課程（畢業(yè)）論文-鋼筋銹蝕下甁形壓桿受力性能和有效系數(shù)

1、鋼筋銹蝕下瓶形壓桿受力性能和有效系數(shù)摘要：針對(duì)許多鋼筋混凝土、預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)由于除冰鹽的使用遭受不同程度的腐蝕，開展鋼筋銹蝕下 瓶形壓桿受力性能及有效系數(shù)試驗(yàn)研究。設(shè)計(jì)了2組共6個(gè)不同鋼筋銹蝕率的壓桿試件，通過靜載試驗(yàn)加載 至失效破壞。結(jié)果表明：鋼筋銹蝕不僅降低瓶形壓桿的承載力，同時(shí)降低了壓桿剛度。壓桿典型的失效模 式是中部高度處突然出現(xiàn)一個(gè)垂直裂紋，然后開展為y形，最后附近節(jié)點(diǎn)的混凝土發(fā)生破碎。關(guān)鍵詞：瓶形壓桿，鋼筋銹蝕，有效系數(shù)分試件xsin<z.配筋銹蝕組編號(hào)j bsj情況率a組bss1-10.003710140, 0-0°0%bss1-20.003710 140,0=

2、0°3%bss1-30.003710 140,0=0°6%bbss2-10.004510 140,0=45°0%表1試件基本參數(shù)table 1 basic parameters of speciments組 bss2-20.004510 140,0=45°3%bss2-30.004510 140,9=45°6%引言壓桿是拉壓桿模型中重要組成部分，其 作為承壓的構(gòu)件，本身的應(yīng)力場很復(fù)雜，根 據(jù)不同的作用方式和邊界條件表現(xiàn)出不同 的應(yīng)力場特征，在對(duì)稱的集中力作用下的壓 桿的應(yīng)力場為典型的瓶形狀，國內(nèi)外陸續(xù)開 展了部分瓶形壓桿受力性能的試驗(yàn)研允，出

3、現(xiàn)了一定的成果，但試件的尺寸不同、數(shù)量 有限，并沒有得出系統(tǒng)的理論成果，且各個(gè) 學(xué)者之間差異較大。已有相關(guān)研究表明，學(xué) 者們并沒有考慮鋼筋銹蝕對(duì)壓桿受力性能 的影響。因此，本文在前人的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)并 制作了 6個(gè)尺寸相同的馳形壓桿試件，考慮 了不同的鋼筋銹蝕率與配筋形式對(duì)瓶形壓 桿受力性能的影響，進(jìn)行了相關(guān)的試驗(yàn)研究。1.試驗(yàn)概況1 1試件設(shè)計(jì)本次試驗(yàn)的主要目的是探討不同鋼筋 銹蝕率、不同鋼筋配筋角度対瓶形壓桿受力 性能的影響。為此試驗(yàn)設(shè)計(jì)了 a、b兩組 壓桿試件，試件幾何尺寸為900mmx900mmx 150mm,基本參數(shù)見表1。試件布置單層止 交鋼筋網(wǎng)格,通過將鋼筋網(wǎng)格旋轉(zhuǎn)45°研

4、究 壓桿鋼筋配筋角度與受壓方向z間的關(guān)系， 壓桿示意圖詳見圖lofig.l schematic diagram of bottle-shaped strut1.2材料性能兩組試件所用混凝土為自拌c50,配合 比為水泥：細(xì)集料：粗集料：水：減水劑 =1:1.44: 2.55:0.36:0.012,澆筑時(shí)在同批混凝 土中制作6個(gè)標(biāo)準(zhǔn)立方體試塊，在標(biāo)準(zhǔn)情況 下養(yǎng)護(hù)28d,在試件加載前根據(jù)混凝土強(qiáng) 度檢測評(píng)泄標(biāo)準(zhǔn)相關(guān)規(guī)泄測混凝土的實(shí)際 抗壓強(qiáng)度，其實(shí)測抗壓強(qiáng)度平均值49.59 mpa、標(biāo)準(zhǔn)差0.64,基本達(dá)到c50的要求。 壓桿中鋼筋采用hpb300,直徑d=10mm, 屈服強(qiáng)度300mpa,極限強(qiáng)度

5、420mpao 1.3試件加速銹蝕試驗(yàn)壓桿的銹蝕試驗(yàn)在河海大學(xué)結(jié)構(gòu)試驗(yàn) 室完成，采用通電加速銹蝕試驗(yàn)法，試驗(yàn)用 的電源為鴻寶公司生產(chǎn)的he176015l5a 可調(diào)雙路直流穩(wěn)壓電源，試驗(yàn)示意圖如圖2o 控制鹽水池中的氯化鈉溶液的濃度為3% 5%,壓桿試件浸泡3d后通電銹蝕，試驗(yàn)通 電設(shè)定電流為2a,根據(jù)法拉第定律計(jì)算每 個(gè)試件的通電時(shí)間。圖2壓桿試件的鋼筋銹蝕裝置示意荷找心嫂器鋼墊塊壓桿試件反力架fig.2 schematic diagram of the accelerated corrosion test ofthe panels1.4實(shí)測鋼筋試件銹蝕率通過測量銹蝕后鋼筋質(zhì)量損失率來計(jì) 算鋼

6、筋銹蝕率。試驗(yàn)將加載后的每塊試件鋼 筋収出，截収若干根，放入稀釋成6%的稀 鹽酸溶液中浸泡lh后取出，將鋼筋表面鐵 銹清除漂洗后，放入石灰水中浸泡中和鋼筋 表面鹽酸，lh后取出用清水沖洗并烘干， 用電子秤稱量烘干后銹蝕鋼筋試件的重量, 用游標(biāo)卡尺測量試件的長度，計(jì)算確定銹蝕 后鋼筋的質(zhì)量損失率。鋼筋實(shí)測平均銹蝕率 見表2。表2鋼筋實(shí)測平均銹蝕率試件編號(hào)bss1-2bss1-3bss2-2bss2-3平均銹 蝕率（）3.837.713.666.61table 2 percentage of weight loss1.5試驗(yàn)裝養(yǎng)及測點(diǎn)布置試驗(yàn)是在河海大學(xué)土木與交通實(shí)驗(yàn)屮 心結(jié)構(gòu)實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行，試驗(yàn)裝置

7、如圖3.1、如 圖3.2所示，主要由球支座、墊塊、荷載傳 感器、tds-3o3靜態(tài)應(yīng)變采集儀、可控制反 力架支座以及320t油壓千斤頂組成。圖3. 1 320t液壓千斤頂圖3. 2數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)fig2.1 320t hydraulic jack fig2.2 data acquisition system橡膠支匿鋼墊塊*斤頂圖4試驗(yàn)加載裝賈圖fig.4 loading device試驗(yàn)采用靜力加載方式，分為三個(gè)階段。 第一階段進(jìn)行預(yù)加載，分三級(jí)加載，每級(jí)荷 載加載值為100rn,同時(shí)檢查加載裝置與數(shù) 據(jù)采集裝置是否正常工作。第二階段進(jìn)行正 式加載，開裂前，以每級(jí)1 ookn,加載至預(yù) 估開裂荷

8、載值的90%時(shí)，調(diào)整每級(jí)為50kn 直至開裂；開裂后，每級(jí)1 ookn,加載至承 載力預(yù)估值的90%時(shí)，調(diào)整為50kn,直至 壓桿構(gòu)件達(dá)到力的最大值或有開始下降段。 笫三階段為變形控制，當(dāng)加載到極限荷載且 有下降趨勢時(shí)，采用變形控制，通過加載時(shí) 控制豎向千分表的讀數(shù)，以每級(jí)0.1mm繼 續(xù)加載。達(dá)到控制的豎向變形時(shí)，靜壓5min, 讓試件充分變形，當(dāng)試件突然破壞承載力立 即下降至不能繼續(xù)承載時(shí)即停止加載，視為 試件破壞。應(yīng)變片布置分為鋼筋應(yīng)變片和'混凝土 應(yīng)變片。鋼筋應(yīng)變片布置任構(gòu)造鋼筋骨架上, 主要用于檢測在加載過程中內(nèi)部鋼筋的內(nèi) 力變化；混凝土應(yīng)變片布置在混凝土表面， 通過應(yīng)變花形

9、式得到瓶形壓桿混凝土表面 對(duì)稱軸線上沿高度方向和中間高度沿寬 度方向的混凝土豎向、橫向應(yīng)變情況。圖5鋼筋應(yīng)變片測點(diǎn)布置圖fig.5 strain measuring point arrangement圖6混凝上應(yīng)變片測點(diǎn)布置圖fig.6 measuring point arrangement2試驗(yàn)結(jié)果分析2. 1荷載-混凝土應(yīng)變關(guān)系2. 1. 1各級(jí)荷載下沿高度方向豎向應(yīng)變分析4003002001000-200-300-400-700 -600 -500 -400 -300 -200 -100應(yīng)變仏i0圖9荷載-高度方向豎向變形關(guān)系fig9 load vertical deformation

10、in height direction圖中可以看出，瓶形壓桿在荷載作用下, 初加載時(shí)沿高度方向整個(gè)截面的壓應(yīng)變較 小，隨荷載值的增大，沿高度壓應(yīng)變?cè)龃蟆?在壓桿的頂面和底面局部受壓區(qū)附近應(yīng)變 增大較快，呈現(xiàn)出頂面和底面壓應(yīng)變大，中 間高度處壓應(yīng)變小的現(xiàn)象。這是由于荷載作 用下在頂面和底面局部受壓區(qū)承壓面積小 且有應(yīng)力集屮現(xiàn)象，而屮間高度處應(yīng)力擴(kuò)散, 承受壓應(yīng)力的面積增大，從而應(yīng)變小。壓桿 頂血或底血局部受壓區(qū)附近較薄弱的部位， 當(dāng)荷載值達(dá)到混凝土極限壓應(yīng)變時(shí)混凝土 壓碎，此時(shí)，瓶形壓桿試件達(dá)到極限承載力， 試件無法繼續(xù)承載而破壞，破壞集屮在頂面 或底面局部受壓區(qū)附近。同時(shí)可以看出，不 同銹蝕率

11、的壓桿，隨著銹蝕率的增大，壓桿 的壓縮變形增大，沿高度方向豎向應(yīng)變?cè)龃蟆?2. 2.2各級(jí)荷載下沿高度方向橫向應(yīng)變分析3 2-1400 -1200 -1000 800 -600 400 -2000應(yīng)變仏(a) bss2-1 _ 00oj00im<十0kn 100kn 200kn 300kn y 400kn 十 500kn 600kn 700kn 800kn +852kn400-300-200-100-0- -100- -200- -300- -400-50050100150200應(yīng)變仏(b) bss2-2*0kn 100kn亠 200kn 300kn+400kn1 500kn 600kn

12、i 700kni 800kn| * 900knj .*ooooooooo o o o o o o o o 4 3 2 1-1-2-3-4(a) bss2-1300-200-e100-e直0100-200 300*0kn 100kn 亠 200kn 十 300kn y 400kn 亠 500kn 600kn 700kn 750kn* 800kn* 850kn .900kn050100150200250應(yīng)變仏(b) bss2-2o70o6bo-20z -3變 bo應(yīng)-4o5000403020ee'sk-40 -20020 40 60 80 100 120 140 160應(yīng)變/»&

13、#163;o o o o o o o o o o o1 12 3 4 -50050 100 150 200 250 300 350 400距中心軸線距離/mm0-50-100-150- 琉-200- 閏-250-300-350-(c) bss2-3圖10荷載-高度方向橫向變形關(guān)系figlo load -lateral deformation in height direction圖屮可以看出，混凝土橫向應(yīng)變沿高度 方向靠近壓桿頂面和底面的局部受壓區(qū)拉 應(yīng)變較小甚至出現(xiàn)壓應(yīng)變，而在壓桿中間高 度軸線上混凝土拉應(yīng)變最大，這是由于瓶形 壓桿在頂面和底面局部受壓的邊界部位存 在應(yīng)力集屮，而在壓桿的屮間

14、高度上存在橫 向張力。隨著荷載值增大，沿高度方向拉應(yīng) 變不斷增大。在加載過程中發(fā)現(xiàn)，每個(gè)壓桿 試件接近中間高度處首先出現(xiàn)豎向裂縫，這 是因?yàn)樵趬簵U中間高度處的拉應(yīng)變最大，當(dāng) 拉應(yīng)變值達(dá)到混凝土極限拉應(yīng)變時(shí)出現(xiàn)裂 縫。隨著荷載值的進(jìn)一步增大，沿高度方向 的橫向拉應(yīng)變繼續(xù)增大，豎向裂縫開始由中 間高度處向頂面和底面局部受壓區(qū)延伸，最 后幾乎在整個(gè)截面上貫穿。相同配筋形式, 不同銹蝕率的壓桿，隨著銹蝕率的增大，開 裂前沿高度方向的拉應(yīng)變?cè)黾印?.2.3各級(jí)荷載下沿寬度方向豎向應(yīng)變分析(b) bss2-25050|-100-150»-2000kn 4 500kn 100kn.600kn 20

15、0kn 700kn v 300kn 800kn v 400kn 852kn0100200300400x距屮心軸線距離/mm(a) bss2-12001000-100-200§ -300 歎-400 igj -500-600-700-800-900*0kn 800kn 100kn* 900kn 200kn e 1000kn 300kn 1100kn «400kn 1200kn 500kn 1300kn .600kn 十 1400kn 700kn0100200300400x距中心軸線距離/mm(c) bss2-3圖11荷載-寬度方向豎向變形關(guān)系figll load - vert

16、ical deformation in width direction圖12 bss2-1試件邊緣水平裂縫figl2 horizontal crack in specimen edge圖中可以看出，開始加載時(shí)瓶形壓桿沿 寬度方向混凝土豎向應(yīng)變均為負(fù)，表明壓桿 在初始荷載作月下沿寬度方向處于全截面 受壓狀態(tài)，且在壓桿豎向刈“稱軸上混凝土壓 應(yīng)變最大，沿壓桿邊緣應(yīng)變逐漸減小。隨著 荷載值的增大，壓應(yīng)變不斷增大。當(dāng)荷載達(dá) 到某一值時(shí)靠近壓桿邊緣出現(xiàn)壓應(yīng)變逐漸 減小，甚-至?xí)霈F(xiàn)拉應(yīng)變。當(dāng)荷載進(jìn)一步增 大，邊緣拉應(yīng)變達(dá)到混凝土極限拉應(yīng)變時(shí), 部分試件側(cè)面口間高度處產(chǎn)生水平裂縫，7k平裂縫向壓桿的止面和

17、反面貫穿。如試件 bss2-1達(dá)到極限荷載時(shí)，水平裂縫可延伸 至距試件邊緣145mm處，見圖12所示。相 同配筋形式，不同銹蝕率的壓桿，隨著銹蝕 率的增大，沿寬度方向的壓應(yīng)變減小。由于 壓桿混凝土存在銹脹微裂縫，當(dāng)裂縫出現(xiàn)致 使混凝土表面應(yīng)力釋放，本應(yīng)出現(xiàn)較大應(yīng)變 的部位產(chǎn)生較小的應(yīng)變。2.2.4各級(jí)荷載下沿寬度方向橫向應(yīng)變分析 120- 100-80- 豈60 怒40-20-20 0kn 00kn 亠 200kn 十 300kn y 400kn+ 500kn 600kn 700kn 800kn 852kn0100200300400距屮心軸線距離/mm(a) bss2-1200-150-

18、74; 5(p0-5050100 150 200 250 300 350 400距中心軸線距離/mm- 0kn 700kn f-100kn * 750kn 亠 200kn * 800kn 300kn 850kn + 400kn - 900kn 亠 500kn950kny- 600kn(b) bss2-212010080-3 “200kn100kn 200kn 300kn 400kn 500kn 600kn 700kn 800kn0-200100200300400距壓桿軸線距離/mm(c) bss2-3圖13荷載-寬度方向橫向變形關(guān)系figl3 load lateral deformation

19、in width direction圖中可以看出，開始加載時(shí)在中間高度 處沿寬度方向上混凝土均為受拉狀態(tài)，且在 壓桿的豎向?qū)澐Q軸上受到的拉應(yīng)變最大，沿壓桿邊緣拉應(yīng)變逐漸減小，甚至在壓桿邊緣 出現(xiàn)壓應(yīng)變。隨著荷載值的增大，壓桿橫向 拉應(yīng)變?cè)龃?，?dāng)豎向?qū)ΨQ軸附近的拉應(yīng)變達(dá) 到混凝土極限拉應(yīng)變時(shí)出現(xiàn)豎向裂縫。因此, 瓶形壓桿中豎向裂縫在豎向?qū)ΨQ軸附近出 現(xiàn)，而在壓桿邊緣不出現(xiàn)豎向裂縫。相同配 筋形式，不同銹蝕率的壓桿，開始加載時(shí)壓 桿處于彈性階段，拉應(yīng)變近似相等；當(dāng)接近 開裂時(shí)，隨著銹蝕率的增大，沿寬度方向的 拉應(yīng)變減小。2. 3荷載-鋼筋應(yīng)變關(guān)系1400t1200-1000-1#2#3#4#5#-

20、20020040800-3菽 so。" 辺4000200400600800荷載/kn1000 1200 1400(a) bss2-1(b) bss2-2600500400300i200刮100-100-1# 2# 3” 4# v 5#-2000200 400 600 800 1000 1200 1400 1600荷載/kn(c) bss2-3圖14荷載-鋼筋應(yīng)變關(guān)系figl4 load reinforcement strain分析壓桿的荷載斜向鋼筋應(yīng)變關(guān)系時(shí), 只對(duì)1#5#鋼筋的應(yīng)變進(jìn)行分析，圖14可以 看出，初始加載吋荷載斜向鋼筋應(yīng)變關(guān)系 近似呈線性關(guān)系，且斜向鋼筋均受壓作用， 隨

21、著荷載值的增大鋼筋壓應(yīng)變?cè)龃?。?dāng)達(dá)到 試件的開裂荷載，試件出現(xiàn)裂縫，24#斜向 鋼筋出現(xiàn)受拉作用，而1#、5#鋼筋應(yīng)變依然 為受壓作用，且隨著荷載值的增大，壓應(yīng)變 增加。在壓桿中間高度上的3#鋼筋應(yīng)變對(duì)應(yīng) 的鋼筋拉應(yīng)變最大。當(dāng)開始加載至開裂時(shí)， 鋼筋的最大壓應(yīng)變?yōu)?00“£，說明開裂前， 斜向鋼筋的受壓作用不大，而當(dāng)裂縫出現(xiàn)時(shí) 鋼筋應(yīng)變發(fā)生突變。因此，可以得出開裂前 鋼筋對(duì)壓桿的承壓作用較小，而開裂后鋼筋 起到了明顯的受拉作用，斜向鋼筋可以有效 抑制壓桿裂縫開展與脆性破壞。隨著銹蝕率 的增大，斜向鋼筋的應(yīng)變減小，由于鋼筋銹 蝕后產(chǎn)生粘結(jié)滑移，銹蝕率越大粘結(jié)滑移越 明顯，鋼筋受力作用減

22、小。3破壞機(jī)理及破壞模式通過對(duì)瓶形壓桿試驗(yàn)全過程觀察，裂縫 出現(xiàn)、最終破壞形態(tài)等特點(diǎn)分析，可以得出 不同鋼筋銹蝕率的瓶形壓桿破壞模式。初始 裂縫在瓶形壓桿試件正反面中間高度附近 出現(xiàn)，裂縫方向近似平行于豎向?qū)ΨQ軸。隨 著荷載值的增加，屮間高度處的裂縫沿壓桿 的豎向?qū)ΨQ軸向頂血和底血局部受壓區(qū)延 伸，最終成為主裂縫，主裂縫方向幾乎與壓 桿的豎向?qū)ΨQ軸平行。在試件的頂部或底部一端裂縫貫穿，而 另一端接近局部受壓區(qū)的附近薄弱部位，豎 向裂縫不會(huì)直接延伸到試件的頂面或底面 局部受壓區(qū)，而是在局部受壓區(qū)附近時(shí)改變 了延伸方向，開始往節(jié)點(diǎn)區(qū)擴(kuò)散，試件的最 終破壞是由于接近壓桿頂面或底面的局部 受壓區(qū)混凝土

23、起皮、剝落，達(dá)到混凝土極限 壓應(yīng)變而壓碎。壓桿的破壞屬于典型的脆性 破壞，試件的開裂與破壞都伴有劇烈的轟鳴 聲，最終破壞模式示意見圖15所示。o至壓桿與節(jié)點(diǎn)界而圖15做形壓桿試件的破壞模式示意figl5 the failure mode of bottle-shaped strut4瓶形壓桿承載力建議計(jì)算式根據(jù)本文試驗(yàn)及文獻(xiàn)【】【】研究結(jié)果, 考慮瓶形壓桿承載力主要影響因素包括水 平鋼筋配筋率、鋼筋配筋角度、鋼筋銹蝕率、 混凝土強(qiáng)度,在aci318m-08及aashto lrfd-2007規(guī)范經(jīng)驗(yàn)公式基礎(chǔ)上提出考慮 鋼筋銹蝕后對(duì)壓桿承載力影響的計(jì)算式：尺=俠07；人+褊a/）（1）式屮：fns

24、為壓桿極限承載力；0為考慮鋼 筋銹蝕后承載力折減系數(shù)；0'為壓桿強(qiáng)度 有效系數(shù)，根據(jù)壓桿不同的類型和不同的配 筋形式確定取值；©為銹蝕鋼筋壓屈承載 力降低系數(shù)，由丁實(shí)測的鋼筋銹蝕后屈服強(qiáng) 度與未銹蝕的沒有太大影響，故傷二1.0。選取相關(guān)文獻(xiàn)試驗(yàn)數(shù)據(jù)5結(jié)論通過對(duì)三種不同銹蝕率下的瓶形壓桿 受力性能試驗(yàn)研究，得出了以下結(jié)論：1）瓶形壓桿的破壞屬于脆性破壞，隨 著銹蝕率的增大承載力明顯降低，相対于 bss2-l,bss2-2的極限承載力下降了 3.43%, bss2-3的極限承載力下降了 &57%。2）相同配筋形式的瓶形壓桿，隨著銹 蝕率的增大，同一荷載工況下沿高度方向豎 向應(yīng)變、橫向應(yīng)變、沿寬度方向豎向應(yīng)變、 橫向應(yīng)變均越大。3) 各瓶形壓桿的破壞模式相同。初始 裂縫在試件中i'可高度處豎向?qū)ΨQ軸附近出 現(xiàn)，隨荷載值的增加裂縫向頂面和底面局部 受壓區(qū)延伸，最終成為主裂縫，主裂縫近似 平行于壓桿的豎向?qū)ΨQ軸。在試件的一端豎 向裂縫直接貫穿整個(gè)截面，而另一端在局部 受壓區(qū)附近吋裂縫發(fā)展改變了方向，開始往 節(jié)點(diǎn)區(qū)擴(kuò)散。參考文獻(xiàn)1 vccchio f. j., collins m. p. the modifiedcompressi