反復荷載下銹蝕鋼筋混凝土構(gòu)件粘結(jié)滑移模型

1、.反復荷載下銹蝕鋼筋混凝土構(gòu)件粘結(jié)滑移模型第36卷第3期2010年6月四川建筑科學研究SichuanBuildingScience5反復荷載下銹蝕鋼筋混凝土構(gòu)件粘結(jié)滑移模型陳靜,劉西拉,黃良斌(1.南通大學建筑工程學院,江蘇南通226019;2.上海交通大學土木工程系,上海200240;3.南通紡織職業(yè)技術(shù)學院,江蘇南通226007)摘要:基于已有反復荷載下的粘結(jié)滑移模型,考慮銹蝕因素,建立了反復荷載下銹蝕鋼筋混凝土構(gòu)件粘結(jié)滑移模型.該模型考慮了銹蝕條件下粘結(jié)滑移的外包絡曲線,鋼筋與混凝土之間摩擦系數(shù)及粘結(jié)應力改變系數(shù)的變化,得到銹蝕后反復粘結(jié)滑移模型.將理論所得粘結(jié)滑移模型曲線及粘結(jié)退化率與

2、一些近年來的實驗數(shù)據(jù)進行比較,結(jié)果吻合較好.關(guān)鍵詞:銹蝕;反復荷載;粘結(jié);滑移;模型;混凝土中圖分類號:rU375.3文獻標識碼:A文章編號: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引言鋼筋銹蝕是鋼筋混凝土構(gòu)件的普遍現(xiàn)象,而考慮銹蝕鋼筋混凝土構(gòu)件在地震作用下的承載力計算,前提是建立銹蝕與反復荷載兩個因素共同作用下的粘結(jié)滑移本構(gòu)關(guān)系.反復荷載下加載的滯回特性決定了粘結(jié)滑移曲線的滯回特性,因此,反復荷載與單調(diào)加載時的粘結(jié)性能有著本質(zhì)的區(qū)別,在這方面國內(nèi)外已經(jīng)進行了一些研究4.研究結(jié)果表明,在反復荷載下,粘結(jié)性能表現(xiàn)出明顯的退化性,主要影響因素有:(1)加載的循環(huán)次數(shù);

6、(2)加載時控制位移的幅度.鋼筋的銹蝕也會對結(jié)構(gòu)的粘結(jié)性能產(chǎn)生影響,在銹蝕初期,微量銹蝕對粘結(jié)強度有一收稿日期:20o93_25作者簡介:陳靜(1977一),女,江蘇南通人,碩士,講師,主要從事結(jié)構(gòu)耐久性研究.基金項目:國家重點基礎研究發(fā)展規(guī)劃(973)項目(2002CB412709);南通大學自然科學基金項目(08Z036)Email:chen.j定的促進作用;但隨著銹蝕程度的進一步加深,當混凝土保護層出現(xiàn)劈裂裂縫后,粘結(jié)強度會逐漸退化嚴重.反復荷載與鋼筋銹蝕共同作用下混凝土粘結(jié)特性的已有研究十分有限u川,而且局限于試驗研究.因此,本文從反復荷載和銹蝕鋼筋兩個因素人手,運用文獻12反復荷載作

7、用下的粘結(jié)滑移關(guān)系模型和作者已經(jīng)建立的單調(diào)荷載下銹蝕鋼筋混凝土構(gòu)件粘結(jié)滑移模型HJ,考慮不同階段銹蝕對粘結(jié)影響的機理分析,從理論角度建立反復荷載作用下銹蝕鋼筋混凝土構(gòu)件的粘結(jié)滑移模型,并利用現(xiàn)有實驗來進行驗證.1反復荷載下銹蝕鋼筋混凝土粘結(jié)滑移模型首先,介紹文獻12的粘結(jié)滑移模型;其次,根據(jù)銹蝕的影響機理分析銹蝕對粘結(jié)滑移曲線各參數(shù)的影響,從而得到反復荷載下的銹蝕鋼筋混凝土構(gòu)件的粘結(jié)滑移模型.6四川建筑科學研究第36卷1.1文獻12的粘結(jié)滑移模型'文獻12通過35個變形鋼筋短埋長試件的拔出壓人試驗,研究了反復循環(huán)荷載下鋼筋與混凝土的局部粘結(jié)滑移關(guān)系,建立了如圖1所示的反復荷載作用下鋼筋

8、混凝土構(gòu)件的粘結(jié)滑移關(guān)系模型,該模型考慮的是未銹蝕鋼筋混凝土構(gòu)件.fJL【,ruB,l.:lliIO島J一J'C圖1文獻12粘結(jié)滑移關(guān)系曲線Fig.1Ref.12bond-sliprelationalcurve圖1所示的粘結(jié)滑移關(guān)系曲線包含兩部分:第一部分為粘結(jié)滑移曲線的外部包絡曲線部分,圖中反映為曲線OAUR;第二部分為粘結(jié)滑移滯回曲線部分,一次循環(huán)可以看作一個曲線回路,如:OABCABC.CDEFD|EF|.粘結(jié)滑移曲線的外部包絡曲線OAUR的表達式為:r=7-(S/S)(SS)=7-一(ss)(S<SS)(1)l丁:1.5N/mmz(s>s)式中為極限

9、粘結(jié)應力;S對應為時的滑移值;為下降段UR的剛度;為R處的殘余粘結(jié)應力;s對應為點的滑移值.第一循環(huán)曲線回路OABCAB代表第一次加載至給定滑移值S(S)的粘結(jié)滑移關(guān)系曲線.rB=一frA(2)SB=SA一(A一B)/(3)式中7IA由已知可以根據(jù)外部包絡曲線表達式得到;or為摩擦粘結(jié)應力系數(shù),取為0.12;為卸載剛度,取=295N/ram;反向加載部分與正向加載部分曲線沿原點對稱.第二循環(huán)回路CDEFDEF及后續(xù)循環(huán)中的粘結(jié)滑移關(guān)系為:丁D=drA(4)SD=SA一(rArD)/(5)=1一,/N/45(6)式中為粘結(jié)應力改變系數(shù);為荷載的循環(huán)次數(shù);反向加載部分與正向加載部分曲線沿原點對稱.

10、1.2銹蝕對反復粘結(jié)滑移模型的影響由于銹蝕的影響會使反復粘結(jié)滑移模型尤其是外部包絡曲線,鋼筋與混凝土之間的摩擦粘結(jié)系數(shù)發(fā)生較大的變化,因此,本文通過外部包絡曲線的變化,摩擦粘結(jié)應力系數(shù)的變化,粘結(jié)應力退化系數(shù)的變化及銹蝕條件下的不變量這幾個方面,來建立銹蝕條件下的反復粘結(jié)滑移模型.1.2.1外部包絡曲線的變化已有反復粘結(jié)滑移關(guān)系研究表明,當滑移控制值不是過大,且循環(huán)次數(shù)較少的情況下,粘結(jié)滑移曲線的外部包絡曲線可以近似看成單調(diào)加載時的粘結(jié)滑移曲線,不考慮單調(diào)加載時外包絡曲線的退化引,因此,可以用單調(diào)荷載下銹蝕粘結(jié)滑移曲線代替反復加載下銹蝕粘結(jié)滑移曲線的外部包絡曲線.作者前期已對單調(diào)荷載下的銹蝕鋼

11、筋混凝土構(gòu)件的粘結(jié)滑移本構(gòu)關(guān)系進行了深人研究l1¨J,因此粘結(jié)滑移曲線包絡線OAUR部分,可采用前期研究的單調(diào)加載銹蝕鋼筋混凝土構(gòu)件粘結(jié)滑移模.1.2.2摩擦粘結(jié)應力系數(shù)的變化銹蝕條件下,鋼筋與混凝土之間的摩擦粘結(jié)系數(shù)發(fā)生較大改變,因此,所建模型需考慮其變化.當荷載卸載后,進入摩擦階段,如第一,二循環(huán)中的BC和EF段,該部分粘結(jié)應力大小主要取決于鋼筋與混凝土之間摩擦力的大小,因此,需采用銹蝕條件下的值.已有實驗結(jié)果表明,摩擦粘結(jié)應力系數(shù)在微銹蝕時有所增加,在嚴重銹蝕時減小.摩擦粘結(jié)應力系數(shù)Ot大小主要體現(xiàn)為鋼筋與混凝土之間的握裹力,鋼筋銹蝕后,用銹脹壓應力P來表示鋼筋與混凝土之間的握

12、裹力,則:n,f=0.12×(7)PLu,式中P(),P.(0)分別表示銹蝕深度為和0時的銹脹壓應力,具體計算見文獻14.鋼筋銹蝕較小時,由于銹蝕產(chǎn)物體積的膨脹,鋼筋與混凝土之間的銹脹壓應力增大,從而使得增大;當銹蝕程度加深,使得混凝土保護層銹脹開裂后,則鋼筋對混凝土的銹脹壓應力會顯著減小,從而摩擦粘結(jié)應力系數(shù)嘶也會出現(xiàn)較大幅度的降低.1.2.3粘結(jié)應力改變系數(shù)的變化粘結(jié)應力改變系數(shù),在文獻12的模型中,考慮了循環(huán)次數(shù)的影響,取為=1一(8)而在某些情況下,不僅考慮循環(huán)次數(shù)的影響,而且考慮加載時的控制位移幅度的影響,因此,根據(jù)文獻4的實驗研究,取粘結(jié)改變系數(shù)為:2010No.3陳靜,

13、等:反復荷載下銹蝕鋼筋混凝土構(gòu)件粘結(jié)滑移模型7f1d:I上一L1.23990.9988e一.?一1七0.5,×,(0.84930.8218e-.刪2Scon)_1【1+1.0346(1一e一'鹋con)卯=TI(9)式中J7v為循環(huán)次數(shù);S.為加載時控制位移幅度.1.2.4銹蝕條件下的不變量文獻11實驗發(fā)現(xiàn),反復加載過程中卸載時主要表現(xiàn)為鋼筋變形肋與肋前混凝土的脫離,鋼筋變形肋對肋前混凝土的作用近似彈性恢復,擠壓力消除在極小滑移下完成,不同銹蝕率的卸載剛度直線斜率變化不明顯,所以,卸載剛度仍然取為295N/mm.為了使模型建立更加簡單,仍然假定正,反向粘結(jié)滑移曲線反向?qū)ΨQ,即

14、粘結(jié)滑移曲線沿原點對稱,在文獻12,16中均有此假定.2實驗驗證2.1模型的實驗驗證文獻4實驗,試件尺寸為154mm×154mm×188mm,混凝土強度為50MPa,直徑22I/ira的級鋼筋,箍筋為直徑6mm,間距40IBm的I級鋼筋,混凝土立方體抗壓強度為50MPa,混凝土保護層厚度為66mm,該混凝土為摻入鋼纖維的高性能混凝土,對該試件進行中心拔出等幅反復加載實驗.取該實驗中加載幅度分別為1mm和4.5mm的反復荷載下的粘結(jié)滑移.一s曲線,為了能夠更清楚地反映曲線特點,其中加載幅度為1mm粘結(jié)滑移rs曲線取第1,2,10個循環(huán)的曲線,加載幅度為4.5m/1的粘結(jié)滑移r

15、s曲線取第l,2,5個循環(huán)的曲線.根據(jù)上一節(jié)建立的反復荷載下銹蝕粘結(jié)滑移模型得到的理論反復荷載下銹蝕鋼筋混凝土粘結(jié)滑移丁一s曲線,并與實驗所得粘結(jié)滑移一s曲線結(jié)果比較,如圖2,3所示.通過理論建立的模型與實驗結(jié)果對比可知,粘結(jié)滑移曲線基本吻合,但也存在一些區(qū)別:(1)理論模型中假定正,反加載曲線沿原點對稱,這與實驗中反向加載時的最大粘結(jié)應力值略小于正向加載的值有所差別.(2)理論模型中假定了摩擦水平階段完全彈性恢復,摩擦滑移到原點,而實驗中由于塑性變形的存在,因此變形不能夠完全彈性恢復到最初的原點,因此,兩者曲線在摩擦水平階段略有不同.(3)實驗采用的是加入鋼纖維的高性能混凝土,而理論模型中沒

16、有考慮鋼纖維的加入對粘結(jié)強度的略微提高作用,所以也使得結(jié)果稍有區(qū)別.以上區(qū)別對于與粘結(jié)相關(guān)的各種分析計算是否有重大影響,有待今后進一步的研究.圖2反復荷載粘結(jié)滑移曲線與文獻4比較(加載控制位移為1Him)Fig.2Comparisonoftheoreticalbond-slipcurveundercyclicloadingwithRef.4】(Displacementcontrol1mm)皇惻姆撂圖3反復荷載粘結(jié)滑移曲線與文獻4】比較(加載控制位移為4.5mm)Fig.3Comparisonoftheb0nd-slipcurveundercyclicloadingwithRef.4(Displ

17、acementcontrol4.5am)2.2粘結(jié)退化率A的實驗驗證文獻10實驗的試件尺寸為140nlln×140mm×180mm,混凝土立方體抗壓強度為56.2MPa,直徑20mm的級鋼筋,箍筋為直徑6mm,間距40mm的I級鋼筋,快速通電腐蝕后,進行中心拔出等幅反復加載實驗.根據(jù)已建反復荷載下銹蝕粘結(jié)滑移模型,得到反復荷載下銹蝕鋼筋混凝土粘結(jié)滑移丁一s理論曲線,并與實驗加載控制位移為lmm,銹蝕率為0.38%的粘結(jié)滑移rs曲線比較.為了能夠更清晰地顯示曲線的比較結(jié)果,理論與實驗粘結(jié)滑移曲線均只取了第1,2,3,4,5,1O次循環(huán),比較結(jié)果如圖4所示.根據(jù)已經(jīng)得到的反復荷

18、載下銹蝕鋼筋混凝土構(gòu)件粘結(jié)滑移曲線,可以求得第次循環(huán)的最大粘結(jié)力(),并與第1次循環(huán)的最大粘結(jié)力r(1)進行比較,得到不同銹蝕率下隨循環(huán)次數(shù)改變的粘結(jié)退化率A=1一()/r(1).現(xiàn)將理論求得8四川建筑科學研究第36卷圖4反復荷載銹蝕粘結(jié)滑移曲線與文獻10比較(加載控制位移為1mm;銹蝕率為0.38%)g.4Comparisonofthecorrodedbond-slipcurveun.dercyclicloadingwithRef.10(Displacementcontrol1lnlll:O.38%corrosion)的粘結(jié)退化率A與文獻1O實驗所得結(jié)果比較見表1.表1粘結(jié)退化率A理論計算與

19、文獻10的比較Table1ComparisonoftheoreticalbonddegradationrateAthReL10.,實驗結(jié)果計算結(jié)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實驗結(jié)果/計算結(jié)果均值為:1.045標準差:0.253注:(1)以上百分比數(shù)值表示為鋼筋銹蝕率;(2)表示循環(huán)次數(shù).如表l,將粘結(jié)退化率的理論計算與實驗結(jié)果比較得到粘結(jié)退化的趨勢一致為:(1)某銹蝕率的列中,隨著循環(huán)次數(shù)的增加,粘

21、結(jié)退化率數(shù)值逐漸增加,即隨著循環(huán)次數(shù)的增加,粘結(jié)退化越來越嚴重;(2)對同一循環(huán)次數(shù)的行進行比較,粘結(jié)退化率隨著銹蝕率呈現(xiàn)先減小后增加的趨勢,即在微銹時,粘結(jié)強度退化減弱,而后,隨著銹蝕程度的進一步加深,粘結(jié)退化程度又逐漸增強.3結(jié)論(1)在文獻12反復荷載下粘結(jié)滑移模型的基礎上,考慮鋼筋銹蝕后粘結(jié)滑移曲線中外包絡曲線與鋼筋及混凝土之間的摩擦力系數(shù)發(fā)生的改變,得到銹蝕下的反復粘結(jié)滑移模型.并將所建模型曲線和粘結(jié)退化率分別與已有實驗進行驗證,與實驗結(jié)果吻合較好.該模型可以用于地震作用下的銹蝕鋼筋混凝土構(gòu)件承載力的計算與非線性有限元的分析.(2)在反復荷載與銹蝕共同作用下,雖然微銹蝕對粘結(jié)有一定的

22、促進作用,但是粘結(jié)強度在兩個因素共同作用下,整體表現(xiàn)為粘結(jié)退化,而微銹蝕較未銹蝕時的粘結(jié)退化趨勢有所減弱.(3)理論模型得到粘結(jié)與反復加載的關(guān)系為:隨著循環(huán)次數(shù)的增加,粘結(jié)強度逐漸退化,但在少量幾次循環(huán)后,粘結(jié)退化逐漸趨于穩(wěn)定,這一結(jié)論與實驗結(jié)果完全一致.(4)理論模型得到粘結(jié)退化率與銹蝕的關(guān)系為:由于銹脹壓應力對不同銹蝕程度的影響不同,粘結(jié)退化率隨著鋼筋銹蝕率的遞增而呈現(xiàn)先減小后增大的趨勢,在這點上也是與實驗結(jié)果相符合的.參考文獻: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.低周反復荷載作用下月牙鋼筋粘結(jié)性能實驗研究J.西安治金建筑學院,1986,45(1):919.4章萍.反復荷載下鋼筋與高性能混凝土粘結(jié)本構(gòu)關(guān)系的試驗研究D.上海:同濟大學,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,賈福萍.銹蝕鋼筋混凝