锈蚀钢筋有什么特性？低周等幅往复作用很大，受力性能又是如何

1.1 研究背景及意义

钢筋混凝土结构因其原材料来源广泛、造价适中、施工方便、整体性好，是目前建筑工程领域应用最广泛的结构方法。 然而，它也存在各种缺点。 在使用过程中，加筋絮凝土结构会受到人为或自然诱因的影响。

随着时间的推移，它会逐渐损坏、老化，甚至失效。 长期以来，土木工程领域的研究重点仍然集中在拟建结构的方法和理论上，而缺乏对既有结构耐久性的研究。 结构耐久性是指设计所要求的目标使用寿命。

无需花费大量资金进行加固处理即可保持其安全性、功能性和外观要求。 钢筋混凝土结构的耐久性是指结构在使用过程中，不受内部或外部、自然或人为激励的强烈影响，仍能保持其工作能力的性能。

众所周知，结构的耐久性直接关系到钢筋混凝土结构的使用寿命。 从大量的工程实例和试验研究发现，钢筋混凝土结构在一定的环境条件下会受到化学和物理侵蚀，导致钢筋生锈、混凝土脱落，严重缺乏耐久性。结构。

梅塔院士曾在《混凝土耐久性进展1156》报告中指出：“当今世界混凝土损坏的原因按重要性由高到低依次为钢筋生锈、冻害、物理物理效应”。 因此，钢筋锈蚀是混凝土损坏的主要原因。

磨料的膨胀会导致混凝土沿钢筋方向脱落，使保护层开裂，更严重的是引起钢筋锈蚀断裂，导致混凝土结构整体破坏，从而严重影响混凝土结构的耐久性。

近十年来洪水频发（如1989年英国洛马普里塔洪水、1994年日本洛杉矶北岭洪水、1995年台湾版神洪水、1999年我国大陆洪水、2008年庐山洪水）洪水，以及2010年的洪水（湖南戈洛洪水和2013年的庐山洪水等）不仅造成了巨大的人员和财产损失。

但地震破坏的经验也表明，为抗震而设计的工程结构在洪水等情况下也遭到严重破坏，造成严重的经济损失和人员伤亡。 究其原因，一方面是现行地震规范和估算理论还存在不足； 另一方面，该结构不断被使用。

由于材料老化、不利环境、使用不当等原因，导致结构内部钢筋生锈，结构受到一定程度的损坏。 这些损伤的积累直接导致结构承载力的增加、耐久性的增加、抗震性能的下降。 我国也是洪涝多发地区，近年来发生了一系列洪涝灾害。

它警示人们，深入研究钢筋混凝土结构在使用过程中的抗震性能刻不容缓。 现实中，我们发现，建筑物在多年的使用过程中，在个别腐蚀介质的影响下，大多数钢筋混凝土预制构件都存在钢筋锈蚀、保护层剥落或裂纹等耐久性问题。

如果结构在后期洪水作用下承受变化的弯矩和挠度荷载。 这些往复动作会导致混凝土保护层爆裂、开裂，最终只剩下钢筋作为唯一的承重单元。 破坏发生。

近年来，洪水和干旱频发，亟待了解旧混凝土结构和耐久性下降的钢筋混凝土结构在腐蚀介质影响下的性能变化。 因此，有必要开展低周往复荷载作用下磨损钢筋的力学性能研究，为锈蚀钢筋结构的抗震性能评价提供理论依据。

1.2 国外研究机构现状

1.2.1 磨损钢筋的静态性能

1.2.1.1 加拿大磨损钢筋静态研究现状

国内外学者对钢筋锈蚀后的热性能，特别是混凝土的热性能进行了大量的研究，取得了很多具有参考价值的研究成果。 观点。 有学者认为，钢筋锈蚀后的硬度和脆性均呈现增加趋势。

也有少数学者认为磨损对钢筋的硬度没有显着影响。 对磨损钢筋的金相分析表明，自然腐蚀只会减少钢筋的有效截面积，而不会改变材料的化学性能。 2001年，Almusallam对嵌入混凝土中的半径为6毫米和12毫米的钢筋通电并加速生锈而获得的磨损试样进行了拉伸试验。

结果表明，随着磨损程度的降低，钢筋的实际拉伸硬度仅略有增加，但总屈服强度却显着下降。 2002 年，帕尔森和米尔扎对从一座废弃的钢筋混凝土桥上获得的磨损钢样本进行了拉伸试验。 结果表明：各试验组钢筋的平均名义屈服硬度和名义极限硬度几乎没有变化，但点蚀试验零件的屈服硬度略有下降。

随着磨损率的降低，整体磨损钢筋试件的脆性急剧增加。 2005 年，约翰·凯恩斯 (John Cairns) 等人。 通过实验和简化数值模型研究了自然磨损和模拟磨损两种磨损钢试件的力学性能，并使用带有多个凹槽的半球形铰刀在钢筋上钻孔模拟生锈。 坑法。

研究局部点蚀对钢筋性能的影响。 试验发现，极限硬度的降低与断面损失成正比，而屈服硬度的降低与断面损失不成正比。 2013 年，Raoul Francois 对从暴露于硫酸 27 年的磨损钢筋混凝土梁中获取的磨损钢筋样本进行了拉伸试验。

研究磨损对钢筋混凝土中钢筋热性能的影响。 结果表明，腐蚀程度对钢筋的热性能有显着影响，尤其是对极限挠度和应变影响较大，而所有磨损钢筋的实际屈服硬度几乎没有变化，但实际极限硬度却大大降低。 磨损是极限拉力增加的主要原因。

1.2.1.2 国外磨损钢筋静态研究现状

2003年，范英芳、周静等利用有限元数值模拟对钢筋局部磨损受力进行了分析。 研究表明，磨损坑周围存在明显的挠度集中现象，且当锈坑深度较浅时，钢筋的挠度分布相对均匀。 ，随着磨损坑深度的减小逐渐不均匀。

因此，点蚀深度是影响磨损钢筋硬度下降的主要因素，而点蚀长度对磨损钢筋硬度影响不大。 2005年，安林、欧阳等人。 采用电物理快速磨损的方法，对不同磨损程度的HRB335镀锌钢筋进行静态拉伸试验，其质量损失率分为0%~55个等级。

实验结果表明，磨损钢筋与未生锈钢筋的名义硬度之比受锈坑处挠度集中度影响较小； 磨损钢筋的伸长率随最大断面损失率的减小呈指数增加，且受挠度集中影响明显。

2006年，范英芳和张英姿研究了点蚀形状、点蚀位置、最深点蚀数量、最深点蚀深度和钢筋半径对钢筋热性能的敏感性。 结果表明，点蚀深度是引起磨损后钢筋热性能下降的最重要原因，其他原因的影响相对较小。

在相同磨损状态下，半径较小的钢筋的伸长硬度对点蚀更加敏感。 2008年，吴庆、袁英树等采用模拟人工气候环境加速钢筋生锈的方法，并对用这种腐蚀方法得到的磨损试样进行了拉伸试验。 测试结果表明：随着磨损程度逐渐减轻。

磨损的不均匀性和离散性减少，钢筋的屈服平台逐渐缩短，强强比变小。 并根据试验结果，构建了与磨损率相关的钢筋本构模型。 2012年，徐刚、刘德福等。 采用干湿循环法三年获得磨损试样。

对获得的214根磨损钢筋进行力学拉伸试验和模拟分析。 试验结果表明：当磨损程度较轻时，钢筋的名义硬度随着磨损率的减小而线性增加； 当磨损程度较大时，名义硬度、当量强度和脆性均随磨损率降低而增大。

随着磨损不均匀性的减小，钢筋的屈服平台缩短； 据悉，通过模拟和理论分析表明，缺口效应、附加偏心和有效截面减少是钢筋抗拉强度降低的主要原因； 附加剪切力是造成钢筋屈服平台缩短和消失的主要原因。

2014年，孙晓燕、朱建科等人基于电物理加速锈蚀试验，开展了腐蚀坑参数与热性能关系的研究。 研究表明：随着凹坑长度、深度和厚度的增加，磨损钢筋的屈服强度和硬度均呈现增大趋势。

对磨损钢筋热性能的影响程度为：腐蚀坑深度影响最大，长度次之，厚度影响最小。

1.2.2 钢筋的疲劳性能

疲劳是指在一个或多个点受到扰动偏转的材料中发生的局部、永久性结构变化的发展，并且在足够的循环扰动之后，产生裂纹或完全破裂。 当材料或结构承受反复载荷变化时，挠度值从未超过材料的硬度极限。

甚至低于弹性极限也可能发生失效。 材料或结构在反复交变载荷作用下的这些失效现象称为疲劳失效。 根据材料失效前经历的循环次数，疲劳可分为高周疲劳和低周疲劳。

不同的是，高周循环下，材料无塑性应变，应变较小，载荷循环次数高达数百万次，而低周循环下材料的应变较大，且负载循环次数较少，一般高于1000次。 根据加载循环中载荷幅值随时间的变化，疲劳可分为等幅疲劳、变幅疲劳和随机疲劳。

龚世宏等. 对HRB400钢筋进行低周疲劳试验，根据Basquin公式和Manson-Coffin公式拟合出弹性应变、塑性应变与疲劳寿命之间的关系。 低周疲劳性能得到大幅提高。

在此基础上，吕频对HRB500钢筋的低周疲劳性能进行了实验研究，得到了HRB500钢筋低周疲劳寿命的预测公式。

1.2.3 磨损钢筋的疲劳性能

在生锈钢筋的疲劳性能研究中，由于磨损模式的不同以及磨损本身的离散性，不同学者的研究结果存在差异。 目前，国外对钢筋锈蚀后的疲劳性能尚无明确规定。 钢筋锈蚀是钢筋混凝土预制构件在使用中最常见的老化现象，它不仅造成钢筋截面增大。

热性能下降，但磨损产物形成的体积膨胀导致沿混凝土纵向钢筋产生松动裂缝和混凝土保护层出现裂缝，导致混凝土与钢筋之间的粘结力增加，严重影响混凝土结构的疲劳寿命。 1998年，曹建安等人成功对14根磨损钢筋进行了疲劳试验。

加固材料来自于实际桥梁退化的老化预制构件，试验时主要考虑挠度幅度对疲劳硬度的影响。 试验在PMA-50疲劳机上进行，频率为5Hz，挠度范围为180-300MPa。 试验结果表明，钢筋锈蚀后，其疲劳寿命明显降低。

磨损钢筋的疲劳极限挠度逐渐消失，本文还得到了磨损钢筋的疲劳曲线多项式。 2007年，Apostolopoulos和Michalopoulos对不同磨损程度的钢筋进行了低周疲劳试验。 试验表明，磨损钢筋的耗能能力、承载能力和荷载循环次数都在逐渐下降。