基于加速锈蚀试验的RC梁抗弯性能劣化研究

2020-08-24周建庭徐略勤阳珊清

重庆交通大学学报(自然科学版) 2020年8期

孙马，周建庭，徐略勤，高鹏，阳珊清

(重庆交通大学土木工程学院，重庆 400074)

0 引言

钢筋混凝土梁(RC梁)是桥梁结构中使用最广泛的桥跨类型之一。由于桥梁结构长期暴露在大气环境中，在碳化、氯离子侵蚀等因素的持续作用下，钢筋表面的氧化膜被破坏，引发锈蚀，并在钢筋周围产生大量氧化物和碱等。这些锈蚀产物的体积是原始成分的2～6倍[1]，导致钢筋周围的混凝土辐射状开裂甚至剥离。钢筋有效面积的减小以及钢筋-混凝土黏结强度的下降则进一步削弱了RC梁的承载能力，诱发结构破坏。由于RC梁是桥梁结构的主要承重构件，一旦破坏，后患无穷，因此掌握RC梁抗弯性能的劣化规律对桥梁工程的运营管理和维修加固策略十分重要。

对锈蚀RC梁抗弯性能的研究目前大都集中于抗弯承载能力的计算模型上，如金伟良等[1]提出的考虑钢筋锈蚀的综合折减系数；孙彬等[2]通过锈后无黏结RC梁试验结果提出的锈蚀钢筋强度利用系数计算公式；张建仁等[3]通过回归得到的受拉区钢筋与混凝土的应变关系函数；高向玲等[4]采用试验数据反推得到的钢筋应变滞后系数等，这些模型均可在不同范围内提高锈蚀RC梁抗弯承载能力的预测精度。但现有研究对锈蚀RC梁整体抗弯性能(包括承载能力、塑性变形、破坏模式等)劣化规律的研究仍有不足，邢国华等[5]基于平截面假定推导了低锈损率RC梁的抗弯性能分析模型，但重点不在于劣化规律；阳逸鸣等[6]基于随机场理论所建立的锈蚀RC梁抗弯承载力时空退化模型对劣化规律有所侧重，但模型过于复杂，且没有试验验证。首先开展了12根加速锈蚀RC梁的弯曲破坏试验，基于试验全面探讨了RC梁抗弯性能随锈蚀发展的劣化规律，然后在现有抗弯承载模型适用性评估基础上，提出了RC梁抗弯能力的时变劣化分析模型，以期为在役桥梁的运营管理决策提供参考。

1 试验概况

1.1 试件设计

试验梁按照纵筋直径分为3组，每组分别包含0%、2%、4%、8% 4个目标纵筋锈蚀率，共计12片试验梁，如表1。试验梁的宽×高×长为120 mm×180 mm×1 600 mm，混凝土设计强度等级为C30，保护层厚度为20 mm。混凝土材料的配合比水泥∶水∶砂：碎石为1∶0.51∶1.23∶2.70，水胶比为0.51。受拉钢筋分别为2根12、14、16 mm HRB335钢筋，受压区钢筋为2根10 mm HPB235钢筋，箍筋为6 mm HPB235钢筋，如图1。在绑扎前，对箍筋和受拉钢筋进行初锈、称重和编号。在绑扎时，采用绝缘胶带和环氧对箍筋和受拉钢筋进行绝缘处理。

表1 试件设计参数

(1)

根据面积锈蚀率ρA，按式(2)可计算得到纵筋的理论锈蚀深度Xc，其结果列于表1。

(2)

式中：d0为钢筋未锈时的初始直径。

1.2 加载测试方案

利用分配梁使试验梁跨中500 mm范围成为纯弯段，然后采用液压千斤顶对分配梁施以跨中集中力。为控制加载，在千斤顶上安放压力传感器，并与事先标定好的应变仪对接。混凝土应变片粘贴在试验梁跨中两侧面和跨中顶面，每一侧粘贴6片，顶面粘贴1片。钢筋应变片贴在预留孔中的纵筋表面，粘贴前对锈蚀纵筋进行除锈。为了防止应变片失效，每根纵筋粘贴2片。电子位移计分别安装在支承点、加载点和跨中等5处。采用分级加载制度，每级荷载5 kN，直到试验梁达到其承载能力极限状态，然后转向持续加载方式，直至试验梁完全破坏。加载布置如图2，加载过程产生的试验数据由电脑同步采集。

2 试验结果

2.1 试验梁破坏形态

图3为3组试验梁的典型破坏形态。3组梁(B12、B14和B16)的裂缝发展过程具有一定的相似性，即第1条裂缝出现在试验梁的纯弯段，随着荷载的增加，新裂缝不断产生，且伴随着竖裂缝和斜裂缝的延伸和扩展；竖主裂缝持续开展，直至梁顶附近，而斜主裂缝主要朝加载点附近发展；在破坏阶段，纯弯段靠近加载点附近的受压区混凝土被压碎，受拉区混凝土裂缝最大宽度超过2 mm。但3组梁的破坏形态也存在明显差异，B12组中的B12-0～B12-4 3片梁以竖裂缝为主裂缝，在破坏过程中表现出良好的塑性特征，而B12-8以斜裂缝为主裂缝，塑性水平则明显下降；同理，B14组的B14-0和B14-2以及B16组的B16-0 3片梁也表现出一定的塑性特征，而这两组试件中的其他试验梁均以斜裂缝为主裂缝，破坏模式已由塑性弯曲破坏演化为脆性剪切破坏。由此可见，随着纵筋锈蚀率的增大，RC梁的塑性变形特征逐渐下降直至消失，破坏模式也可能发生明显的转变，这与文献[9]的研究结论一致。

2.2 正截面混凝土应变分布规律

加载过程中，试验梁跨中截面的混凝土应变沿梁高的分布规律如图4。由于裂缝和挠度的持续增大，加载过程中不断有应变片损坏，因此图4的应变数据并不完整。由图可知，当荷载较小时，正截面上混凝土应变沿梁高呈线性分布；随着荷载的增大，截面中和轴逐渐上移，对于锈蚀率较低的试验梁，混凝土应变沿梁高基本仍呈线性分布，而对于锈蚀率较高的试验梁，受压区混凝土应变的增速高于受拉区混凝土，导致应变的线性分布规律逐渐被打破，平截面假定受到挑战。对比不同锈蚀率的影响可以看到，在相同荷载等级下，随着纵筋锈蚀率的提高，跨中截面中和轴的上移幅度更大，混凝土应变非线性分布规律也更明显，反映出截面的抗弯储备逐渐被削弱，梁体的抗弯性能明显下降。

2.3 荷载-挠度曲线

由图5所示的荷载-跨中挠度曲线可以看到，随着锈蚀率的增大，RC梁的抗弯承载能力、塑性变形能力均不断下降，但初始抗弯刚度仅在B14组中表现出较明显的下降。从曲线趋势来看，B12组中的前3片梁均具有稳定的承载平台，塑性水平较高，而锈损最严重的B12-8梁则表现出明显的脆性特征；B14和B16两组梁的曲线对比规律类似，即未锈梁的曲线具有一定的塑性发展过程，而其余3片锈蚀梁的曲线在达到最大承载能力之后迅速下降，几乎没有塑性发展过程，这与图3的试验梁破坏形态基本吻合。从极限荷载来看，在B12组中，4片梁的最大荷载分别为69.1、63.0、57.8、51.0 kN，相比未锈梁B12-0的69.1 kN，3种锈蚀率下的B12-2、B12-4和B12-8分别下降了8.83%、16.35%和26.19%；在B14组中，以未锈梁B14-0为基准，3种锈蚀率下的B14-2、B14-4和B14-8分别下降了9.35%、16.19%和20.30%；而在B16组中，3片锈蚀梁B16-2、B16-4和B16-8的极限荷载相比未锈梁B16-0分别下降了-4.59%、6.99%和11.59%。由此可见，由锈蚀所导致的RC梁承载能力和塑性变形能力的下降不可忽视。

3 抗弯承载能力劣化分析

3.1 抗弯承载能力评估

对于锈蚀RC梁的抗弯承载能力评估，目前国内外已有较多分析模型[1-5]。本节从中选取4个典型的模型进行适用性分析，分别是金伟良模型[1]、孙彬模型[2]、张建仁模型[3]和高向玲模型[4]，对比结果如图6。

由图6可知，在B12组4片梁中，实测弯矩均高于各模型的理论计算弯矩。其中，孙彬模型的计算误差和离散性均最小，其最大计算误差为-11.05%(试验梁B12-0)，最小误差为-3.99%(试验梁B12-4)，平均误差为-7.42%；而其余3个模型的平均计算误差均超过-10%。在B14组的4片梁中，金伟良和孙彬模型的计算精度都比较高，前者平均计算误差为-5.73%，后者仅为0.99%，但金伟良模型的计算离散性较大，误差范围为-1.87%～-20.67%，而孙彬模型仅为-0.57%～4.63%；其余两个模型的平均计算误差均超过-20%。在B16组的4片梁中，计算精度最高的仍是孙彬模型，误差分布范围为-10.30%～4.52%，平均误差仅-5.47%；而其余3个模型的平均计算误差均超过-10%，张建仁和高向玲模型的平均误差超过-30%。图6的结果表明，对于文中的12片试验梁来说，孙彬模型可获得最满意的计算精度。实际上，上述模型均在某特定假设前提下借助于数学统计方法得到，实用性较强，但对于揭示锈蚀梁抗弯性能退化机理方面仍存在一定的不足。相对来说，孙彬模型的物理意义更加突出一些，因此后文将采用该模型做进一步的研究。

3.2 抗弯承载能力劣化分析方法

根据3.1节的分析结果，本节采用孙彬模型来建立矩形RC梁抗弯承载能力的劣化分析方法。为了得到RC梁承载能力的劣化规律，首先必须建立材料和构件物理和力学属性的时变分析模型。以氯离子侵蚀环境为例，钢筋的时变残余截面积As(t)可按式(3)、式(4)计算：

(3)

(4)

式中：ds(t)和ds0分别为钢筋服役t年时的残余直径和初始直径；tini为钢筋初始锈蚀时间；λ为钢筋锈蚀速率，前者可根据DuraCrete模型得到，后者可根据Stewart的研究[10]得到，分别为：

(5)

(6)

式中：c为保护层厚度；ke、kt、kc分别为环境、试验方法、养护条件的修正系数；D0为混凝土龄期为t0时的参考氯离子扩散系数；n为时间衰减系数；Cs为混凝土表面的氯离子浓度，其计算公式为Cs=αs(w/h)+βs，w/h为水胶比，αs和βs分别是与环境相关的系数；icor为锈蚀电流密度，可按式(7)计算：

(7)

fy(t)=[1-βyηs(t)]fy0

(8)

式中：βy为钢筋强度折减系数，根据文献[10]可取为0.004 9；fy0为钢筋初始屈服强度。

钢筋锈蚀产生体积膨胀，造成混凝土内部微裂缝的发展，导致混凝土的强度下降。此外，保护层混凝土也因为钢筋体积膨胀而沿着钢筋胀裂，引起RC梁的几何损伤。混凝土因内部微裂缝的开展而引起的时变抗压强度fc(t)可按式(9)计算[11]：

(9)

式中：fck为混凝土抗压强度标准值；K为钢筋表面粗糙程度和直径的相关系数，取K=0.1；ε0为混凝土抗压强度对应的压应变，取ε0=0.002；ε1(t)为混凝土开裂后的广义平均拉应变，一般应小于0.01，可按式(10)计算[11]：

(10)

式中：b0、b(t)分别为RC梁原始及锈蚀后的截面尺寸。其中，b(t)可按式(11)计算[11]：

b(t)=b0+n·wcr=b0+2π(χrs-1)Xc

(11)

式中：n为锈蚀RC梁的纵筋数量；wcr为锈蚀深度为Xc时RC梁裂缝总宽度；χrs为钢筋锈蚀氧化物体积与未锈蚀时对应的材料体积之比，一般可取χrs=2.0。

根据上述材料和构件物理和力学属性的时变分析模型，结合孙彬模型，即可建立锈蚀RC梁在氯离子侵蚀环境下抗弯承载能力的劣化分析流程，如图7。

采用图7所示的流程计算3组试验梁抗弯承载能力随时间的劣化规律，如图8(a)。由图可知，随着钢筋初锈时间的出现，试验梁的抗弯承载能力开始不断下降，早期下降速度较快，后期逐渐趋缓。试验结果与曲线趋势基本吻合，表明图7的分析方法是合理的。

图7的分析流程是针对试验梁在氯离子侵蚀环境下的劣化规律提出的，但该分析流程并不仅局限于试验梁和氯离子环境。在T梁、小箱梁和空心板等桥梁上部结构锈蚀抗弯承载能力的基础上，结合不同服役环境特点，考虑构件和材料物理和力学性能的时变规律，同样可以建立这些典型桥梁上部结构的承载能力劣化分析方法。图8(b)根据牛荻涛提出的一般大气环境下的材料劣化规律[12]，采用相同的流程，得到了试验梁在一般大气环境下的劣化曲线，限于篇幅仅给出结果。由图可知，在一般大气环境下，RC梁的抗弯承载能力可维持一段较长时间的稳定，然后才开始逐渐下降。相比氯离子侵蚀环境，一般大气环境下RC梁抗弯承载能力下降的初始时间更晚，下降的幅度和速度也更小。这与现有工程认知是吻合的，也进一步证明笔者的分析方法可作为RC梁抗弯承载能力劣化的一种实用估算手段，给在役桥梁工程的养护管理决策提供参考。