锈蚀钢筋与混凝土粘结锚固性能研究进展
2024-06-17
来源:乌哈旅游
浙江建筑,第28卷,第2期,201 1年2月 Zhejiang Construction,Vo1.28,No.2,Feb.201 1 锈蚀钢筋与混凝土粘结锚固性能研究进展 A Review of the Studies on the Performance of Anchorage Bonding of Rust.Eaten SteeI Bar and Cement 李云鹏 L1 Yun—peng (唐山钢铁设计研究院有限公司,河北唐山063000) 摘要:钢筋锈蚀是造成钢筋混凝土结构强度退化的主要影响因素。对于水工结构或处于氯离子浓度较高环境中的结构,钢 筋的锈蚀更容易发生。为了更好地开展锈蚀钢筋混凝土粘结锚固性能研究,参阅了大量文献,从锈蚀加速方法、试验方法、粘结强 度计算、粘结滑移本构关系以及有限元模拟分析等方面介绍了国内外该领域的研究进展。通过对比分析,指出目前研究的不足之 处,为进一步深入研究提供参考。 关键词:锈蚀钢筋;混凝土;粘结;研究进展 中图分类号:TU511 3 2 文献标识码:B 文章编号:1008—3707(2011)02—0016—03 l钢筋锈蚀的特征 目前对于锈蚀钢筋与混凝土粘结锚固性能的研 究主要集中在以下几个方面:钢筋锈蚀加速方法、粘 钢筋锈蚀是造成钢筋混凝土结构强度退化的主 结锚固性能的试验方法、粘结强度的计算公式、粘结 要影响因素。对于水工结构或处于氯离子浓度较高 滑移本构关系以及有限元法模拟研究。 的环境中的结构,钢筋的锈蚀更容易发生。由于钢筋 锈蚀造成的强度退化,会使结构安全性大幅度降低。 2钢筋锈蚀加速方法 钢筋和混凝土之问的粘结力组成有三部分: 由于混凝土中钢筋的自然腐蚀速度很慢,为了 (1)由于混凝土的收缩而产生的对钢筋的握裹力; 在较短的时间内获得期望腐蚀率,采用电流加速腐 (2)钢筋和混凝土接触面上的分子胶着力;(3)由于 蚀方法加快试件中钢筋的腐蚀速度。以试件钢筋作 钢筋表面凹凸不平而产生与混凝土的机械咬合力。 为阳极,以浸于NaCI溶液中的不锈钢板作为阴极, 锈蚀会影响钢筋与混凝土的共同工作性能,微观 形成电流回路。接通电路形成电解池,在电流作用 上看,钢筋中的铁元素被氧化后体积膨胀,从而引起 下,钢筋表面被氧化腐蚀。 在钢筋与混凝土粘结界面周围的混凝土中的环向拉 由理论计算的钢筋腐蚀率,换算成相应的腐蚀 应力增加。当拉应力超过极限抗拉强度时,混凝土会 量。根据理论计算腐蚀量及法拉第定理,选择适当 开裂。此时,对于光圆钢筋,混凝土对钢筋的握裹力 的电流密度即可确定通电时间 : 明显降低,两者的粘结强度受到不利影响;对于变形 m ×2×96 487 —一 ,1、 钢筋,混凝土开裂也影响了钢筋肋与周围混凝土的机 ,×55.847 械咬合作用,粘结强度降低。混凝土在开裂后,钢筋 式(1)中:卜通电时间; 会暴露在空气或外界介质中,锈蚀会进一步加剧。 m,~按照期望腐蚀率换算的钢筋质量损失量; 收稿日期:2010一l1—29 作者简介:李云鹏(1985一),男,河北唐山人,助理工程师,从事结构设计工作。 第2期 李云鹏:锈蚀钢筋与混凝土粘结锚固性能研究进展 17 ,一选择的电流强度。 电流加速腐蚀是目前试验中常用的方法。但 2008年Chung等人对21根钢筋和21个钢筋混凝 3试验研究 测试钢筋与混凝土的粘结性能的试验方法主要 土粘结锚固试件分别进行电流加速腐蚀,发现对钢 筋应用电流加速腐蚀的实际腐蚀效果大约只有期望 包括拉拔试验和梁式试验两大类,根据具体的试验 装置和目的,两者还可以分为不同的小类。例如拉 拔试验可以使用单拉拔或双拉拔的加载方式,以模 拟混凝土不同的应力状态。 值的75%;而在应用了电流加速腐蚀的钢筋混凝土 粘结锚固试件中,最好的腐蚀效果只有50%,大部 分试件的腐蚀效果甚至达不到10%。 每种试验都有其优点及缺点,目前尚没有一种 试验可以模拟钢筋在混凝土构件中真实的粘结锚固 学者们通常使用钢筋的实际腐蚀率来衡量腐蚀 效果。钢筋的实际腐蚀率按照腐蚀前后钢筋的质量 情况。目前通过这两种试验研究锈蚀钢筋与混凝土 粘结的国内外的学者包括:A1一Sulaimani 、Rodrigu— ez损失率计算。钢筋的实际平均腐蚀率为粘结长度内 的质量损失与无腐蚀时对应长度的钢筋质量之比,见 式(2)。 G 一G [ 、Cabrera[ 、Almusallam[ ]、Fu和Chung 、Am. 1eh 、Stanish 、Auyeung 、Lee 、Chung 、张伟 CR= 。一 ×100% go。 (2) 平¨ 以及方从启¨纠等人。 目前主要的拉拔试验见表1。表中, 为混凝 .式(2)中:G 一腐蚀率; G 一无腐蚀时钢筋质量; 土的轴心抗压强度; 为钢筋屈服强度;D为钢筋直 .径;C为混凝土保护层最小厚度。 G一腐蚀之后钢筋质量; g 一单位长度钢筋的质量; Z一粘结长度。 相对拉拔试验,使用梁式试验研究较少,具体试 验参数见表2。 表1拉拔试验研究现状 说明:配置箍筋一列,8/70表示配置直径为8 film的钢筋,间距70 mlnf。 表2梁式试验研究现状 浙江建筑 2011年第28卷 4粘结强度模型 1996年,Cabrera等人 根据试验结果拟合数 的关系函数。 类似的情况,陈静等人 建立理论模型,提出基 于位置函数的锈蚀钢筋粘结滑移本构关系。她将曲 线划分为五个阶段:微滑阶段、滑移段、劈裂段、下降 段及残余段。理论模型建立主要考虑钢筋锈蚀后体 据,提出线性公式(3),用来计算锈蚀钢筋与混凝土 的粘结强度。 =23.478—1.313C。 (3) 积膨胀产生的锈胀压应力,锈蚀后钢筋的半径损失, 混凝土有效保护层厚度的改变,锈蚀后钢筋与混凝土 式(3)中:Ub一锈蚀钢筋与 昆凝土的粘结强度(MPa); C 一锈蚀率(%)。 之间摩擦系数的改变以及特征滑移值的改变。通过 Cabrera等人认为,随着腐蚀率的增加,钢筋与 混凝土的粘结强度会逐渐降低。 Lee等根据试验结果,利用数值方法拟合出锈 蚀钢筋粘结强度经验公式(4)。 “ =5.21e 。 (4) Lee等人 的公式表明了类似的规律,即锈蚀 率对粘结强度的不利影响是连续存在的。 2004年,Cbung等人¨ 在试验的基础上,提出 了与锈蚀率c 有关的分段函数表达形式的锈蚀钢 筋与混凝土粘结强度计算公式(5)与式(6)。 U 6=16.87 C。≤2.0 (5) u6=24.7co-”” C。>2.0 (6) 公式表明,当腐蚀率c ≤2.0%时,粘结强度不 随腐蚀率的增加而变化;当腐蚀率C >2.0%时,粘 结强度随腐蚀率的增加而降低。 2008年,Bhargava等人¨ 收集前人试验数据, 按照试验方式的不同,分别拟合了粘结强度随锈蚀 率变化的经验公式。公式关键参数为衰减系数R。 对于拉拔试验,存在如式(7)、式(8)的衰减系 数R与锈蚀率C 的关系。 R=1.0 C。≤1.5 (7) R:1.192e “ C >1.5 (8) 对于梁式试验,存在如下关系。 R:1.0 C。≤1.5 (9) R=1.346e ”o C >1.5 (10) 5粘结滑移本构模型 平均粘结滑移关系曲线可以划分为多个阶段描述。 张伟平等 将曲线划分为滑移段、增裂段、下降段和残 余段四段。其中滑移段基本呈现线性,劈裂段、下降段接 近二次抛物线,残余段为水平直线。将以上因素综合,可 以得到跟位置函数相关的粘结滑移本构关系式(11)。 .r (s, )= ( )孑 (S ) (11) 式中: ( )表示与位置有关的函数,用以描述前述 四个阶段; (S )表示用平均滑移与平均粘结应力 粘结滑移机理分析得到的单调荷载锈蚀后粘结滑移 曲线与不同的试验结果都能较好的吻合,但反复荷载 下的粘结滑移关系可以在模型基础上进一步完善。 6有限元分析 Lundgren等人在2002年使用有限元程序DIANA 模拟了锈蚀钢筋与混凝土的粘结情况。2003年,Ber— ra等人通过有限元模拟分析了不同约束情况对锈蚀 钢筋与混凝土粘结性能的影响。2005年,方从启等人 使用有限元分析了锈蚀钢筋与混凝土的粘结机理,并 与试验结果进行了对比。在他的模拟中,混凝土和钢 筋均使用了实体单元,钢筋与混凝土的粘结单元使用 考虑了名义应力、粘结应力和相对滑移量的关系函数。 分析结果表明,由于所使用模型是基于大滑移量情况 的本构关系,因此模拟结果与试验结果有一定出入。 7 结 语 通过对研究现状的分析,可以从以下几方面深 入锈蚀钢筋与混凝土粘结性能的研究: (I)目前对于锈蚀钢筋与混凝土粘结锚固性能 的试验研究以拉拔试验为主,但更能反映实际钢筋 与混凝土锚固情况的试验方法有待于进一步探讨。 (2)电流加速腐蚀方法是目前广泛使用的加速 钢筋腐蚀速度的方法,但其腐蚀效果往往难以达到 期望值。 (3)学者对于腐蚀率对粘结强度的影响具有普 遍共识,即在1.5%~2%的小腐蚀率情况下,腐蚀 率对钢筋与混凝土的粘结强度没有影响,当腐蚀率 继续增大时,会对粘结强度产生不利影响。 (4)目前研究得到的粘结滑移本构模型的形式 基本一致,都是与粘结位置有关的函数表达式。 (5)对于锈蚀钢筋与混凝土粘结锚固的有限元 模拟尚处于不成熟阶段,更精确粘结滑移本构关系 的研究进展会推动有限元模拟的进一步开展。 (下转第29页) 第2期 方叫,隧1± 舟等:土钉墙与排桩内支撑复合支护技术在基坑工程中的应用 29 水平位移/mm 0 0 2 5 10 15 2O 25 5 结 语 本基坑工程结构设计方案,对上部的填土、粉质 4 姜 账6 8 10 一l1 21 l1 24 ——一ll 22 l1 26 —11 29 一 11 28 12 01 12 04 —11 23 11 27 11 3O 黏土采用了土钉支护,下部采用钻孔灌注桩支护加 一12 O2 ,l2 03 l2 06 一一道钢筋混凝土水平支撑。地下水控制采用水泥搅 12 O5 l2 07 —12 09 l2 24 121l 12 25 l2 13 l2 2l 一12 14 岫 l216 ~拌桩。与其他方案相比,本方案具有造价低、工期 短、施工方便、安全度高的优点。 l2 一12 3O 图8 CX5深层土体水平位移 实际的监测数据显示围护结构的变形(深层水 平位移)主要发生在土钉墙施工、挖土方至钻孔桩 水平位移/mIT1 0 5 10 l 5 20 25 3O 35 顶、浇注支撑及压顶梁期间,当支撑达到龄期要求往 ¨ { I ∥ ,焱 下挖土方直至拆撑整个阶段,变形速率较小。本方 } i 7 u 0 I 案的成功使用,对于类似深基坑工程具有一定的借 6 瓣 j / / 一1…11l 22一I6一l1 237 l—一l1 2350 鉴意义。 近年来土钉墙与排桩加内支撑的支护体系应用 —12 01一l2 04一一12 O5 8 : 12 06 l2 07 12 O8 开始推广,但应注意的是由于上部土钉墙部分的变 12 09 12 1l 12 13 l0 1214一l216一 12 21 形较内支撑围护体系大,对于场地环境复杂,周边建 12 12 24*l2 25 12 3O 筑物对变形要求严格的工程,应做进一步的研究 图9 CX6深层土体水平位移 论证 从以上6幅实测图中可以看出,主要控制方向 参考文献 的水平位移基本发生在地面以下3 m范围之内。最 黄强,杨斌,李荣强,等.JGJ 120-99建筑基坑支护技术规 大水平位移深度主要发生在地表;基坑开挖过程情 程[s].北京:中国建筑工业出版社,1999. 况正常,在支撑拆卸完毕,工程施丁结构达±0.0期 [2] 吴铭炳,林大丰,戴一鸣,等.坑中坑基坑支护设计与监测[J]. 间,对各监测孔继续进行了连续监测和观测。结果 岩土工程学报,2006,28(增刊):l569—1572 [3] 刘俊岩,应惠清,孔令伟,等.GB 50497—2009建筑基坑工程监 表明,基坑稳定。 测技术规范[S].北京:中国计划出版社,2009. 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