锈蚀变形钢筋与砼的粘结性能研究

锈蚀变形钢筋与砼的粘结性能研究

袁钰1

重庆交通大学

摘要：钢筋与混凝土间的粘结强度及粘结滑移本构关系是钢筋混凝土结构承载力和变形计算的重要依据。构筑物中钢筋的锈蚀将使钢筋、混凝土的力学性能以及二者之间的粘结作用降低，危害结构安全。因此，结合既有钢筋混凝土结构的实际工作状态，对锈蚀钢筋与混凝土在不同加载速率下的粘结破坏过程进行研究，对结构抗震性能评估及震后结构的维护和加固具有重要的理论意义和工程应用价值。

关键词：粘结性能；锈蚀钢筋；反复荷载；

1 研究背景

钢筋与混凝土间的粘结性能不仅关系到结构的安全，而且其本构关系还是码头等钢筋混凝土结构进行理论和数值分析的必要条件[1]。钢筋混凝土结构在服役期间，不仅要承受静荷载的作用，而且还可能遭受地震等动荷载的影响[2]。当锈蚀钢筋混凝土结构受到地震荷载作用时，钢筋与混凝土间的粘结性能在荷载的拉压反复作用下逐渐退化，导致钢筋混凝土间的粘结应力还未达到粘结强度，就因钢筋横肋间混凝土齿的挤压剪切破裂而提前发生破坏[3]。虽然目前对反复荷载作用下钢筋与混凝土的粘结性能有了很深入的研究和分析，但是对钢筋锈蚀状态下的混凝土粘结性能还不够完整。

因此，结合混凝土结构的实际工作状态，研究锈蚀钢筋周围混凝土内的侧向压力对反复荷载下钢筋混凝土粘结性能的影响，为实际工程中的变形计算以及设计规范的进一步完善提供试验参考和理论依据具有重要意义。

2 锈蚀钢筋与混凝土粘结性能研究

当钢筋发生锈蚀后，锈胀力对混凝土保护层作用力主要表现为径向挤压力和环向拉应力，其力学模型可以简化为受内压力的厚壁混凝土圆柱筒。当锈胀力较小，混凝土保护层厚度内未产生锈胀裂缝时，可将保护层视为均匀弹性体。当锈胀力引起的环向拉应力大于混凝土抗拉强度时，混凝土内出现锈胀裂缝。Tepfers[4]研究发现混凝土保护层的挤压开裂是一个渐近的过程，保护层的起裂并不意味着承载力的完全丧失，还应考虑裂缝间粘聚力的阻裂作用。因此，大量学者在Tepfers[4]模型上引入虚拟裂缝模型来分析锈蚀钢筋与混凝土间的锈胀应力，对混凝土保护层内沿半径方向的应力建立平衡条件，得到钢筋与混凝土界面的内胀力与裂缝扩展长度的关系。由上分析可知，对锈蚀钢筋与混凝土粘结强度分析模型的研究比较完善，而合理构建粘结强度计算模型的关键在于对钢筋与混凝土粘结应力各组成部分的量化分析。

3 研究现状总结及研究的必要性

通过分析总结在不同加载速率下锈蚀钢筋与混凝土间粘结性能的研究成果，发现目前的研究主要存在以下不足[5,6]：

（1）加载速率对锈蚀钢筋粘结破坏模式和粘结参数影响规律的试验研究有待完善。目前对该方面的试验研究定性分析较多，定量分析较少。因此，有必要系统开展不同加载速率和锈蚀率共同作用下钢筋与混凝土的粘结试验研究。

(2) 加载速率对锈蚀钢筋与混凝土粘结作用机理亟待明确。有必要需借助相应的试验和观测手段并结合相应的理论分析对粘结损伤机制进行研究，并对钢筋锈蚀和加载速率所造成的粘结界面的损伤进行量化分析。

（3）不同加载速率下锈蚀钢筋与混凝土粘结强度分析模型和粘结滑移本构关系尚不完善。有必要基于粘结界面细观破坏过程，采用相应的理论分析手段，建立相应条件下的粘结强度分析模型及粘结滑移本构关系从而应用于既有钢筋混凝土结构分析计算中。

参考文献：

[ 1 ] Andrade C, Alonso C, Molina F. Cover cracking as a function of bar corrosion: part I-experimental test. Materials and Structures, 1993, 26(8):453-464.

[ 2 ] 王雪松. 荷载与环境作用下钢筋混凝土锈蚀粘结力及锈胀开裂研究[D]. 浙江：浙江大学，2013.

[ 3 ] Li B, Park R, Tanaka H. Constitutive behavior of high strength concrete under dynamic loads [J]. ACI Structural Journal, 2000, 97(4):619-629.

[ 4 ] Tepfers R. Cracking of concrete cover along anchored deformed reinforcing bars[J]. Magazine of Concrete Research, 1979, 31(106), 3-12.

[ 5 ] 孙杨，乔国富，锈蚀钢筋与混凝土粘结性能研究综述[J],材料导报，2020,34(03).

[ 6 ] 沙爽. 钢筋-混凝土粘结滑移精细化数值模型研究[D].大连：大连理工大学，2019.