考虑锈蚀坑作用的钢筋力学性能研究.doc

考虑蚀坑影响的锈蚀钢筋力学性能研究

摘要:研究了钢筋表面蚀坑对锈蚀钢筋屈服强度的影响,分别讨论了蚀坑深度和宽度对钢筋屈服强度的影响;分析了锈蚀坑存在造成钢筋应力分布的变化规律。研究表明,钢筋屈服时所需荷载与无锈钢筋屈服荷载之比与蚀坑深度之间基本呈指数关系,而蚀坑宽度对其影响相对较小;锈蚀坑附近处出现了明显的应力集中现象,将造成钢筋力学性能的明显退化。
关键词:锈蚀坑,锈蚀钢筋,屈服强度,应力分布
1 引言
钢筋锈蚀是引起钢筋混凝土结构提前破坏的主要因素,Metha教授[1]在1991年召开的第二届混凝土耐久性国际学术会议上,将钢筋腐蚀列为混凝土结构破坏的最主要原因;历史上发生的大量工程事故也警告世人钢筋腐蚀危害之大和日益加剧的严重态势是大大超出人们意料的。由于钢筋埋设于混凝土内部,一些情况下虽然混凝土外观仍十分完好,但内部钢筋已严重锈蚀,从而导致结构的突然破坏,带来了工程隐患。目前一些学者对锈蚀钢筋力学性能进行了广泛的试验研究[2~4],试验中锈蚀钢筋的来源主要包括实验室加速锈蚀钢筋及实际现场得到的锈蚀钢筋,通过对不同锈蚀程度钢筋的拉伸试验结果进行回归分析得到了锈蚀钢筋屈服强度、极限强度及延伸率随钢筋锈蚀率的变化规律,其中钢筋锈蚀率多是以锈蚀钢筋的重量损失率或最小截面的面积损失率表示。
根据混凝土中钢筋的锈蚀机理及实际腐蚀环境下钢筋混凝土结构中钢筋锈蚀情况检测结果表明,混凝土中钢筋的锈蚀往往是从局部点蚀坑开始,不断发展扩大的。这些点蚀坑的存在将造成钢筋在受力状态下蚀坑周围的应力集中,导致钢筋受力性能的退化。可见,钢筋表面的锈蚀坑是导致其力学性能退化的主要原因,其深度及宽度对钢筋力学性能的退化起着重要的影响作用。因此,研究蚀坑深度及宽度对锈蚀钢筋力学性能的影响有着重要的理论意义和实用价值,但目前此方面的研究工作还较少开展。本文的目的是从理论上研究锈蚀坑大小对钢筋力学性能的影响规律,分析锈蚀坑引起钢筋应力分布的变化,为受腐蚀钢筋混凝土构件力学性能的试验及数值模拟研究建立一定的理论基础。
2 受腐蚀钢筋混凝土构件中钢筋的锈蚀情况
作者曾利用GXY-1A型钢筋锈蚀测定仪对一批从腐蚀环境中截取的钢筋混凝土构件进行了钢筋锈蚀情况的无损检测,图1、2分别给出了受硫酸盐和***离子两种介质腐蚀作用下钢筋电位的检测结果。
图1 电位沿梁截面高度方向分布图
Potential maps along the height of the beam
图2 电位沿梁截面高度分布图
Potential maps along the height of the beam
注:图1、2中为梁高。
由以上钢筋表面电位的分布可以看出,电位分布图上分布着一些尖点,即在尖点处钢筋电位发生突然的降低,这也表明该处钢筋表面存在着不同程度的锈蚀坑。
3 锈蚀坑对钢筋屈服强度的影响

钢筋有限元模型如图3所示,按平面应力问题考虑,采用二维八节点等参单元。钢筋采用三折线各向同性的弹塑性模型(图4),钢筋直径取做18mm,钢筋弹性模量为,弹性应变,钢筋屈服应力,屈服应变,极限应力,极限应变。
图3 钢筋有限元模型
FE model of rebar
图4 钢筋应力-应变关系
Constit