I型柱，不同锈蚀情况下的初始截面信息

图4.分析中考虑的劣化工况

钢筋锈蚀直接影响混凝土的开裂，锈蚀钢筋的位置对柱的实际承载力有不同的影响。 因此，对于每个单独的劣化情况，研究了锈蚀的影响。 假设＃9（28.65mm）和较大的钢筋的锈蚀量达到10％，则第四个劣化阶段完成。

图 5-10显示了所有六种劣化情况的相互作用图，其中I型柱与纵向钢筋直径（C / D）比等于1。由于，导致盖开裂的腐蚀量计算为2.25%的覆盖纵向钢筋直径比等于1（C / D = 1）和C / D = 2.5，其中一个更关键的情况下，C / D = 1，被选定为在修正后的原稿的分析。

图5 预定义的退化阶段的相互作用图，其中劣化是在柱受压侧

图6 预定义的退化阶段的相互作用图，其中劣化在柱的侧面的受拉侧

图7 预定义的退化阶段的相互作用图，其中劣化在柱的左侧

图8 预定义的退化阶段的相互作用图，其中劣化在柱的受压侧和左侧

图9 预定义的退化阶段的相互作用图，其中劣化在柱的受拉侧和左侧

图10 预定义的退化阶段的相互作用图，其中劣化为柱的全部截面

4.1退化钢筋混凝土柱承载能力的估算

任何劣化阶段的承载能力可以使用几种不同的方法来确定。 第一种方法是通过绘制偏心线来得到减少荷载，而第二种方法是通过几个轴向负载来计算减少荷载。 第一种方法的过程开始于使用Mu / Pu的关系定义偏心线。 一旦定义了偏心线，就可以计算每个退化阶段降低的强度。 那些结果可以用来计算桥墩柱的承载能力。

第二种方法是基于参考几个轴向载荷。虽然大多数的墩柱设计为抵抗小偏心距 ，但在受到地震激励时，它们可能会产生较大弯矩。 因此，这种方法对于评估地震带中劣化的钢筋混凝土柱的承载能力降低值具有很大的作用。

第二种方法的过程开始于将轴向载荷定义为纯轴向载荷的百分比，然后在相互作用图上绘制直线。

计算这条线的交点之间的差距，以估计每个退化阶段的弯矩值。 此外，还可以在相互作用图上绘制使用几种不同载荷情况计算的轴向载荷和弯矩，以检验在这些条件下柱是否安全。 在本文中，使用P = 0.4Pu的方法计算不同劣化情况下“不同退化”之间的“Mu”的百分比变化，并将结果列于表1进行比较。

4.2钢筋锈蚀和混凝土保护层损失对劣化RC柱的极限载荷能力的影响

钢筋锈蚀直接影响保护层开裂;锈蚀钢筋的位置影响承载能力。锈蚀区域的锈蚀和位置对承载能力的影响，对于每个劣化阶段分别进行了研究，结果将在本节进行详细的讨论。六个劣化情况下的P-M相互作用图表明，承载能力明显下降，超过第三个退化阶段（锈蚀量=“2.25%-10％”，取决于“As”）。对于情况I，假设锈蚀发生在受压柱的最外层，钢筋锈蚀的影响小于第四劣化阶段（锈蚀量gt; 10％）。柱的轴向和抗弯承载力随着腐蚀量的增加而减小。发现平衡条件下的轴向和抗弯曲能力的降低超过压缩或张力控制区域的减少。那是因为，在平衡条件下，中性轴是固定的（因为在混凝土和钢筋处的预定应变水平）。因此，随着锈蚀量的增加，受压钢筋处的力减小，导致较小的轴向载荷，以及材料重心向受拉侧的移动，从而导致较小的力臂和最后力矩的减小。

对于情况II，假设锈蚀发生在最外层的受拉筋上，纯压缩下的轴向承载能力的降低与情况I相同。随着锈蚀量的增加，平衡状态和纯弯矩下的承载力降低明显大于情况I。此外，随着锈蚀量的增加，截面的塑性重心朝向压缩侧移动，以平衡底部钢筋的减少。由于轴向力Pn是通过对混凝土和钢筋中的各个力进行求和来计算的，而通过将这些力相对于截面的塑性重心相加的力矩来计算力矩Mn，对于较高的锈蚀程度，还原率较高。结果表明，平衡和纯弯矩条件下腐蚀量的增加显着降低。一般来说，结果表明，对于高锈蚀量（即锈蚀量P50％），拉伸强化中的锈蚀会导致压缩侧或左/右侧钢筋中钢筋锈蚀的强度降低。

对于情况III，假设锈蚀发生在柱的最左侧/右侧，在纯压缩下的轴向承载能力的降低与情况I和II几乎相同。 由于柱为方柱，对于给定的锈蚀量，混凝土的破损和钢筋损失相同，所以I，II和III类的纯轴向承载能力的降低是相同的。 与第一和第二类不同，在这种情况下，钢筋锈蚀的承载能力降低到第四个恶化阶段。 “保护层与纵向钢筋直径”比增加时，减少量减少。 与其他两种情况一样，平衡条件下轴向和抗弯曲承载力的降低高于压缩或张力控制区域。 尽管在情况III中，材料重心与断面的重心重合，适用于任何锈蚀条件下的计算。

CR =锈蚀速率，Pn =标称轴向容量。

随着锈蚀量的增加，受压和受拉钢筋的承载力减小，从而导致轴向和抗弯承载能力的减小。 另一方面，由于关于轴（x-x）的对称，在平衡条件和纯弯矩下的减少相对低于情况I和II。 对于情况III的纯抗弯能力的降低值小于锈蚀量小于或等于10％的情况I。 当锈蚀量增加超过10％时，情况III的纯抗弯能力的减小将导致比情况I中更大的抗弯能力的降低。对于所有锈蚀程度，情况III的纯抗弯能力的降低小于情况II。

对于情况IV，假设所有的钢筋都发生了锈蚀，承载能力明显下降，远远超过其他调查情况。 超过第三劣化阶段的锈蚀钢筋（即根据“As”锈蚀量之比等于“2.25-10％”）对承载能力具有相对较低的减小效果。 这是因为，随着锈蚀量的增加，钢筋比例将大大降低，导致比其他劣化情况下更大的承载能力下

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