锈蚀箍筋混凝土梁的抗剪承载力计算分析

张梦光， 曾 妮， 左 驰， 陈 亮

(湖北工业大学土木建筑与环境学院， 湖北 武汉 430068)

锈蚀箍筋混凝土梁的抗剪承载力计算分析

张梦光， 曾 妮， 左 驰， 陈 亮

(湖北工业大学土木建筑与环境学院， 湖北 武汉 430068)

考虑箍筋锈蚀对混凝土和箍筋所承担剪力的削弱作用， 结合现有规范中的抗剪承载力计算公式，并在已有的研究基础上，引入混凝土抗剪承载力降低系数α,建立了锈蚀钢筋混凝土梁抗剪承载力计算公式，同时通过试验对所建立的锈蚀钢筋混凝土梁斜截面抗剪承载力计算公式验证,试验结果吻合较好。

钢筋混凝土梁； 箍筋； 锈蚀； 抗剪承载力

在锈蚀环境下，由于箍筋在纵筋外侧，更容易受到外界物质的锈蚀，加上箍筋直径较小，锈蚀对箍筋造成影响也比纵筋更为显著，因此对于配有箍筋的梁,由于其所承受的剪力是由箍筋和混凝土共同承担,所以在计算锈蚀钢筋混凝土梁抗剪承载力时应该同时考虑锈蚀对这两部分抗剪能力的削弱。本文系统分析了箍筋锈蚀对钢筋混凝土梁抗剪承载力的不利影响，结合现有规范中的抗剪承载力公式，引入混凝土抗剪承载力降低系数α，建立了考虑剪跨比、箍筋锈蚀程度等因素影响的锈蚀钢筋混凝土梁斜截面抗剪承载力计算模型，并通过试验对所建立的锈蚀钢筋混凝土梁斜截面抗剪承载力计算公式验证。

1 斜截面抗剪承载力计算分析

1.1 锈蚀因素对混凝土抗剪强度影响

根据极限平衡理论，无腹筋(主要是指不配置箍筋和弯起钢筋)混凝土梁斜截面所承担的剪力主要由Vc(剪压区砼所承担剪力)、Vα(斜裂缝两边相对错动产生的骨料咬合作用的竖向分量)和Vd(斜裂缝两边相对的上下错动引起的并由纵向钢筋提供的销栓力)组成(图1)。

图 1 混凝土构件中各部分抗剪作用

即一般无腹筋的钢筋混凝土梁，其受剪承载力极限状态时的静力平衡方程可写为

∑Y=0Vu=Vc+Va+Vd

箍筋约束受剪斜裂缝开展和剪压区混凝土横向变形增大剪压区高度、提高剪压区抗剪强度、进而帮助混凝土间接抵抗部分剪力，所以当梁中配有的箍筋锈蚀之后,将导致混凝土的性能劣化,提供的剪力削弱，最终造成混凝土构件抗剪性能退化。

文献[1]通过试验研究了不同剪跨比下锈蚀箍筋混凝土梁的受剪性能退化特征，结果认为：1)箍筋锈蚀造成其对混凝土的约束能力降低、且随着斜裂缝开展加快、斜裂缝两侧骨料咬合作用va减弱；2)箍筋锈蚀之后不能有效抑制斜裂缝开展宽度，从而使斜裂缝顶端混凝土剪压面减小，导致混凝土的抗剪能力vc降低；3)箍筋锈蚀之后对其阻止混凝土沿纵向钢筋撕裂的能力削弱，降低了纵向钢筋的销栓力vd。

因此，结合现有规范[2], 考虑箍筋锈蚀对混凝土提供的抗剪强度降低的影响,对于承受集中荷载作用下的锈蚀钢筋混凝土简支梁，其混凝土部分所承担的剪力

其中λ为计算截面的剪跨比，t为混凝土轴心抗拉强度，b为截面宽度，h0为截面有效高度，α为考虑钢筋锈蚀引起混凝土抗剪强度降低的影响系数,通过文献[3]的试验数据分析得到

其中，η为钢筋的质量锈蚀率，钢筋的锈蚀程度通常用下式表示

式中，m0为锈蚀前钢筋质量,在加速锈蚀前测得；m1为做完静载试验后梁破型取出的锈蚀钢筋质量，可以根据文献[4]中的方法得到。

1.2 锈蚀因素对箍筋抗剪强度影响

在承受剪力作用方面，有腹筋的混凝土梁类似于一个平行弦桁架，即这种力学模型是把开裂后的的钢筋混凝土梁看作一个铰接桁架，其中剪压混凝土是上弦杆，纵向受拉钢筋是下弦杆，箍筋为竖向受拉杆，斜裂缝间的混凝土则为斜压杆(图2)。

图 2 桁架模型

因而由等效桁架模型所提供的抗剪承载力计算式为

式中:δ为混凝土斜裂缝与梁纵筋的倾角;γ为箍筋与梁纵筋夹角；s为箍筋的间距。

《混凝土结构设计规范》中对混凝土保护层厚度要求是相对于纵向受力钢筋的混凝土保护层厚度，而箍筋较纵筋更接近混凝土表面，更容易受到外界物质侵蚀，同时裂缝、箍筋与纵筋交接处的电偶腐蚀[5，6]等一系列因素，使得箍筋锈蚀程度往往比纵筋严重，且箍筋锈蚀后会引起钢筋截面面积减少，钢筋的屈服拉力降低。根据文献[7]和文献[8]实验数据可以得到锈蚀普通钢筋屈服强度和锈蚀后钢筋截面面积预计模型:

δyvcor=(1.0-1.264η)γyv

在工程中，箍筋均为竖向布置(γ=90°)，并且假定箍筋锈蚀后δ为45°不变，则锈蚀后的箍筋所提供的剪力

综上所述，箍筋锈蚀导致钢筋混凝土构件抗剪强度降低: 1)箍筋性能退化，包括箍筋截面损失、箍筋力学性能降低和销栓作用降低; 2)钢筋与混凝土粘结力的退化; 3)混凝土性能退化，包括锈胀破剥落引起的剪压区混凝土截面减小和锈胀力作用引起箍筋对混凝土的约束作用改变。因此，考虑箍筋锈蚀对钢筋混凝土梁抗剪承载力的不利影响，对于承受集中荷载作用下的锈蚀钢筋混凝土梁的斜截面抗剪承载力计算式，笔者建议采用

(1)

2 斜截面抗剪承载力试验验证

2.1 试验试件尺寸及试验方法

设计6根斜截面试验梁，4根采用外加电流加速箍筋锈蚀，2根未锈蚀参考梁，对所建立的锈蚀钢筋混凝土梁斜截面抗剪承载力计算模型进行试验验证。试验梁截面尺寸均为150 mm×200 mm，梁长1500 mm(图3)。混凝土强度等级按C25设计，水泥采用32.5#普通硅酸盐水泥，混凝土配合比是水泥：砂：碎石：水 =1∶1.75∶2.42∶0.54，混凝土保护层厚度为20 mm。

图 3 梁的截面尺寸及配筋示意图(单位：mm)

在达到预定锈蚀时间后对试验梁进行静载试验，静载试验采用图4所示的两集中力对称加载法，加载点具体位置根据实验所设置剪跨比确定，支座为铰支座，分别在试验梁和跨中处布置百分表，以记录其挠度变化。

图 4 实验加载示意图

2.2 试验结果及分析

根据实验结果知：箍筋锈蚀影响了钢筋与混凝土的协同工作能力，对极限荷载有显著影响：1)箍筋锈蚀后，其效果相当于配箍率减小，导致抵抗剪力能力降低；2)箍筋锈蚀对混凝土约束能力减小、斜裂缝两侧的咬合作用会削弱、剪压区混凝土产生锈胀裂缝等一系列耐久性损伤，并最终造成了试验梁抗剪承载力和延性降低。

表1给出了试验过程中测得试验梁的剩余抗剪承载力，并用本文得到的锈后钢筋混凝土梁的抗剪承载力公式进行验证，Vt表示用公式计算得到的理论值，Vm表示试验值，可以发现由式(1)算得各箍筋锈蚀钢筋混凝土梁的抗剪承载力理论值与试验值吻合较好。

表1 锈蚀梁试验荷载和理论荷载

3 结语

1)基于已有的研究成果, 对影响锈蚀钢筋混凝土构件的斜截面承载力退化机理进行了分析, 提出了考虑钢筋锈蚀的钢筋混凝土梁抗剪承载力计算表达式。

2)通过试验对所建立的公式(1)进行验证，并将其计算的结果与试验得到结果进行比较，基本一致。说明本文提出的计算表达式可以用于评估预测工程实际结构中已有锈蚀箍筋混凝土梁的斜截面剩余抗剪承载力。

3)试验所用试件数量较少，针对剪跨比、箍筋锈蚀程度等变量对梁构件抗剪性能影响有待进一步研究。

[1] 徐善华，牛荻涛.锈蚀钢筋混凝土简支梁斜截面抗剪性能研究[J].建筑结构学报，2004，25(5):98-104.

[2] 中华人民共和国建设部.GB20010-2010 混凝土结构设计规范[S]. 北京：中国建筑工业出版社， 2011.

[3] 田瑞华，颜桂云，孙炳楠. 锈蚀钢筋混凝土构件抗剪承载力的试验研究与理论分析[J]. 四川建筑科学研究，2003，29(3)

[4] 中华人民共和国交通部.JTJ270-98 水运工程混凝土试验规程[S]. 北京: 人民交通出版社， 1998.

[5] 张喜德，蓝文武，韦树英，彭修宁. 钢筋混凝土受弯构件受压区钢筋锈蚀影响的试验研究[J]. 工业建筑，2005，35(7)：97-101.

[6] 张喜德，韦树英，秦伟. 混凝土结构中箍筋的锈蚀机理分析[J]. 广西大学学报(自然科学版)，2003，28(1)：10-13

[7] 李富名. 锈蚀混凝土构件的承载性能评估与设计. 北京:中国铁道出版社，2011.

[8] 张克波, 张建仁, 王磊. 锈蚀对钢筋强度影响试验研究[J]. 公路交通科技，2010 ，27(12)：59-66.

[责任编校： 张岩芳]

The Calculation Analysis of Shearing Capacity of Concrete Beams with Corroded Stirrups

ZHANG Mengguang, ZENG Ni，ZUO Chi，CHEN Liang

(SchoolofCivilEngin.,ArchitectureandEnvironment,HubeiUniv.ofTech.,Wuhan430068,China)

Considering the weakening effect of stirrup corrosion on concrete and bear the shear stirrups, and combined with the calculation formula of shear bearing capacity in the existing codes, and on the basis of the existing research， the influence coefficientαof the shear strength of concrete is introduced. A calculating formula for the shear strength of corroded RC beams is then proposed，and the calculating formula are finally verified by the experimental results. The calculating results by the proposed formula are consistent with the experimental results.

concrete beam；stirrups；corrosion；shear capacity

2015-11-27

张梦光(1989-)， 男，湖北武汉人，湖北工业大学硕士研究生，研究方向为锈蚀钢筋混凝土耐久性

1003-4684(2017)01-0011-03

TU 375.1

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