鋼筋銹蝕是鋼筋混凝土（Reinforced Concrete, RC）結(jié)構(gòu)最主要的劣化因素，銹蝕不但減小鋼筋截面積，而且生成膨脹性銹蝕產(chǎn)物導(dǎo)致混凝土保護(hù)層脹裂，改變鋼筋混凝土粘結(jié)性能。良好的粘結(jié)是鋼筋混凝土協(xié)同工作的基礎(chǔ)，因此明晰銹蝕鋼筋混凝土的粘結(jié)-滑移關(guān)系對(duì)腐蝕RC構(gòu)件/結(jié)構(gòu)性能評(píng)估至關(guān)重要。

近日，河海大學(xué)港航院俞小彤博士與瑞典查爾姆斯理工大學(xué)（Chalmers University of Technology）Karin Lundgren教授團(tuán)隊(duì)共同開(kāi)展自然腐蝕條件下RC梁內(nèi)鋼筋粘結(jié)-滑移關(guān)系的研究，并取得突破性進(jìn)展。

以往，學(xué)者們大多對(duì)鋼筋進(jìn)行加速銹蝕，隨后開(kāi)展拉拔試驗(yàn)，分析不同銹蝕程度的鋼筋與混凝土的粘結(jié)-滑移關(guān)系。然而實(shí)驗(yàn)室加速銹蝕的研究結(jié)果能否預(yù)測(cè)自然腐蝕條件下鋼筋混凝土粘結(jié)特性尚存爭(zhēng)議。在RC構(gòu)件/結(jié)構(gòu)承載過(guò)程中，鋼筋屈服后由于泊松效應(yīng)會(huì)發(fā)生環(huán)向頸縮，大大降低粘結(jié)力，該現(xiàn)象難以在常規(guī)的拉拔試驗(yàn)中反映。盡管腐蝕RC梁、柱等構(gòu)件承載性能演化有大量研究，但由于缺乏精細(xì)的測(cè)量手段，未能深入認(rèn)識(shí)構(gòu)件內(nèi)部鋼筋的行為發(fā)展，缺少鋼筋粘結(jié)-滑移關(guān)系的反演分析方法。

俞小彤博士與Karin Lundgren教授團(tuán)隊(duì)依托瑞典一座服役80年的RC橋梁（Gullsp?ng Bridge），現(xiàn)場(chǎng)選取橋梁的邊梁進(jìn)行三點(diǎn)彎曲等試驗(yàn)，分析荷載-撓度曲線(xiàn)、鋼筋銹蝕與屈服形態(tài)。研究發(fā)現(xiàn)自然腐蝕RC梁極限撓度由端部粘結(jié)性能決定，鋼筋屈服具有不對(duì)稱(chēng)性（圖1），并提出了不對(duì)稱(chēng)因子（a=Δl/0.5l）量化不對(duì)稱(chēng)程度。

圖1 不對(duì)稱(chēng)的鋼筋屈服

采用DIANA有限元軟件對(duì)試驗(yàn)梁的受彎過(guò)程進(jìn)行非線(xiàn)性分析，為了反映屈服對(duì)粘結(jié)的影響，創(chuàng)新性地賦予鋼筋屈服段與未屈服段2類(lèi)粘結(jié)-滑移本構(gòu)形式（圖2），準(zhǔn)確地再現(xiàn)了試驗(yàn)梁的抗彎承載特性，包括荷載-撓度曲線(xiàn)、開(kāi)裂模式與寬度、鋼筋屈服位置與長(zhǎng)度（圖3）。在此基礎(chǔ)上，對(duì)9個(gè)粘結(jié)-滑移參數(shù)的敏感性及在反演過(guò)程中的確定方法進(jìn)行研究，提出了RC梁內(nèi)鋼筋粘結(jié)-滑移關(guān)系的反演方法。

（a）未屈服段 （b）屈服段

圖2 RC梁內(nèi)鋼筋粘結(jié)-滑移本構(gòu)形式

（1）荷載-撓度曲線(xiàn)對(duì)比

（a）試驗(yàn)梁外側(cè)面 （digital image correlation 測(cè)量） （b）試驗(yàn)梁內(nèi)側(cè)面 

（c）模擬梁外側(cè)面 （d）模擬梁內(nèi)側(cè)面

（2）試驗(yàn)梁與模擬梁開(kāi)裂模式與寬度對(duì)比

（3）鋼筋屈服位置與長(zhǎng)度對(duì)比（黑色虛線(xiàn)為鋼筋實(shí)測(cè)屈服位置，綠色虛線(xiàn)為鋼筋屈服應(yīng)力）

圖3 模擬梁準(zhǔn)確再現(xiàn)試驗(yàn)梁彎曲特性

為探明腐蝕梁表觀損傷程度，鋼筋銹蝕程度、澆筑位置對(duì)自然腐蝕鋼筋粘結(jié)性能的影響，根據(jù)提出的反演分析方法，確定9根試驗(yàn)梁中共18根受拉鋼筋的粘結(jié)-滑移關(guān)系并分析（圖4）。對(duì)于鋼筋未屈服部位，粘結(jié)強(qiáng)度越高，相應(yīng)的殘余粘結(jié)強(qiáng)度也越高，但滑移平臺(tái)長(zhǎng)度減小。保護(hù)層混凝土剝落損傷會(huì)降低殘余粘結(jié)強(qiáng)度，而開(kāi)裂損傷幾乎無(wú)影響。

最有趣的發(fā)現(xiàn)是，不對(duì)稱(chēng)的鋼筋屈服會(huì)導(dǎo)致一端的粘結(jié)長(zhǎng)度顯著減小，決定了RC梁極限承載能力。為節(jié)約計(jì)算時(shí)間，許多研究基于對(duì)稱(chēng)性假定僅模擬半梁，但這會(huì)高估粘結(jié)長(zhǎng)度，導(dǎo)致粘結(jié)失效破壞提前發(fā)生，因此不對(duì)稱(chēng)的鋼筋屈服在RC結(jié)構(gòu)承載分析中需要更多關(guān)注。

（a）頂部澆筑，未銹蝕 （b）頂部澆筑，銹蝕

（c）底部澆筑，未銹蝕 （d）底部澆筑，銹蝕

圖4 混凝土梁內(nèi)鋼筋粘結(jié)-滑移關(guān)系 （虛線(xiàn)為試驗(yàn)加載中鋼筋未屈服，數(shù)字為實(shí)測(cè)的鋼筋銹蝕率）

該研究工作由中國(guó)中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)項(xiàng)目、瑞典科學(xué)研究委員會(huì)、瑞典交通部等提供經(jīng)費(fèi)支持。相關(guān)成果以“Numerical assessment of bond-slip relationships for naturally corroded plain reinforcement bars in concrete beams”為題于近期發(fā)表于《Engineering Structures》。論文第一單位是河海大學(xué)港口海岸與近海工程學(xué)院。第一作者是俞小彤博士，其所在的近海工程鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)腐蝕防護(hù)與修復(fù)技術(shù)團(tuán)隊(duì)是江蘇省“六大人才高峰”創(chuàng)新人才團(tuán)隊(duì)，長(zhǎng)期致力于海洋環(huán)境腐蝕機(jī)制、鋼筋混凝土材料/構(gòu)件性能劣化、結(jié)構(gòu)高效修復(fù)技術(shù)等研究。

論文DOI：10.1016/j.engstruct.2021.112309

論文網(wǎng)址：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0141029621004594