反复荷载下锈蚀钢筋混凝土构件粘结滑移模型

1、.反复荷载下锈蚀钢筋混凝土构件粘结滑移模型第36卷第3期2010年6月四川建筑科学研究SichuanBuildingScience5反复荷载下锈蚀钢筋混凝土构件粘结滑移模型陈静,刘西拉,黄良斌(1.南通大学建筑工程学院,江苏南通226019;2.上海交通大学土木工程系,上海200240;3.南通纺织职业技术学院,江苏南通226007)摘要:基于已有反复荷载下的粘结滑移模型,考虑锈蚀因素,建立了反复荷载下锈蚀钢筋混凝土构件粘结滑移模型.该模型考虑了锈蚀条件下粘结滑移的外包络曲线,钢筋与混凝土之间摩擦系数及粘结应力改变系数的变化,得到锈蚀后反复粘结滑移模型.将理论所得粘结滑移模型曲线及粘结退化率与

2、一些近年来的实验数据进行比较,结果吻合较好.关键词:锈蚀;反复荷载;粘结;滑移;模型;混凝土中图分类号:rU375.3文献标识码:A文章编号:10081933(2010)0300504Bond-slipmodelingofcorrodedreinforcedconcretememberundercyclicloadingCHENJing,LIUXila,HUANGLiangbin(1.CollegeofCivilEngineering,NantongUniversity,Nantong226019,China;2.DepartmentofCivilEngineering,ShanghaiJia

3、otongUniversity,Shanghai200240,China;3.NantongTextileVocationalandTechnicalCollege,Nantong226007,China)Abstract:Onthebaseoftheformerbond-slipmodelundercyclicloading,accordingtothecorrosionfactor,abond-slipmodelofcorrodedreinforcedconcretememberundercyclicloadingisgiven.Thismodelconsiderstheenvelopec

4、urveofbondslip,thefrictioncoefficientchangeoftheconcretesteelinterfaceandthecoefficientchangeofbondstressundercorrodedcondition.Finallytherepeatedbond-slipmodelwithcorrosionisobtained.Thebondslipmodelcurveandthebonddegradationratioareverifiedbysomerecentexperimentaldata.Comparisonbetweenthecalculate

5、dresultsandtestresultsshowsitisverysatisfactory.Keywords:corrosion;cyclicloading;bond;slip;model;concrete0引言钢筋锈蚀是钢筋混凝土构件的普遍现象,而考虑锈蚀钢筋混凝土构件在地震作用下的承载力计算,前提是建立锈蚀与反复荷载两个因素共同作用下的粘结滑移本构关系.反复荷载下加载的滞回特性决定了粘结滑移曲线的滞回特性,因此,反复荷载与单调加载时的粘结性能有着本质的区别,在这方面国内外已经进行了一些研究4.研究结果表明,在反复荷载下,粘结性能表现出明显的退化性,主要影响因素有:(1)加载的循环次数;

6、(2)加载时控制位移的幅度.钢筋的锈蚀也会对结构的粘结性能产生影响,在锈蚀初期,微量锈蚀对粘结强度有一收稿日期:20o93_25作者简介:陈静(1977一),女,江苏南通人,硕士,讲师,主要从事结构耐久性研究.基金项目:国家重点基础研究发展规划(973)项目(2002CB412709);南通大学自然科学基金项目(08Z036)Email:chen.j定的促进作用;但随着锈蚀程度的进一步加深,当混凝土保护层出现劈裂裂缝后,粘结强度会逐渐退化严重.反复荷载与钢筋锈蚀共同作用下混凝土粘结特性的已有研究十分有限u川,而且局限于试验研究.因此,本文从反复荷载和锈蚀钢筋两个因素人手,运用文献12反复荷载作

7、用下的粘结滑移关系模型和作者已经建立的单调荷载下锈蚀钢筋混凝土构件粘结滑移模型HJ,考虑不同阶段锈蚀对粘结影响的机理分析,从理论角度建立反复荷载作用下锈蚀钢筋混凝土构件的粘结滑移模型,并利用现有实验来进行验证.1反复荷载下锈蚀钢筋混凝土粘结滑移模型首先,介绍文献12的粘结滑移模型;其次,根据锈蚀的影响机理分析锈蚀对粘结滑移曲线各参数的影响,从而得到反复荷载下的锈蚀钢筋混凝土构件的粘结滑移模型.6四川建筑科学研究第36卷1.1文献12的粘结滑移模型'文献12通过35个变形钢筋短埋长试件的拔出压人试验,研究了反复循环荷载下钢筋与混凝土的局部粘结滑移关系,建立了如图1所示的反复荷载作用下钢筋

8、混凝土构件的粘结滑移关系模型,该模型考虑的是未锈蚀钢筋混凝土构件.fJL【,ruB,l.:lliIO岛J一J'C图1文献12粘结滑移关系曲线Fig.1Ref.12bond-sliprelationalcurve图1所示的粘结滑移关系曲线包含两部分:第一部分为粘结滑移曲线的外部包络曲线部分,图中反映为曲线OAUR;第二部分为粘结滑移滞回曲线部分,一次循环可以看作一个曲线回路,如:OABCABC.CDEFD|EF|.粘结滑移曲线的外部包络曲线OAUR的表达式为:r=7-(S/S)(SS)=7-一(ss)(S<SS)(1)l丁:1.5N/mmz(s>s)式中为极限

9、粘结应力;S对应为时的滑移值;为下降段UR的刚度;为R处的残余粘结应力;s对应为点的滑移值.第一循环曲线回路OABCAB代表第一次加载至给定滑移值S(S)的粘结滑移关系曲线.rB=一frA(2)SB=SA一(A一B)/(3)式中7IA由已知可以根据外部包络曲线表达式得到;or为摩擦粘结应力系数,取为0.12;为卸载刚度,取=295N/ram;反向加载部分与正向加载部分曲线沿原点对称.第二循环回路CDEFDEF及后续循环中的粘结滑移关系为:丁D=drA(4)SD=SA一(rArD)/(5)=1一,/N/45(6)式中为粘结应力改变系数;为荷载的循环次数;反向加载部分与正向加载部分曲线沿原点对称.

10、1.2锈蚀对反复粘结滑移模型的影响由于锈蚀的影响会使反复粘结滑移模型尤其是外部包络曲线,钢筋与混凝土之间的摩擦粘结系数发生较大的变化,因此,本文通过外部包络曲线的变化,摩擦粘结应力系数的变化,粘结应力退化系数的变化及锈蚀条件下的不变量这几个方面,来建立锈蚀条件下的反复粘结滑移模型.1.2.1外部包络曲线的变化已有反复粘结滑移关系研究表明,当滑移控制值不是过大,且循环次数较少的情况下,粘结滑移曲线的外部包络曲线可以近似看成单调加载时的粘结滑移曲线,不考虑单调加载时外包络曲线的退化引,因此,可以用单调荷载下锈蚀粘结滑移曲线代替反复加载下锈蚀粘结滑移曲线的外部包络曲线.作者前期已对单调荷载下的锈蚀钢

11、筋混凝土构件的粘结滑移本构关系进行了深人研究l1¨J,因此粘结滑移曲线包络线OAUR部分,可采用前期研究的单调加载锈蚀钢筋混凝土构件粘结滑移模.1.2.2摩擦粘结应力系数的变化锈蚀条件下,钢筋与混凝土之间的摩擦粘结系数发生较大改变,因此,所建模型需考虑其变化.当荷载卸载后,进入摩擦阶段,如第一,二循环中的BC和EF段,该部分粘结应力大小主要取决于钢筋与混凝土之间摩擦力的大小,因此,需采用锈蚀条件下的值.已有实验结果表明,摩擦粘结应力系数在微锈蚀时有所增加,在严重锈蚀时减小.摩擦粘结应力系数Ot大小主要体现为钢筋与混凝土之间的握裹力,钢筋锈蚀后,用锈胀压应力P来表示钢筋与混凝土之间的握

12、裹力,则:n,f=0.12×(7)PLu,式中P(),P.(0)分别表示锈蚀深度为和0时的锈胀压应力,具体计算见文献14.钢筋锈蚀较小时,由于锈蚀产物体积的膨胀,钢筋与混凝土之间的锈胀压应力增大,从而使得增大;当锈蚀程度加深,使得混凝土保护层锈胀开裂后,则钢筋对混凝土的锈胀压应力会显着减小,从而摩擦粘结应力系数嘶也会出现较大幅度的降低.1.2.3粘结应力改变系数的变化粘结应力改变系数,在文献12的模型中,考虑了循环次数的影响,取为=1一(8)而在某些情况下,不仅考虑循环次数的影响,而且考虑加载时的控制位移幅度的影响,因此,根据文献4的实验研究,取粘结改变系数为:2010No.3陈静,

13、等:反复荷载下锈蚀钢筋混凝土构件粘结滑移模型7f1d:I上一L1.23990.9988e一.?一1七0.5,×,(0.84930.8218e-.删2Scon)_1【1+1.0346(1一e一'鹋con)卯=TI(9)式中J7v为循环次数;S.为加载时控制位移幅度.1.2.4锈蚀条件下的不变量文献11实验发现,反复加载过程中卸载时主要表现为钢筋变形肋与肋前混凝土的脱离,钢筋变形肋对肋前混凝土的作用近似弹性恢复,挤压力消除在极小滑移下完成,不同锈蚀率的卸载刚度直线斜率变化不明显,所以,卸载刚度仍然取为295N/mm.为了使模型建立更加简单,仍然假定正,反向粘结滑移曲线反向对称,即

14、粘结滑移曲线沿原点对称,在文献12,16中均有此假定.2实验验证2.1模型的实验验证文献4实验,试件尺寸为154mm×154mm×188mm,混凝土强度为50MPa,直径22I/ira的级钢筋,箍筋为直径6mm,间距40IBm的I级钢筋,混凝土立方体抗压强度为50MPa,混凝土保护层厚度为66mm,该混凝土为掺入钢纤维的高性能混凝土,对该试件进行中心拔出等幅反复加载实验.取该实验中加载幅度分别为1mm和4.5mm的反复荷载下的粘结滑移.一s曲线,为了能够更清楚地反映曲线特点,其中加载幅度为1mm粘结滑移rs曲线取第1,2,10个循环的曲线,加载幅度为4.5m/1的粘结滑移r

15、s曲线取第l,2,5个循环的曲线.根据上一节建立的反复荷载下锈蚀粘结滑移模型得到的理论反复荷载下锈蚀钢筋混凝土粘结滑移丁一s曲线,并与实验所得粘结滑移一s曲线结果比较,如图2,3所示.通过理论建立的模型与实验结果对比可知,粘结滑移曲线基本吻合,但也存在一些区别:(1)理论模型中假定正,反加载曲线沿原点对称,这与实验中反向加载时的最大粘结应力值略小于正向加载的值有所差别.(2)理论模型中假定了摩擦水平阶段完全弹性恢复,摩擦滑移到原点,而实验中由于塑性变形的存在,因此变形不能够完全弹性恢复到最初的原点,因此,两者曲线在摩擦水平阶段略有不同.(3)实验采用的是加入钢纤维的高性能混凝土,而理论模型中没

16、有考虑钢纤维的加入对粘结强度的略微提高作用,所以也使得结果稍有区别.以上区别对于与粘结相关的各种分析计算是否有重大影响,有待今后进一步的研究.图2反复荷载粘结滑移曲线与文献4比较(加载控制位移为1Him)Fig.2Comparisonoftheoreticalbond-slipcurveundercyclicloadingwithRef.4】(Displacementcontrol1mm)皇恻姆撂图3反复荷载粘结滑移曲线与文献4】比较(加载控制位移为4.5mm)Fig.3Comparisonoftheb0nd-slipcurveundercyclicloadingwithRef.4(Displ

17、acementcontrol4.5am)2.2粘结退化率A的实验验证文献10实验的试件尺寸为140nlln×140mm×180mm,混凝土立方体抗压强度为56.2MPa,直径20mm的级钢筋,箍筋为直径6mm,间距40mm的I级钢筋,快速通电腐蚀后,进行中心拔出等幅反复加载实验.根据已建反复荷载下锈蚀粘结滑移模型,得到反复荷载下锈蚀钢筋混凝土粘结滑移丁一s理论曲线,并与实验加载控制位移为lmm,锈蚀率为0.38%的粘结滑移rs曲线比较.为了能够更清晰地显示曲线的比较结果,理论与实验粘结滑移曲线均只取了第1,2,3,4,5,1O次循环,比较结果如图4所示.根据已经得到的反复荷

18、载下锈蚀钢筋混凝土构件粘结滑移曲线,可以求得第次循环的最大粘结力(),并与第1次循环的最大粘结力r(1)进行比较,得到不同锈蚀率下随循环次数改变的粘结退化率A=1一()/r(1).现将理论求得8四川建筑科学研究第36卷图4反复荷载锈蚀粘结滑移曲线与文献10比较(加载控制位移为1mm;锈蚀率为0.38%)g.4Comparisonofthecorrodedbond-slipcurveun.dercyclicloadingwithRef.10(Displacementcontrol1lnlll:O.38%corrosion)的粘结退化率A与文献1O实验所得结果比较见表1.表1粘结退化率A理论计算与

19、文献10的比较Table1ComparisonoftheoreticalbonddegradationrateAthReL10.,实验结果计算结果而lO.O0oO.oo00.0oO0.00OO.oo0O.ooO0.ooOO.00o2O.6240.3780.3930.4170.4380.2140.4830.53830.6620.5620.4580.4850.5270.3390.5660.61240.6860.5890.4940.5990.5790.4120.6130.6545O.6990.6080.5240.6040.6150.4610.6460.68460.7370.6210.5440.608

20、0.6410.4990.6700.70670.7480.6310.5620.648O.6620.5280.6900.72380.7560.6400.5770.6510.6800.5520.7060.73790.7610.6440.5850.6590.6940.5720.7190.749100.7720.6470.6010.6600.7060.5900.7300.759实验结果/计算结果均值为:1.045标准差:0.253注:(1)以上百分比数值表示为钢筋锈蚀率;(2)表示循环次数.如表l,将粘结退化率的理论计算与实验结果比较得到粘结退化的趋势一致为:(1)某锈蚀率的列中,随着循环次数的增加,粘

21、结退化率数值逐渐增加,即随着循环次数的增加,粘结退化越来越严重;(2)对同一循环次数的行进行比较,粘结退化率随着锈蚀率呈现先减小后增加的趋势,即在微锈时,粘结强度退化减弱,而后,随着锈蚀程度的进一步加深,粘结退化程度又逐渐增强.3结论(1)在文献12反复荷载下粘结滑移模型的基础上,考虑钢筋锈蚀后粘结滑移曲线中外包络曲线与钢筋及混凝土之间的摩擦力系数发生的改变,得到锈蚀下的反复粘结滑移模型.并将所建模型曲线和粘结退化率分别与已有实验进行验证,与实验结果吻合较好.该模型可以用于地震作用下的锈蚀钢筋混凝土构件承载力的计算与非线性有限元的分析.(2)在反复荷载与锈蚀共同作用下,虽然微锈蚀对粘结有一定的

22、促进作用,但是粘结强度在两个因素共同作用下,整体表现为粘结退化,而微锈蚀较未锈蚀时的粘结退化趋势有所减弱.(3)理论模型得到粘结与反复加载的关系为:随着循环次数的增加,粘结强度逐渐退化,但在少量几次循环后,粘结退化逐渐趋于稳定,这一结论与实验结果完全一致.(4)理论模型得到粘结退化率与锈蚀的关系为:由于锈胀压应力对不同锈蚀程度的影响不同,粘结退化率随着钢筋锈蚀率的递增而呈现先减小后增大的趋势,在这点上也是与实验结果相符合的.参考文献:1IsmailMA,FJirsaJ0.BonddeteriorationinreinforcedconcretesubjecttolowcycleloadsJ.C

23、ivilEngineering(NewYork),1972,69(6):334-343.2EdwardsAD,YannopoulosPJ.LocalbondstresssliprelationshipsunderrepeatedloadingJ.MagazineofConcreteResearch,1978,30(103):62-72.3傅恒菁.低周反复荷载作用下月牙钢筋粘结性能实验研究J.西安治金建筑学院,1986,45(1):919.4章萍.反复荷载下钢筋与高性能混凝土粘结本构关系的试验研究D.上海:同济大学,2003:60-90.5A1一SulaimaniGJ,KaleemullahM,BasunbulIA,eta1.Influenceofcorrosionandcrackingoubondbehaviorandstrenhofreinforcedconcretemembelx3J.ACIStructuralJournal,1990,87(2):220-231.6CabreraJG.DeteriorationofconcreteduetoreinforcementsteelcorrosionJ.CementandConcreteComposites,1996,18(1):47-59.7袁迎曙,余索,贾福萍.锈蚀钢筋混凝