自然锈蚀钢筋的疲劳试验

李士彬，汤红卫，张 鑫，孙 伟

（1.山东建筑大学 土木工程学院，山东 济南 250101；2.山东建筑大学 山东省建筑结构鉴定加固与改造重点实验室，山东 济南 250101；3.东南大学 材料科学与工程学院，江苏 南京 211189；4.东南大学 江苏省土木工程材料重点实验室，江苏 南京 211189；5.山东大学 土建与水利学院，山东 济南 250061）

桥梁是国家重要的交通基础设施，是公路网、铁路网的咽喉，是关系社会和经济协调发展的生命线.在中国，混凝土桥梁约占桥梁总数的90%，截止到2011年底，仅公路桥梁就建造了68.9万座，累计总长3 350万米.

碳化或氯盐引起的钢筋锈蚀已被世界公认为混凝土桥梁的一大灾害.目前，中国许多既有锈损混凝土桥梁急需进行耐久性评估与剩余疲劳寿命预测.在车辆、风载等交变疲劳载荷作用下，锈蚀钢筋混凝土构件的破坏往往是由锈蚀钢筋的疲劳断裂所致［1－3］，因此，正确认识钢筋锈蚀后其疲劳性能的退化规律，建立锈蚀钢筋的疲劳曲线方程是科学预测并适当延长既有锈损混凝土桥梁使用寿命的前提.

曹建安等［4］研究发现，由于锈坑引起的应力集中及载荷历史的影响，使既有铁路桥梁构件中锈蚀钢筋的疲劳寿命大大降低，疲劳极限应力现象趋于消失.张伟平、李士彬等［5－7］通过轴向拉伸疲劳试验，建立了考虑锈蚀率影响的混凝土中自然锈蚀钢筋及加速锈蚀钢筋的疲劳曲线方程.笔者探讨了自然裸露锈蚀变形钢筋的疲劳性能，并从微观上解释了自然裸露锈蚀钢筋疲劳寿命退化的机理.

本文在前期研究工作的基础上，通过轻度、中度、重度自然锈蚀钢筋的轴向拉伸疲劳试验，进一步探讨了自然锈蚀钢筋疲劳寿命的退化规律，建立了考虑锈蚀率影响的轻度、中度和重度自然锈蚀钢筋的疲劳曲线方程，并给出了50%保证率及不同预期疲劳寿命下自然锈蚀钢筋容许应力幅值的建议值，为合理预测并适当延长既有锈损混凝土桥梁的使用寿命提供了理论依据.

1 试验概况

1.1 试件制备

钢筋自然锈蚀分大气环境中裸露锈蚀和混凝土构件中自然锈蚀2种.针对既有混凝土桥梁工程，在济南某高校服役40余年的钢筋混凝土电线杆中截取自然锈蚀钢筋试件.经检测，该电线杆中钢筋发生锈蚀的原因是混凝土碳化，锈前光圆钢筋的工程直径为10，12mm.清除锈蚀钢筋上的混凝土后，用切割机截成长约400mm 的试件，共36根.经对其中6根基本未锈蚀钢筋试件进行轴向拉伸试验，得到其锈前的屈服强度、极限强度和弹性模量分别为389，460MPa和202GPa.随后，在大气环境下，对25根锈蚀钢筋试件进行了轴向拉伸疲劳试验.

1.2 钢筋锈蚀评定

自然锈蚀钢筋试件表面存在大量锈坑，且在靠近混凝土保护层的一侧锈蚀较严重.依据GB／T 50082—2009《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法》，参照文献［5］测定了锈蚀钢筋试件的锈蚀率（ηs，质量分数，%）.

本文依据锈蚀率、锈坑大小及其分布初步将锈蚀钢筋试件分为轻度（ηs≤5.00%）、中度（5.00＜ηs≤10.00%）和重度（ηs＞10.00%）锈蚀3种.

1.3 轴向拉伸疲劳试验

锈蚀钢筋试件的轴向拉伸疲劳试验在山东大学力学工程测试中心的INSTRON 8502型疲劳实验机上进行，如图1所示.

图1 锈蚀钢筋的疲劳试验Fig.1 Setup for fatigue test of corroded reinforcement

依据GB／T 3075—2008《金属材料疲劳试验轴向力控制方法》，试验采用载荷控制，按正弦波施加等幅交变荷载，加载频率为10Hz.考虑到实际运营的既有桥梁在服役过程中主要存在锈蚀损伤和超载损伤，应力水平（最大应力与锈前钢筋屈服强度之比）取0.50～0.85，应力比（最小应力与最大应力的比值）取0.1.

锈蚀钢筋试件的疲劳试验参数与结果见表1（5根试件断裂在夹持部位，数据无效，未列出），其中：Fmax为疲劳荷载上限；Fmin为疲劳荷载下限；Smax为按锈后截面面积计算的最大应力；f 为加载频率.

由表1可见，试件的锈蚀率为1.99%～28.74%，轻度锈蚀5根，中度锈蚀9根，重度锈蚀6根.

表1 锈蚀钢筋的疲劳试验参数与结果Table 1 Fatigue test parameters and results of corroded steel bars

2 试验结果及分析

2.1 自然锈蚀钢筋的疲劳曲线

假定以疲劳寿命与应力幅值（最大应力与最小应力的差值）表示的自然锈蚀钢筋的等幅疲劳曲线在双对数坐标系下仍满足线性关系，即lg N＝AmlgS，其中：S 为应力幅值（MPa）；N 为疲劳寿命（times）；A 和m 为与锈蚀程度有关的系数.

由试验数据，经统计回归，可分别获得轻度、中度和重度自然锈蚀钢筋疲劳曲线的A，m 及相关系数R，结果见表2.参照文献［5］选定未锈蚀钢筋疲劳曲线的系数.

表2 锈后钢筋疲劳曲线的A，m 及相关系数RTable 2 Coefficients for fatigue curve of naturally corroded steel bars

由表2可见，R 均大于0.900 0，可以认为自然锈蚀钢筋的疲劳寿命与应力幅值满足对数线性关系（见图2）.

图2 自然锈蚀钢筋的疲劳曲线Fig.2 Fatigue curves of naturally corroded steel bars

由图2可见，随锈蚀发生、发展，疲劳曲线的斜率越来越大.这表明，锈后钢筋不但其截面面积减小，而且其疲劳强度也降低.

2.2 自然锈蚀钢筋的疲劳寿命

根据表2，给定应力幅值就可预测50%保证率下自然锈蚀钢筋的疲劳寿命.GB 50010—2010《混凝土结构设计规范》规定：在疲劳荷载作用下，固定应力比为0.1时，同等强度的未锈蚀HRB 335级钢筋的容许应力幅值为162 MPa.依据轻度、中度、重度自然锈蚀钢筋和未锈蚀钢筋的疲劳曲线方程，表3 按实际应力幅值等于规范规定的容许应力幅值（162MPa）、超载20%和超载50%分别列出了随锈蚀发生、发展，钢筋的应力幅值和疲劳寿命.

表3 特定应力幅值下锈蚀对钢筋疲劳寿命的影响Table 3 Influence of corrosion on fatigue life of steel bars under different stress amplitudes

由表3可见，由于截面积减小、疲劳性能退化，锈后钢筋的疲劳寿命显著降低，且应力幅值越大退化越明显.当初始应力幅值为162，194，243 MPa时，轻度锈蚀钢筋的疲劳寿命分别下降了30%，55%，75%，中度锈蚀钢筋的疲劳寿命分别下降了74%，85%，92%，重度锈蚀钢筋的疲劳寿命分别下降了87%，93%，96%.

若仅考虑截面积减小，不计疲劳性能退化，当初始应力幅值为194MPa时，轻度、中度、重度锈蚀钢筋的疲劳寿命分别下降了14%，27%，48%，较55%，85%，93%低了许多.可见，锈后钢筋的疲劳性能退化显著.

2.3 自然锈蚀钢筋的容许应力幅值

根据表2，给定预期疲劳寿命就可确定50%保证率下自然锈蚀钢筋的容许应力幅值.表4列出了50%保证率的未锈蚀、轻度锈蚀、中度锈蚀钢筋在不同疲劳寿命下的容许应力幅值建议值（应力比为0.1）.

由表4可见，锈后钢筋的容许应力幅值明显降低.当预期疲劳寿命为200万次时，轻度、中度锈蚀钢筋的容许应力幅值分别下降了23%，33%.研究［8］表明，当预期疲劳寿命为50万次时，中度锈蚀（锈蚀率为9.70%）钢筋混凝土梁的疲劳强度下降了27%.

表4 自然锈蚀钢筋的容许应力幅值建议值Table 4 Suggested values for allowable stress amplitude of naturally corroded steel bars

3 对比分析

参照文献［6］，结合GB 50010—2010《混凝土结构设计规范》，表5按预期疲劳寿命200万次分别列出了中度锈蚀（锈蚀率为10.00%）混凝土中自然锈蚀钢筋、加速锈蚀钢筋在50%保证率下的容许应力幅值建议值（应力比为0.1）.

表5 不同锈蚀工况下容许应力幅值建议值Table 5 Suggested values of allowable stress amplitude under different corrosion conditions

由表5可见，未锈蚀光圆钢筋与变形钢筋的容许应力幅值分别为280，245 MPa，这可能是由于自然锈蚀光圆钢筋的对比试件被精加工过［5］.可见，自然锈蚀对钢筋疲劳性能的影响较加速锈蚀显著，这主要是由于自然锈蚀与加速锈蚀的机理不同，自然锈蚀钢筋的表面存在大量锈坑，导致应力集中，而加速锈蚀则比较均匀.

在考虑锈蚀和超载的情况下，本文将疲劳应力水平取较高值.为验证试验数据的可靠性，与文献［5］进行了对比.本文的中度自然锈蚀钢筋（锈蚀率10.00%）与 文 献［5］中 的A15 系 列（锈 蚀 率15.00%）锈蚀情形相似.由于试件锈前工程直径不同，使锈蚀率存在差异.当应力幅值为230.7，205.2，179.6，153.2MPa时，A15系列试件的疲劳寿命分别为652 047，1 082 585，2 637 046，4 234 567次，其疲劳曲线方程为：lg N ＝17.039－4.746lg S（相关系数为－0.988 4）.据此可推断，当预期疲劳寿命为200 万次时，其容许应力幅值建议值为183MPa（本文的建议值为188 MPa），这说明本文的试验数据准确、可靠.

4 结语

（1）由于“锈坑”引起的应力集中现象，自然锈蚀钢筋的疲劳性能显著退化.轻度、中度、重度自然锈蚀钢筋的疲劳寿命与应力幅值在对数坐标系下均保持线性关系.

（2）经统计回归，分别建立了轻度、中度、重度自然锈蚀钢筋的疲劳曲线方程，给出了50%保证率的预期疲劳寿命为200万次轻度、中度自然锈蚀钢筋容许应力幅值的建议值.

（3）当容许应力幅值为162 MPa时，中度自然锈蚀钢筋（锈蚀率10.00%）的中值（保证率为50%）疲劳寿命较未锈蚀钢筋下降了74%；当预期疲劳寿命为200 万次时，中度自然锈蚀钢筋（锈蚀率10.00%）的容许应力幅值下降了33%.

（4）直接由加速锈蚀钢筋的疲劳性能预测既有服役老化混凝土桥梁的剩余疲劳寿命，往往偏于不安全.建议进一步开展锈蚀与疲劳耦合作用下自然锈蚀钢筋疲劳性能方面的研究.

［1］王海超，贡金鑫，曲秀华.钢筋混凝土梁腐蚀后疲劳性能的研究［J］.土木工程学报，2005，38（11）：32－37，101.WANG Haichao，GONG Jinxin，QU Xiuhua.An experimental study on the fatigue behavior of corroded RC beams［J］.China Civil Engineering Journal，2005，38（11）：32－37，101.（in Chinese）

［2］易伟建，孙晓东.锈蚀钢筋混凝土梁疲劳性能试验研究［J］.土木工程学报，2007，40（3）：6－10.YI Weijian，SUN Xiaodong.Experimental investigation on the fatigue behavior of corroded RC beams［J］.China Civil Engineering Journal，2007，40（3）：6－10.（in Chinese）

［3］吴谨，王晨霞，徐贾，等.疲劳荷载下锈蚀钢筋混凝土梁弯曲疲劳性能试验研究［J］.土木工程学报，2012，45（10）：118－124.WU Jin，WANG Chenxia，XU Jia，et al.Study on flexural fatigue behavior of corroded reinforced concrete beams under fatigue loads［J］.China Civil Engineering Journal，2012，45（10）：118－124.（in Chinese）

［4］曹建安，文雨松.锈蚀钢筋的疲劳试验研究［J］.长沙铁道学院学报，1998，16（4）：15－18.CAO Jianan，WEN Yusong.Fatigue experimental study on corrosion reinforcement［J］.Journal of Changsha Railway University，1998，16（4）：15－18.（in Chinese）

［5］张伟平，李士彬，顾祥林，等.自然锈蚀钢筋的轴向拉伸疲劳试验［J］.中国公路学报，2009，22（2）：53－58.ZHANG Weiping，LI Shibin，GU Xianglin，et al.Experiment on axial tensile fatigue of naturally corroded steel bar［J］.China Journal of Highway and Transport，2009，22（2）：53－58.（in Chinese）

［6］李士彬，张伟平，顾祥林，等.加速锈蚀钢筋的疲劳实验研究［J］.铁道学报，2010，32（5）：93－97.LI Shibin，ZHANG Weiping，GU Xianglin，et al.Experimental study on fatigue properties of corrosion－accelerated steel bars［J］.Journal of the China Railway Society，2010，32（5）：93－97.（in Chinese）

［7］ZHANG Weiping，SONG Xiaobin，GU Xianglin，et al.Tensile and fatigue behavior of corroded rebars［J］.Construction and Building Materials，2012，34（1）：409－417.

［8］OYADO M，HASEGAWA M，SATO T.Characteristics of fatigue and evaluation of RC beam damaged by accelerated corrosion［J］.QR of RTRI，2003，44（2）：72－77.