高德軍 耿明洋 王 青 趙 娟

(1.三峽大學 湖北省防災減災重點實驗室，湖北 宜昌 443002; 2.三峽大學 土木與建筑學院，湖北 宜昌 443002)

鋼筋銹蝕是導致混凝土結構耐久性不足的主要因素[1]．目前對銹蝕鋼筋混凝土結構抗力性能的研究，從材料或構件層面主要集中在單調加載或疲勞受力方面[2-7]，鮮有關于銹蝕鋼筋混凝土構件受力屈服后二次抗力性能的研究，而這是合理評估銹蝕結構在地震、爆炸等偶然工況作用后承受余震、二次爆炸等作用能力的基礎．為此，本文從材料性能入手，就坑蝕鋼筋屈服后二次受力特性進行探討，旨在為在役銹蝕混凝土結構抗力性能評估提供參考．

1 試驗設計

混凝土中鋼筋的銹蝕往往是從局部點蝕坑開始不斷發(fā)展擴大的，這些點蝕坑的存在將造成鋼筋在受力狀態(tài)下蝕坑周圍的應力集中，導致鋼筋受力性能的退化．鋼筋銹蝕后，經檢測，鋼筋的芯部和邊緣的金相組織變化并不明顯，鋼筋表面的微坑蝕和截面損失是導致鋼筋力學性能退化的主要原因[8-11]．袁迎曙[10]等從現場采樣、試驗室加速模擬腐蝕及人工模擬制作坑蝕試件3個途徑獲取試件，獲得了基本相同的銹蝕鋼筋力學性能退化規(guī)律；王巧平[12]等針對不同銹蝕缺損狀態(tài)鋼筋進行切割數字化模擬試驗與實際銹蝕鋼筋拉伸試驗結果進行對比，進一步驗證了人工切割法模擬坑蝕的可行性與合理性．另有學者[8，11]通過試驗及仿真分析發(fā)現：坑蝕深度是影響銹蝕鋼筋力學性能的主要原因，坑蝕寬度和長度則影響較?。疄榇耍疚牟捎脵C械制缺方式模擬自然環(huán)境中鋼筋不同程度的坑蝕，研究坑蝕深度、時效特性等對鋼筋二次受力力學性能的影響規(guī)律．

1.1 試件制作

試驗鋼筋為HRB400直徑12 mm的帶肋鋼筋，試樣長300 mm，共48根．根據鋼筋的銹蝕率與最大銹蝕深度一定概率下的估計和分析[13]，得到不同銹蝕率下的坑蝕深度，本文以5%、10%、15%三種銹蝕率對鋼筋擬定3個坑蝕深度分別為0.6 mm、1.3 mm及1.9 mm．為了保證鋼筋坑蝕深度精確可控，采用機械制缺的方式模擬鋼筋銹蝕，即采用數字激光切割機在鋼筋表面垂直軸向切出不同深度的缺口以模擬銹坑，如圖1所示，缺口處橫截面如圖2所示．

圖1 制缺鋼筋試樣

圖2 缺口處橫截面示意圖

1.2 試驗方案

為了全面探究坑蝕鋼筋二次受力下的力學性能演化規(guī)律，設置了兩組試驗工況，分別為坑蝕深度影響組和時效影響組，見表1～2．

表1 坑蝕深度影響組

表2 時效影響組

注：Py、Pu分別為鋼筋屈服強度與極限強度.

將編號后的鋼筋每隔10 mm進行打點，并將引伸計(YYU系列50/20，標距50 mm，變形量25 mm，用于測量變形量)按要求捆綁在鋼筋的中間，在WAW-Y1000C電液伺服萬能試驗機上按《金屬室溫拉伸試驗方法》進行鋼筋的一次和二次伸試驗．時效鋼筋在一次拉伸至強化段后卸載取下，放置室溫為20℃的實驗室中1、3、7，25 d后再進行二次拉伸試驗．

2 試驗結果與分析

2.1 試驗結果

各組鋼筋一次和二次拉伸試驗結果見表3～4．

2.2 坑蝕對鋼筋二次受力強度的影響

由表4可知：若以受拉時的屈服、極限荷載與鋼筋原截面積之比表征名義屈服強度、名義極限強度；以屈服、極限荷載與鋼筋銹蝕后的有效截面積之比表征實際屈服強度、實際極限強度，則隨坑蝕深度增加，坑蝕鋼筋一次或二次受力時的名義屈服強度和名義極限強度較完好鋼筋均有減小，但坑蝕截面的實際屈服強度和實際極限強度卻有增加．

表3 不考慮時效情況下坑蝕鋼筋二次拉伸試驗結果

注：A為一次受力鋼筋，B為二次受力鋼筋.

表4 考慮時效情況下坑蝕鋼筋二次拉伸試驗結果

注：C為完好鋼筋，D為坑蝕鋼筋.

進一步分析可知，隨著坑蝕深度的增加，二次受力下鋼筋的極限強度變化規(guī)律與一次受力時相似，如圖3所示；但名義、實際屈服強度均高于一次受力，二次受力名義屈服強度受坑蝕深度的影響不明顯，如圖4所示；究其原因是由于冷拉效應導致鋼筋屈服強度近似取二次加載曲線直線段的最大應力值的緣故，該值顯然不低于鋼筋一次受力時的屈服強度．

圖3 鋼筋極限強度與坑蝕深度的關系

圖4 鋼筋屈服強度與坑蝕深度的關系

2.3 時效對鋼筋二次受力強度的影響

考慮到鋼筋冷拉具有時效硬化的特征，為此將相同卸載水平的坑蝕鋼筋分別放置1、3、7，25 d后再進行二次加載，結果表明：對于拉伸至強化段后卸載的坑蝕和完好鋼筋，放置1、3、7 d后二次受力時均無明顯的屈服平臺，但放置25 d后，二次受力時會重新出現屈服平臺，且屈服荷載超過卸載值，屈服強度提高，如圖5所示，但對極限強度無明顯影響，表明相同環(huán)境下鋼筋產生時效硬化的時間與坑蝕程度無關．

圖5 不同時長下荷載-變形曲線

2.4 坑蝕鋼筋二次受力伸長率的變化規(guī)律

鋼筋伸長率與坑蝕深度及時效的關系，如圖6所示．

圖6 坑蝕深度、時效與鋼筋伸長率間的關系

由圖6可見：1)坑蝕鋼筋一次或二次受力時斷后伸長率隨坑蝕深度的增加呈明顯下降趨勢，但二次受力鋼筋伸長率比一次下降幅度更大；2)在同一銹蝕深度且同一卸載水平時，鋼筋斷后伸長率隨時效天數的增加也呈現出下降趨勢，但下降幅度不大．綜上所述，坑蝕鋼筋二次受力斷后伸長率隨坑蝕深度、時長的增加而減小，即鋼筋的延性減?。?/p>

3 結 語

通過機械制缺模擬鋼筋坑蝕不同程度，研究了坑蝕鋼筋二次受力力學性能的影響規(guī)律．

1)坑蝕鋼筋二次受力時隨坑蝕深度增加鋼筋的名義抗拉強度降低，但實際抗拉強度并不降低，甚至稍有提高；相對于一次受力，二次受力下的屈服強度均高于一次受力，極限強度相差不大．

2)坑蝕鋼筋二次受力時所表現的受力特征與完好鋼筋冷拉特性基本相同：若在進入強化段后卸載，二次拉伸時將不會出現屈服平臺；但放置25 d后坑蝕鋼筋二次受力時會重新出現屈服平臺，且屈服荷載超過卸載值，屈服強度提高．即常溫下25 d后表現出時效，該時效硬化的時長與坑蝕程度無明顯關系．

3)坑蝕鋼筋二次受力伸長率隨坑蝕深度以及時長的增加而減小，坑蝕深度對二次受力下鋼筋伸長率的影響更加明顯，表明坑蝕深度是導致銹蝕鋼筋二次受力伸長率減小的主要原因．