配置不锈钢钢筋结构的研究现状及趋势

朱爱萍，付瑞佳，杨健彬，郝欣

（1中国建筑科学研究院有限公司，北京 100013；2山地城镇建设与新技术教育部重点实验室（重庆大学），重庆 400045；3重庆大学 土木工程学院，重庆 400045）

0 引言

钢筋混凝土结构具有坚固、耐久、防火性好、成本低等特点，在世界范围内得到广泛使用。然而钢筋锈蚀却是影响钢筋混凝土结构耐久性的一个重要问题，尤其是对于处于侵蚀较为严重环境中的结构，如桥梁结构、港湾结构、岛礁结构等，钢筋锈蚀造成的工程问题已带来了巨大的损失[1-2]。在正常使用条件下，混凝土结构的使用年限应达50~120年，但实际工程中许多混凝土结构却远未达到使用年限。我国上世纪六七十年代建造的许多码头、港口、工业厂房等建筑物，由于混凝土质量不够优良，施工质量存在缺陷，使用寿命不到30年已破坏严重，维修或修复费用及停止生产营运造成的经济损失十分巨大。交通部的统计资料表明，海工钢筋混凝土结构通常在10～15年，短则5~8年就会发生钢筋锈蚀破坏。我国宁波北仑港10万吨级矿石码头，使用不到10年就出现严重锈蚀而损坏。连云港、湛江海港码头以及华南地区的许多海港码头建成后不久就出现钢筋锈蚀和不同程度的损坏。尽管目前解决钢筋锈蚀问题的方法有很多，如加大混凝土保护层厚度、在钢筋表面涂刷抗锈蚀材料、阴极保护等等，但是这些方法都只能略微延缓钢筋的锈蚀，并不能彻底解决钢筋的锈蚀问题[3]。而不锈钢钢筋中含有较多的镍和铬，能从根本上解决钢筋的锈蚀问题[4]。

从上个世纪开始，墨西哥、美国、加拿大等国家已经相继将不锈钢钢筋应用于实际工程中，并且已有专门的设计手册[5]。在国内，我国于2004年5月颁布的“混凝土结构耐久性设计与施工指南”[6]是对不锈钢钢筋应用的首次许可。但是目前国内外对不锈钢筋的研究大多是在抗腐蚀性能方面，而对不锈钢钢筋的力学性能以及对配置不锈钢钢筋构件及结构的受力性能研究仍显不足[3]。虽然2016年9月27日正式贯通的港珠澳大桥采用了国产不锈钢钢筋，但仍缺乏对国产不锈钢钢筋结构及构件进行更深入的试验和研究。

为此，本文总结了国内外不锈钢钢筋混凝土的研究现状，包括不锈钢钢筋的抗腐蚀性能研究、不锈钢钢筋的基本力学性能研究以及不锈钢钢筋混凝土试件力学性能研究。在此基础上，本文分析了研究现状中存在的问题和不足，并且提出了目前对于不锈钢钢筋混凝土亟需研究的内容和问题，为以后不锈钢钢筋的研究提供参考。

1 国内外研究现状

1.1 不锈钢钢筋抗腐蚀性能研究

不锈钢钢筋的合金成分包括铬、镍、铜、铝、硅、钼等，其中主要的两种合金成分为铬和镍，这使得不锈钢钢筋在氧化介质中能够生成致密坚固的钝化膜，从而具有很好的化学稳定性。而且当铬的含量大于11.7%时，不锈钢钢筋的电极电位明显升高，从而能进一步防止不锈钢钢筋的腐蚀[7]。

从上个世纪下半叶开始，国内外学者就对不锈钢钢筋的抗腐蚀性能开展了很多研究[8-14]：佐勃等人在1985年对304不锈钢钢筋进行了抗腐蚀性研究，研究发现不锈钢钢筋在普通钢筋开始腐蚀的7～10倍的氯离子浓度下依然没有明显的腐蚀；考克斯和弗林在1987年将配有不锈钢钢筋和普通低碳钢筋的试件放在海水中进行抗腐蚀性试验，结果显示当普通低碳钢筋发生严重腐蚀且强度大幅下降时，不锈钢钢筋只发生局部腐蚀且钢筋强度不受影响；希威特等人也是将配有不锈钢钢筋和普通低碳钢筋的试件放在海水中进行试验，一年后取出，发现普通低碳钢筋试件出现裂缝而不锈钢钢筋试件没有出现裂缝，普通低碳钢筋出现锈蚀而不锈钢钢筋未锈蚀；墨西哥于1937年将AISI304不锈钢钢筋应用于ProgresoPier大桥的桥墩部位，该桥墩从建成至今没有经过一次维修，而且查看发现钢筋没有明显劣化迹象[15-16]。

1.2 不锈钢钢筋基本力学性能

不锈钢材料一般可以分为以下五种：铁素体不锈钢、奥氏体不锈钢、奥氏体-铁素体双相不锈钢、沉淀硬化不锈钢、马氏体不锈钢。由于不锈钢钢筋要用于建筑结构中，所以要求有足够的强度、较低的硬度、良好的塑性性能。目前建筑结构中常用不锈钢钢筋及力学性能见表1[17]。

表1 建筑结构常用不锈钢钢筋及力学性能

不锈钢钢筋由于添加了合金元素导致其力学性能与普通钢筋有较明显的区别：

（1）不锈钢钢筋与普通碳素钢钢筋相比，应力应变曲线没有明显的屈服平台；

（2）不锈钢钢筋的非线性特征比普通

钢筋明显，普通钢筋的比例极限约为屈服强度的70%，而不锈钢钢筋在36%～60%之间[17]；

（3）不锈钢钢筋还存在一定的各向异性，其压缩和拉伸的应力应变曲线不对称[18]；

（4）国外不锈钢钢筋的弹性模量比普通碳素钢筋的弹性模量略低，但是比较稳定，约为190GPa[19]，国产不锈钢钢筋的弹性模量比国外不锈钢钢筋的弹性模量更低且不稳定，其值在1.2～1.8GPa之间，表2中列出了部分国产不锈钢钢筋的力学性能测试值[20]；

表2 部分国产不锈钢钢筋力学性能测试值

（5）不锈钢钢筋的延伸率是普通钢筋的2倍并且具有良好的应力强化效应，因此具有良好的塑形和延性，同时还具有良好的抗冲击性和抗疲劳性；

（6）试验证明不锈钢钢筋在高温和低温环境下都具有良好的力学性能，不锈钢钢筋在600℃时依然能够具有有效的强度[17]。

两种钢筋的应力-应变曲线对比如图1，不锈钢钢筋的屈服强度一般采用残余应变为0.2%对应的条件屈服强度。对于不锈钢钢筋的本构模型，Eurocode3建议采用修正Ramberg-Osgood连续本构关系模型[21]如公式（1）-（3）：

当σ≤fy时,

当 fy≤σ≤fu时,

公式中，n为材料系数，介于3和10之间，fy=σ0.2，是残余应变为0.2%时对应的应力，Es是应力应变曲线σ-ε中屈服强度点的切线模量，可以表示为：

图1 不锈钢钢筋和普通钢筋的应力-应变曲线对比

1.3 不锈钢钢筋混凝土结构构件的研究现状

国内外学者已经相继进行了一些配置不锈钢钢筋的试件的力学性能研究，主要是关于粘结锚固、裂缝挠度、板梁柱抗震性能与疲劳性能等方面的研究。

（1）不锈钢钢筋粘结锚固性能研究

美国密西根理工大学的Theresa M.Ahlborn做了191根配置不锈钢钢筋混凝土梁的梁端粘结试验[21]，试验结果显示对于粘结长度为10.16～25.4cm的一组构件，其粘结强度与普通钢筋混凝土的粘结强度相似，而对于粘结长度为13.97～30.48cm的一组构件，其粘结强度低于普通钢筋混凝土的粘结强度；美国的AASHTO规范指出，不锈钢钢筋混凝土的粘结强度要低于普通钢筋混凝土的粘结强度[22]，因此对于不锈钢钢筋混凝土需要加大锚固长度；张国学等[23]采用国外不锈钢钢筋做了27个粘结强度拔出试验，得出的试验结论是在表面形状相同的情况下，不锈钢钢筋和普通钢筋的粘结强度基本相同，可以采用与普通钢筋相同的锚固长度；李承昌等[24]采用国产不锈钢钢筋做了12个粘结性能的试验并用HRB335的钢筋做了9个对比试验。试验表明两种钢筋与混凝土的平均粘结应力没有明显差异，而且两者与混凝土的粘结应力分布规律基本相同。所以建议不锈钢钢筋与混凝土的粘结应力分布规律以及平均粘结应力可以参照普通钢筋的进行计算，但是又提出由于不锈钢钢筋的强度与普通钢筋的强度有所差别，所以应该根据不锈钢钢筋的强度对其锚固和搭接尺寸进行相应的调整。

（2）钢筋裂缝及挠度研究

由于不锈钢钢筋的延伸率很大而弹性模量较小，所以配置不锈钢钢筋构件的裂缝宽度和挠度是需要注意的问题。梁爱华等[25]对配置了Type304不锈钢钢筋的梁进行了裂缝宽度试验，并将裂缝的试验值与美国混凝土学会试验标准方法ACI318-89以及英国混凝土结构规范BS8110提出的裂缝计算公式的计算值相比较。试验结果表明，当不锈钢钢筋的应变小于0.1%时，试验值与计算值基本符合，而当不锈钢钢筋的应变大于0.1%时，试验值大于计算值，说明不锈钢钢筋也具有屈服流限；张国学等[26]采用日本的SUS304不锈钢钢筋进行了梁的受弯性能试验，对梁的裂缝和挠度进行了研究，试验得出在各级荷载下不锈钢钢筋混凝土梁的裂缝宽度和挠度都大于普通钢筋混凝土梁，梁的裂缝宽度实测值与中国规范公式的计算值相似，而试验梁的挠度实测值要大于中国规范公式的计算值；李承昌等[27]采用国产不锈钢钢筋进行了梁的受弯性能试验，但是由于采用HRB335级钢筋的对比试验梁和不锈钢钢筋试验梁并不是等强配筋，所以裂缝宽度和挠度不便对比，只得出不锈钢钢筋混凝土梁的裂缝和挠度的发展以及梁的破坏过程与普通钢筋混凝土梁相似，不锈钢钢筋混凝土梁破坏时的挠度大于普通钢筋混凝土梁等结论。

（3）板、梁、柱受力性能研究

国内外学者还对不锈钢钢筋做了许多梁、板、柱的试验：S.Alih做了不锈钢钢筋混凝土梁的静力试验，并将试验结果与Abaqus软件的分析结果进行比较，两者的结果比较接近[28]；张国学、徐永生等[29]进行了不锈钢钢筋混凝土梁的静载试验，对梁的裂缝宽度、挠度、极限承载力等力学性能进行了试验研究和理论分析；赵峰、张志浩等[30-31]进行了不锈钢钢筋混凝土梁和柱的低周反复加载试验，试验结果表明配置不锈钢钢筋的梁和柱具有良好的抗震性能；黄嘉伟和张颖等[32，33]进行了不锈钢钢筋混凝土梁和板的疲劳试验，试验结果表明不锈钢钢筋混凝土梁板抗疲劳性良好；李承昌、耿会涛等[34]对配置国产不锈钢钢筋的混凝土梁进行静载试验，对梁的挠度、开裂弯矩、极限承载力等力学性能进行了试验研究和理论分析。

2 目前亟待解决的问题

国内外学者虽然对不锈钢钢筋混凝土开展了一定数量的研究，但是目前进行的研究工作主要集中在配置国外不锈钢钢筋构件上，对上述有明显特点的国产不锈钢钢筋构件的性能研究还不够充分，仍存在以下急需解决的主要问题：

（1）不锈钢钢筋混凝土的粘结性能方面。虽然目前国内外已经完成了一定数量的试验研究，但是对不锈钢钢筋的粘结强度以及粘结锚固机理还没有得出成熟的结论，还需要对钢筋的粘结锚固性能进一步深入研究。

（2）不锈钢钢筋混凝土的裂缝和挠度方面。目前国产不锈钢钢筋的弹性模量明显偏小（表2），需对配置国产不锈钢钢筋混凝土受弯构件的裂缝宽度和挠度开展重点研究，而目前对不锈钢钢筋混凝土构件裂缝宽度和挠度的研究非常少，需建立基于不锈钢钢筋构件的正常使用状态下的裂缝宽度和挠度计算方法。

（3）配置不锈钢钢筋的板梁柱的力学性能研究方面。虽然张国学等[29-33]采用国外不锈钢钢筋做了板梁柱的试验研究，但是由于试验数量有限，不能够充分考虑混凝土强度、配筋率、配箍率、轴压比等对试验构件的影响，所以仍然需要进一步对国产不锈钢筋梁板柱开展深入的试验研究。

（4）配置不锈钢钢筋整体结构的受力及抗震性能。目前对不锈钢钢筋的研究还停留在构件层面，缺乏对不锈钢钢筋整体结构的受力及抗震性能的研究。研究与配置普通HRB热轧钢筋结构在大震作用下结构非线性动力反应的差异，以及对梁、柱、墙、节点抗震性能需求的差异即限值等。

（5）对不锈钢钢筋结构工程开展工程建设标准编制工作。

3 结论与展望

不锈钢钢筋具有良好的抗腐蚀性能，随着对海洋空间以及地下空间的开发，不锈钢钢筋将会得到越来越多的应用，同时对不锈钢钢筋性能研究的需求也会越来越迫切。但是由于不锈钢钢筋和普通钢筋的力学性能具有一定的差异，所以不锈钢钢筋的工程应用需要有充足的理论研究作为支撑，尤其是对国产不锈钢钢筋及结构的研究更是缺乏，需要国内研究人员及工程技术人员开展更加深入系统的研究工作。

[1]柯伟.中国工业与自然环境腐蚀调查的进展[J].腐蚀与防护，2004（1）：1-8.

[2]ABDULLAH A，ALMUSALLAM.Effect of degree of corrosion on the properties of reinforcing steel bars[J].Construction and Building Materials，2001，15（8）：361-368.

[3]李清富，王进伟.不锈钢筋的研究进展及其应用[J].河南科技，2017（19）：107-109.

[4]徐春一.混凝土用不锈钢钢筋力学性能及工程应用[C]//天津大学、天津市钢结构学会.第十五届全国现代结构工程学术研讨会论文集，天津大学、天津市钢结构学会：2015：6.

[5]Markeset G，Rostarm S，Klinghoffer O.Guide for the use of stainless steel reinforcement in concrete structures[R].Norwegian Building Research Institute，2006.

[6]CCES01-2004.混凝土结构耐久性设计与施工指南（2005年修订版）[S].

[7]张国学，吴苗苗.不锈钢钢筋混凝土的应用及发展[J].佛山科学技术学院学报：自然科学版，2006，24（2）：10-13.

[8]Andion L G，Garces P，Lapuente R，et al.Corrosion behavior at the interface of steel bars embedded in cement slurries：Effect of phenol polymer coatings[J].Corrosion science，2002，44（12）：2805-2816.

[9]Park Z，Choi Y，Kim J，et al.Development of a galvanic sensor system for detecting the corrosion damage of the steel embedded in concrete structure：Part 2.Laboratory electrochemical testing of sensors in concrete[J].Cement and concrete research，2005，35（9）：1814-1819.

[10]Mirambell E，Real E.On the calculation of deflections in structural stainless steel beams：an experimental and numerical investigation[J].Journal of Constructional Steel Research，2005，54（1）：109-133.

[11]王映梅.不锈钢钢筋在混凝土结构中的应用[J].甘肃广播电视大学学报,2010，20（3）：54-56.

[12]杨峰，赵尚传，王淞波.海洋环境下不锈钢筋耐腐蚀性能研究[J].公路交通科技（应用技术版），2013，9（4）：169-171.

[13]张珍秀，郑琦.抗腐蚀的不锈钢筋[J].国外桥梁，1997（4）：48-50+62.

[14]Schnell R E，Bergmann M P.Improving tomorrow’s infrastructure：extending the life of concrete structures with solid stainless steel reinforcing bars[J].Innovations in Bridge Engineering Technology，2007：204.

[15]Borges P，Moreno E，Acosta A，et al.Inspecting a Half-Century Reinforced Concrete Pier made with Stainless Steel Reinforcement in Mexico[C].CORROSION，2002.

[16]Asger Knudsen，TorbenSkovsgaard.Cost-effective Enhancement of Durability of Concrete Structures by Intelligent Use of Stainless Steel Reinforcement[C].//International Conference on Corrosion and Rehabilitation of reinforced concrete structures held decemb，1999.

[17]米强.不锈钢混凝土在实际工程中的应用探讨[J].江西建材，2017（15）：115-116.

[18]Young B.Experimental and numerical investigation of high strength stainless steel structure[J].Journal of Constructional Steel Research，2008，64（11）：1225-1230.

[19]张国学，赵峰，张志浩，等.不锈钢钢筋混凝土梁抗震性能试验研究[J].中国铁道科学，2010，31（5）：35-40.

[20]耿会涛.桥梁用不锈钢筋与构件受力性能试验研究[D].郑州：郑州大学，2013.

[21]Guoxue Zhang.Experimental research on the bondanchorage properties of stainless steel reinforced concrete[C].Advances in concrete structural durability：proceedings of the international conference on durability of concrete structure.Zhejiang：Zhejiang University Press，2008：681-686.

[22]Research Annual Reports.Department of Transportation[R].Michigan Technological University，2003.

[23]M.Ahlborn Theresa.A comparative bond study of stainless and high-chromium reinforcing bars in concrete[J].Transport research record，2003，88-95.

[24]李承昌，何伟南，芦杰，等.不锈钢筋与混凝土的黏结性能[J].公路交通科技，2016，33（12）：15-20+55.

[25]梁爱华，G·J·Vanden Berg.不锈钢钢筋用于混凝土的研究[J].建筑技术，2000（2）：105-107.

[26]张国学，徐永生，丁舟.不锈钢钢筋混凝土梁受弯性能的试验研究[J].铁道建筑，2008（2）：13-15.

[27]李承昌，耿会涛，李清富，等.不锈钢筋混凝土梁试验研究[J].公路交通科技（应用技术版），2017，13（01）：15-18.

[28]Alish S，Khelil A.Behavior of inoxydable steel and their performance as reinforcement bars in concrete beam：Experimental and nonlinear finite element analysis[J].Construction and Building Materials，2012，37：481-492.

[29]徐永生.不锈钢钢筋混凝土梁力学性能的实验研究[D].广州：华南理工大学，2007.

[30]赵峰.不锈钢钢筋混凝土梁抗震性能试验研究[D].广州：广东工业大学，2009.

[31]张志浩.不锈钢筋混凝土柱抗震性能试验研究[D].广州：广东工业大学，2010.

[32]黄嘉伟.不锈钢钢筋混凝土桥梁梁的疲劳性能试验研究[D].广州：广东工业大学，2013.

[33]张颖.不锈钢钢筋混凝土板疲劳性能试验研究[D].广州：广东工业大学，2014.

[34]耿会涛.桥梁用不锈钢筋与构件受力性能试验研究[D].郑州：郑州大学，2013.