钢筋锈蚀后RC梁抗剪性能的试验研究与分析

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钢筋混凝土(RC)结构具有承载力高、稳定性好、刚度大等特点,尤其具有良好的整体性和可模性,广泛应用于世界各地。然而,在自然界中由于锈蚀导致的混凝土构件耐久性失效问题普遍存在,腐蚀作用容易引起结构耐久性损失甚至提前退役,不仅造成了巨大的经济损失,还危害到了民众的生命财产安全。钢筋混凝土结构耐久性研究逐渐成为国内外学者日益关注的课题。对于钢筋混凝土梁而言,钢筋锈蚀不仅影响了正截面抗弯性能,也影响了斜截面抗剪性能。斜截面剪切破坏通常为脆性破坏,发生破坏时产生的危害更加严重。相比钢筋混凝土梁正截面受弯而言,斜截面抗剪性能研究还较为缺乏。钢筋混凝土梁箍筋与纵筋的锈蚀都容易引起钢筋截面损失、力学性能减弱、粘结力退化和斜裂缝骨料间咬合力降低等一系列的后果。从锈蚀钢筋混凝土梁斜截面受力退化机理的角度,研究钢筋锈蚀后的混凝土梁斜截面抗剪性能,对受腐蚀构件实际承载力评估和剩余使用寿命预测具有现实意义。近年来,国内外学者采用了一些模拟钢筋锈蚀的方法,如实验室机械模拟加工方法,能够较好的模拟钢筋锈蚀,单独考虑钢筋锈蚀不同作用机理。为了分析箍筋与纵筋锈蚀对钢筋混凝土梁抗剪性能的影响及作用机理,本文结合国内外学者的研究经验,采用了一种操作方便、耗时较短的试验方法来模拟钢筋锈蚀效应。具体操作为:采用机械切割的方式对箍筋进行锈蚀模拟,采用包裹Teflon薄膜绝缘层的方式对纵筋进行无粘结模拟,采用填充丙烯酸板的方式对纵筋锈胀裂缝进行模拟。结果表明,箍筋和纵筋锈蚀对构件斜截面抗剪性能影响显著,随着锈蚀率增加,抗剪性能退化程度增大;Teflon薄膜包裹钢筋与丙烯酸板填充模拟轴向裂缝模拟纵筋锈蚀具有较好的效果。考虑实际自然环境中钢筋的不均匀锈蚀情况,采用积分原理推导了可以描述钢筋力学性能的简化本构模型。设计了锈蚀钢筋的拉伸试验,与推导的锈蚀钢筋简化本构公式理论结果进行了对比;采用现有的锈蚀钢筋本构分析模型对试验构件进行计算,并与本文的试验结果进行对比。结果表明:钢筋锈蚀后有效受力横截面积的减小,是造成钢筋力学性能退化的主要原因;锈蚀钢筋名义屈服强度、名义极限强度、极限伸长率随锈蚀率的增大呈现不同程度的下降趋势;采用积分模型推导出了简化的钢筋锈蚀区段的应力-应变方程,与试验结果吻合度较高。基于欧洲规范变角桁架理论,考虑了配筋率、配箍率、钢筋锈蚀引起的构件几何截面折减以及对临界斜裂缝倾角的影响,引入箍筋和纵筋锈蚀影响因子,提出了锈蚀RC梁抗剪承载力预测公式。利用所提出的预测公式对本次试验以及现有文献中的试件进行计算,并与试验结果进行了对比。结果表明,公式预测值与试验值具有较好的吻合度。最后,采用数值分析方法建立了锈蚀钢筋混凝土梁的抗剪破坏有限元模型。采用钢筋截面折减的方式模拟钢筋锈蚀效应,采用纵向钢筋与混凝土的耦合相互作用来控制纵向钢筋与混凝土之间是否粘结。有限元模拟结果与试验结果和理论结果相比,三者偏差不大,表明采用数值分析方法对锈蚀钢筋混凝土梁抗剪性能评估具有可行性。
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