锈蚀钢筋混凝土梁受力性能研究现状

锈蚀钢筋混凝土梁受力性能研究现状

^*张妍妍^1,2，李士彬^1,2，张鑫^1,2

（1.山东建筑大学土木工程学院，山东 济南 250101；2.山东省建筑结构鉴定加固与改造重点实验室，山东济南 250101）

摘要：基于国内外锈蚀钢筋及锈蚀钢筋混凝土梁受力性能的研究成果，总结了国内外在锈蚀钢筋力学性能、锈蚀钢筋混凝土梁静力性能、锈蚀钢筋疲劳性能及锈蚀钢筋混凝土梁疲劳性能方面的研究进展。最终根据存在的问题，对锈蚀钢筋疲劳性能的研究进行展望。

关键词：钢筋混凝土梁；锈蚀钢筋；受力性能；综述[free]

Research status on the mechanical behavior of corroded reinforced concrete beam

Zhang Yanyan^1,2, Li Shibin^1,2, Zhang Xin^1,2

(1. School of Civil Engineering,ShandongJianzhu University,Jinan250101,China;

2.ShandongProvincial Key Lab of Appraisal and Retrofitting in Building Structures,Jinan250101,China)

Abstract: Based on the new research production for the mechanical behavior of corroded reinforcing steel bars and corroded reinforced concrete beams at home and abroad, the research progress on the static and fatigue behavior of corroded reinforcing steel bars and corroded reinforced concrete beams was summarized. Finally, the prospects on the fatigue of corroded reinforcing steel bars were given according to the existing questions.

Key words: reinforced concrete beam; corrosion reinforcement; mechanical behavior; review  

1  引言

混凝土结构广泛应用于工业与民用建筑、道路与桥梁、水利与港口等各种工程中。长期以来，人们偏重于结构的安全性，忽视了混凝土结构的耐久性。国内外许多工程因混凝土结构的耐久性问题，造成巨大的损失，并为此付出惊人的代价。据资料统计，世界各国的腐蚀损失平均占国民生产总值(GDP)的2%～4%。Mehta 教授^[1]在题为“混凝土耐久性—五十年进展”的报告中指出,“当今世界，混凝土结构破坏的原因，按重要性递降的顺序是：钢筋锈蚀、寒冷气候下的冻害、侵蚀环境的物理、化学作用”。目前，国外很多发达国家因钢筋锈蚀造成重大损失^[2-3]。

混凝土结构耐久性的研究开始于20世纪40年代，从混凝土结构耐久性损伤的劣化现象来看，主要有以下几种类型：混凝土碳化、钢筋锈蚀、混凝土冻融破坏、裂缝、混凝土强度降低及结构的过大变形 ^[4]。钢筋锈蚀是影响混凝土结构耐久性的最主要因素，钢筋锈蚀对耐久性的影响主要有三个方面：一是锈蚀引起钢筋截面减小；二是锈蚀钢筋力学性能发生劣化；三是混凝土保护层因锈胀脱落、使混凝土与钢筋之间的粘结力下降，并加剧钢筋锈蚀的发展，最终导致耐久性降低。

国内外已对受腐蚀钢筋混凝土梁的静力性能进行了广泛的研究，在试验研究的基础上进行了理论分析，取得了一定的研究成果，但对锈蚀钢筋混凝土梁疲劳性能的研究较少。在我国，基础设施腐蚀在总损失中占有很大比例，与钢筋腐蚀相关的占40%～50%，特别是桥梁。已建成的东海大桥设计使用寿命为100年，但刚投入使用不久便开始出现裂缝；山东潍坊郊外的白浪河大桥，投入使用后10余年，边梁严重开裂，保护层剥落，钢筋严重锈蚀（拆除扩建）。桥梁、海洋平台等除承受静载外，还常年承受交变载荷，其在寿命期间内的主要失效形式是疲劳破坏。

2  研究现状及分析

2.1 锈蚀钢筋的力学性能

锈蚀钢筋的力学性能是评价锈损钢筋混凝土构件受力性能的基础。目前，以试验研究为主，锈蚀钢筋通常分4种情况:（1)自然裸露锈蚀钢筋^[5,6]。试件置于各种自然侵蚀的环境中，如大气环境、海洋环境、工业环境中，试验周期长，环境条件变化不稳定，但是能较准确的反应真实情况。（2)工作现场中替换下来的既有构件中的锈蚀钢筋^[6]。能真实的反映工程的实际情况，但是由于钢筋生产年限的不同，导致钢筋的化学成分、力学指标等各异，并且未锈蚀的钢筋及其构件的原始数据难以获得，从而造成一定的局限性。（3)试验室电化学加速锈蚀钢筋^[6,7]。非常容易的获取锈蚀钢筋, 但是其与实际工程中自然锈蚀的差别较大。（4)实验室机械模拟加工钢筋^[7,8]。方法简单，易控制，但获取的锈蚀钢筋往往很难反映真实的情况。

惠云玲^[9]和张平生^[10]基于自然锈蚀钢筋的拉伸试验，指出随着钢筋锈蚀率的增大，名义屈服强度、极限强度和极限延伸率降低、屈强比增大、弹性模量未显著变化。

马哲良^[12]对锈蚀钢筋进行拉伸试验，得出：直径越粗的钢筋本身抗侵蚀的能力增强，而细钢筋对锈蚀更加敏感。

王军强^[13]从现场的钢筋混凝土构件中取出锈损程度不同的钢筋，对其进行力学试验得出：钢筋力学性能随着钢筋锈蚀率的增大而下降, Ⅱ级钢筋的下降趋势比Ⅰ级钢筋更明显。

商登峰^[6]从3种途径获取267根锈蚀钢筋试件，进行拉伸试验,系统研究了锈蚀钢筋力学性能退化规律。结果表明：随着钢筋锈蚀的发展,不同环境条件下的锈蚀钢筋的屈服强度、极限强度、极限应变均按类似的规律退化,屈服平台缩短甚至消失,但退化速率不同。该研究建立锈蚀钢筋力学性能试验数据库和锈蚀钢筋确定型的应力-应变关系模型，具有很好的应用价值。钢筋锈蚀后,本构关系模型也会随之变化^[11]。

此外,也有学者通过有限元模拟的方法来研究“蚀坑”对钢筋力学性能的影响^[7,14] 。钢筋表面的蚀坑是导致钢筋力学性能退化的主要原因，其宽度和深度对钢筋力学性能的退化有很大的影响。蚀坑宽度对锈蚀钢筋强度的影响较小，蚀坑深度是影响锈蚀钢筋强度的主要原因。

闪勇^[15]通过有限元方法模拟分析了蚀坑引起的应力集中的发展规律：蚀坑附近有明显的应力集中现象，且表现出一定的规律性；钢筋屈服强度与蚀坑深度有明显关系，与蚀坑的形状以及间距关系不大。

王巧平^[16]对锈蚀钢筋进行数值模拟，得知单侧均匀锈蚀的钢筋，其抗拉极限强度主要与锈蚀钢筋的重量损失率有关，表面带有锈坑的锈蚀钢筋，其极限抗拉强度主要与钢筋表面的锈坑的深度、长度以及钢筋的重量损失率有关。因此,研究“蚀坑”对锈蚀钢筋力学性能的影响具有重要的理论意义和实用价值。

2.2 锈蚀钢筋混凝土梁的静力性能

目前,国内外对受腐蚀钢筋混凝土梁进行大量试验研究和理论分析，且主要集中于锈蚀钢筋混凝土梁的抗弯^{[ 17-26]}性能，而对锈蚀钢筋混凝土梁的抗剪性能^[27-31]研究较少。

惠云玲^[17]对钢筋锈蚀前后混凝土梁柱在内的基本构件性能作了对比试验。给出便于实际应用的锈蚀受弯构件的承载力计算方法，为混凝土结构的耐久性研究提供重要的依据。

金伟良^[18]通过电化学腐蚀的方法进行锈蚀钢筋混凝土梁抗弯强度的试验研究。得出锈蚀钢筋混凝土梁抗弯强度计算的表达式,及其简化计算式。并得到在钢筋锈蚀率小于5%,钢筋混凝土梁的抗弯强度还是可以应用现行规范公式计算的。

范颖芳^[19]对荷载作用下钢筋混凝土构件腐蚀前后的力学性能进行了对比，提出了氯化物腐蚀后钢筋混凝土受弯构件的承载力计算模型。

Ballim Y. ^[20,21]考虑了工作荷载对锈蚀钢筋混凝土梁抗弯承载力的影响。在相同锈蚀率下，变形率随工作荷载的增大而增大；锈蚀混凝土构件的极限承载能力下降主要是由于控制截面处最大坑蚀控制。

牛荻涛^[22]对锈蚀钢筋混凝土梁正截面受弯承载力计算方法研究，提出了锈蚀梁的受弯承载力计算模型。并给出了协同工作系数的计算公式，重点解决了协同工作系数的计算问题, 对混凝土结构耐久性评估与剩余寿命预测具有重要的应用价值。

金伟良^[23]指出受拉主筋锈蚀率小于9%时，对短梁的破坏形式和抗弯抗剪承载能力并无明显影响，但严重锈蚀对梁的刚度有明显影响，钢筋对弯曲裂缝开展的抑制作用随着锈蚀程度的加深而降低。

王小惠^[24]基于锈蚀钢筋混凝土梁内钢筋与混凝土间粘结强度随锈蚀量的变化，对锈蚀钢筋混凝土梁的抗弯承载力进行了研究。基于梁整体的受力平衡和变形协调，建立了考虑梁内粘结强度退化的锈蚀钢筋混凝土梁抗弯承载力模型。

杨明^[25]对锈蚀钢筋混凝土梁受弯性能进行有限元分析，提出简化的锈蚀钢筋混凝土梁受弯承载力计算方法。

牛荻涛^[26]对锈后无黏结混凝土梁的进行模拟试验研究与有限元分析，基于现有试验数据，将锈蚀深度 0.3mm 作为锈损构件有无黏结的界限锈蚀量，结合无黏结梁钢筋强度利用系数的计算公式，建立了一般锈蚀钢筋混凝土梁受拉钢筋强度利用系数的计算公式，提出了更为科学的锈蚀钢筋混凝土梁抗弯承载力计算方法。

在钢筋混凝土梁中，箍筋位于纵筋的外面，其保护层厚度相对较薄，因此箍筋首先会锈蚀，往往锈蚀程度比纵筋的严重。田瑞华^[27]基于钢筋混凝土构件的抗剪机理，得出了影响锈蚀钢筋混凝土构件抗剪强度的主要因素，并提出了考虑钢筋锈蚀的钢筋混凝土压弯构件抗剪承载力的计算表达式。

Xi kang Y.^[28]通过自配人工海水来模拟海洋环境中锈蚀钢筋混凝土梁的抗剪性能。指出在海水引起钢筋锈蚀的初始阶段，混凝土梁的抗剪承载能力会急剧下降；之后随着锈蚀量的增加，抗剪承载能力有一个回升的阶段。

熊进刚^[29]通过实验研并结合已有的实验结果，提出了受剪承载力系数的计算方法及无腹筋梁中纵筋的锈蚀后受剪承载力的计算公式，其计算结果与实验结果接近，从而为进一步研究有腹筋梁钢筋锈蚀后的受剪承载力奠定坚实的基础。

左龙华^[30]通过计算无腹筋锈蚀钢筋混凝土梁的受剪承载力，在综合考虑了多种因素后,建立了受剪承载力的计算表达式。

王小惠^[31]研究了锈蚀钢筋混凝土梁的斜截面抗剪承载能力，考虑钢筋锈蚀对受力钢筋截面面积和力学性能、钢筋与混凝土间粘结强度以及混凝土保护层厚度的影响，基于“拉、剪临界破坏”的概念和“梁-拱”共同作用的混凝土抗剪抵抗机制，建立了锈蚀无腹筋(主要指箍筋)梁的抗剪承载力公式；考虑梁中纵筋和(或)箍筋锈蚀的影响，基于箍筋与混凝土抗剪作用相互影响机制，采用相应于有腹筋梁的无腹筋梁对抗剪强度的贡献与箍筋对抗剪强度的贡献相加的模式，建立了锈蚀有腹筋梁的抗剪强度公式。

Higgin s C.^[32]研究了锈蚀箍筋对钢筋混凝土梁性能的影响。研究得出，在锈蚀结构的受剪区域,应主要考虑其箍筋的局部截面损失和相对剩余面积, 而不是考虑其整体平均上的损失。

丁季华^[33]对均布荷载作用下箍筋锈蚀钢筋混凝土梁作了弹塑性数值模拟计算。运用有限元软件揭示了随箍筋锈蚀率的变化，钢筋混凝土梁的抗剪极限承载力会劣化,破坏裂缝形式将发生变化，这为今后进行数值试验和影响因素分析作了初步研究。

李志华^[34]箍筋对钢筋混凝土受弯构件裂缝的影响分析，根据国内外试验资料研究，总结提出了考虑箍筋影响的平均裂缝间距公式，并在我国规范GB50010-2002裂缝宽度计算模式得基础上，提出了考虑箍筋影响的平均裂缝宽度计算公式。

金伟良^[35]对锈蚀箍筋混凝土梁的抗剪承载力进行分析基于试验研究，并结合锈蚀箍筋混凝土梁抗剪性能已有的试验结果,最终建立了锈蚀钢筋混凝土梁抗剪承载力的表达式，其适用于实际工程的设计计算中。

2.3 锈蚀钢筋的疲劳性能

美国试验与材料学会（ASTM）对疲劳的定义为：在某点或某些点承受扰动应力，且在足够多的循环扰动作用之后形成裂纹或完全断裂的材料中所发生的局部的、永久结构变化的发展过程，称为疲劳。材料或构件在交变应力(应变)作用下发生的破坏，称为疲劳破坏或疲劳失效。研究“锈蚀钢筋的疲劳性能”是正确评价并延长疲劳载荷下锈蚀混凝土构件使用寿命的基本前提，但现阶段相关研究甚少。

曹建安^[36]等从实际桥梁退换下的老化构件中截取锈蚀光圆钢筋进行了疲劳试验，给出了锈蚀光圆钢筋的疲劳S-N曲线。但是由于没有足够的钢筋，导致没有考虑钢筋锈蚀率的影响。

李之榕^[37]等从实际桥梁退换下的老化构件中截取锈蚀变形钢筋进行了疲劳试验，给出了用于锈蚀变形钢筋疲劳寿命评估的疲劳S-N曲线，上述研究为评估既有锈蚀钢筋混凝土结构的剩余疲劳寿命提供了依据，但由于钢筋数量有限，在进行结果分析时未考虑钢筋锈蚀程度及载荷历史的影响。

彭修宁^[38]在对模拟锈蚀钢筋试件进行疲劳试验研究的基础上，分析了“锈坑”对钢筋疲劳性能的影响，提出了产生锈坑后建筑用钢筋疲劳S-N曲线中C参数的三阶段劣化规律，在确定“模拟锈坑”和“自然锈坑”的相似关系后，该研究具有较好的应用价值。

国外学者^[39,40]通过拉压低周疲劳试验发现锈蚀钢筋的疲劳寿命和延性均显著降低。实际工程中，钢筋的低周疲劳主要是由地震载荷引起的，研究成果具有较高的价值，国内尚未见相关报道。鉴于国内外钢筋的化学成分、几何参数、力学性能等存在较大差异，国外研究成果不宜照搬。

李士彬^[5]通过试验建立考虑锈蚀率影响的钢筋疲劳曲线方程，从微观上解释了锈蚀钢筋疲劳性能的退化规律，但所选的钢筋的锈蚀率偏高。李士彬 ^[41]等通过单轴拉伸疲劳试验，对比分析了自然锈蚀钢筋和外加电流快速锈蚀钢筋的疲劳退化规律，并借助扫描电镜从微观上研究相应锈蚀钢筋的疲劳断裂机理。但由于所选的锈蚀钢筋的锈蚀率偏大，导致结果没有很好的应用价值。

2.4 锈蚀钢筋混凝土梁的疲劳性能

钢筋锈蚀对混凝土梁疲劳性能的不利影响非常严重。目前，我国许多在役锈损混凝土桥梁普遍存在着疲劳性能不断降低的隐患。但鉴于重视程度、研究基础、试验设备、试验经费等问题，国内外对锈