混凝土结构中钢筋锈蚀不均匀性对其力学性能退化的影响

试验获取锈蚀钢筋试件,借助三维激光扫描建立其实体模型,并进行拉伸试验。通过实体模型精确获取试件残余横截面积分布,建立分段积分模型进行数值拉伸计算并与试验结果对比分析,研究锈蚀不均匀性对锈蚀钢筋力学性能退化的影响。结果发现,沿钢筋长度方向的不均匀性可用区段最大与最小残余横截面积比值μ作为量化参数。随锈蚀发展,不均匀锈蚀系数μ值逐渐增大。然而,剔除锈蚀不均匀性影响后,锈蚀钢筋的屈服强度、极限强度、弹性模量以及极限应变等材性参数没有随锈蚀发展而降低的趋势。基于残余截面积排序的线性简化,以μ为自变量,推导出锈蚀钢筋各个名义材性参数的解析计算公式。显示名义屈服强度、名义极限强度以及名义极限应变均随锈蚀不均匀性增大而显著降低,但严重坑蚀时不能忽略应力集中和周向不均匀锈蚀的不利影响。随锈蚀不均匀性发展,名义弹性模量与强化模量有轻微降低,拉伸曲线的屈服平台逐渐倾斜,并在μ达到约1.1的临界值时融入强化段,宏观屈服平台消失。     

超低温下钢筋单轴受拉时的应力-应变关系

按照《金属材料低温拉伸试验方法》(GB/T13239—2006)的要求制作拉伸试件,对3种钢筋(热轧带肋钢筋HRB335、HRB400和热轧细晶粒钢筋HRBF400)共84根试件在-180℃~-80℃温度下的力学性能进行单轴受拉试验,研究低温下钢筋力学性能的变化规律.结果表明,随着温度的降低,钢筋的应力-应变曲线形状及极限应变基本不改变,但屈服平台长度、屈服强度、极限强度、强化应变增加.根据试验结果,给出了低温下钢筋屈服强度、极限强度、强化应变等力学特征值随温度的变化规律,进而可建立超低温下钢筋的应力-应变关系.     

锈蚀钢材力学性能试验及等效本构模型研究

为准确描述锈蚀钢材在循环荷载下的本构关系,对经人工加速腐蚀的16组Q355钢锈蚀试件进行单调拉伸及循环加载试验,得到锈蚀钢材的力学性能参数及其退化规律.分析锈蚀对钢材试件滞回性能的影响,基于Giuffre-Menegotto-Pinto（GMP）模型建立了锈蚀钢材的循环本构模型.结果表明：钢材的屈服强度、极限强度及对应的屈服应变、极限应变等力学性能随着锈蚀程度的增加呈线性退化趋势;锈蚀会削弱钢材的耗能能力,使得结构在往复荷载下的安全性难以保证;建立的锈蚀钢材的循环本构模型与试验结果吻合较好,可为腐蚀环境下的钢构件及结构的抗震性能评估提供支撑.     

锈蚀钢筋蚀坑特征分析及其对力学性能的影响

通过对126根锈蚀钢筋进行拉伸试验,研究了蚀坑特征及其锈蚀后力学性能。研究发现,锈蚀钢筋最大名义屈服强度较标准试件提高了7.65%,伸长率下降最大可达52.94%;锈蚀钢筋拉伸试验后断口形态为锯齿式断口和劈裂式断口;蚀坑最大深度、宽度、长度分别不超过8,15,16mm,并且三者的对数值与质量锈蚀率呈线性关系,深宽比与质量锈蚀率呈指数关系。还建立了与深宽比均值相关的名义屈服强度的退化模型和计算模型。     

基于数值模拟的锈蚀钢筋力学性能退化分析

建立不同锈蚀率锈蚀钢筋的分析模型,采用数值模拟的方法分析锈蚀钢筋力学性能的退化规律.分析结果表明:锈蚀钢筋的力学性能会随着钢筋锈蚀程度的增加而大幅退化.钢筋的屈服强度、极限强度、伸长率均随钢筋截面损失率按线性规律衰减.钢筋锈蚀后名义屈服强度、名义极限强度衰减的主要原因是由于钢筋受力面积由于锈损大幅减小;伸长率降低除受截面积减小影响外还受应力集中的影响.     

重复拉伸荷载下锈蚀钢筋力学性能及本构关系研究

通过锈蚀钢筋重复拉伸荷载试验,分析了重复拉伸荷载作用下锈蚀对钢筋力学性能的影响,并建立了锈蚀钢筋本构关系模型.试验表明,重复荷载作用下,随着锈蚀率的增大,钢筋力学性能退化,变形能力下降,屈服平台逐渐缩短甚至消失;耗能性能降低,破坏时更加表现为脆性断裂,使得结构在地震发生时更易出现脆性破坏,甚至突然倒塌.基于试验成果本文建立了锈蚀钢筋应力-应变本构关系模型,研究成果可为锈损结构耐久性、残余承载力及抗震性能评估提供技术依据.     

锈蚀钢筋混凝土偏心受压柱承载力试验研究

试验研究了低锈蚀率钢筋对偏心受压构件承载力的影响.将4根钢筋混凝土柱置于湿盐砂中外通直流电加速锈蚀,锈蚀完毕后与3根未锈蚀柱进行偏心受压试验,试验在5 000 kN长柱试验机上进行.另外对锈蚀钢筋进行了拉伸试验.结果表明,偏心距较小时,锈蚀柱截面应变仍符合平截面假定;偏心距相同时锈蚀柱的承载力及刚度比完好柱明显降低.锈蚀钢筋的名义屈服强度、名义极限强度随锈蚀率呈线性降低;随钢筋锈蚀率增大,钢筋的延性降低更快.     

锈蚀钢筋压屈应力-应变本构关系模型研究

采用电化学加速试验方法获得216根锈蚀钢筋试件,对锈蚀钢筋试件进行压屈试验,分析钢筋长细比(长度与直径之比)和锈蚀率对锈蚀钢筋压屈应力-应变关系曲线、名义压屈强度等的影响.结果表明:随着质量锈蚀率的增大,锈蚀钢筋名义压屈强度逐渐降低;当长细比≤15时,长细比对锈蚀钢筋名义压屈强度影响不明显;当长细比15时,长细比对锈蚀钢筋名义压屈强度影响显著.锈蚀钢筋名义压屈应力-应变曲线表现出三种形态特征,根据三种曲线特征建立了锈蚀钢筋名义压屈应力-应变本构关系的统一模型,提出了考虑长细比与质量锈蚀率影响的锈蚀钢筋名义压屈强度计算公式,计算值与试验结果符合较好.     

HTRB600级高强钢筋高温下的力学性能

为研究600 MPa级高强钢筋高温下的力学性能,对HTRB600级热处理高强钢筋进行高温下的拉伸试验,分别测得其在20,200,300,400,500,600,700及800℃高温下的弹性模量、比例极限、屈服强度、极限强度及应力-应变曲线.试验结果表明:HTRB600级高强钢筋高温下屈服强度、极限强度、比例极限与弹性模量均随着温度的升高而显著降低.500℃时其高温下的弹性模量、比例极限、屈服强度与极限强度降低为不足常温下的50%,800℃时已不足常温下的10%.高温下HTRB600级高强钢筋应力-应变曲线随温度的升高逐渐趋于圆滑,当温度达到200℃时,屈服台阶就已消失.600 MPa级钢筋高温下屈服强度和极限强度的降低程度明显大于其他钢筋500 MPa以下强度的钢筋.最后提出了适用于HTRB600级高强钢筋的高温下应力-应变曲线简化计算模型.     

基于ANSYS的锈蚀钢筋屈曲承载力非线性分析

应用ANSYS分析锈蚀钢筋屈曲承载力降低问题．使用弧长法对荷载一纵向位移平衡路线进行全过程跟踪研究．分析锈胀开裂的混凝土结构中局部箍筋锈断致使受压区锈蚀纵筋在未达到全截面屈服时发生非线性屈曲的规律．分析中考虑材料屈服强度、初弯曲和长径比对锈蚀纵筋承载力的影响．拟合大量分析结果,提出锈蚀钢筋压屈的四类纵向应力—应变曲线．曲线方程式的计算结果与197根锈蚀钢筋试件的试验数据比较,可很好吻合,表明所提出的方程式可用于锈裂混凝土结构剩余承载力评估．     

锈损冷成型钢表面形貌及力学性能

为研究锈蚀对冷成型钢表面形貌特征和力学性能的影响,对工业环境下服役10 a的冷成型钢进行表面三维形貌扫描、单调拉伸试验和断口扫描,得到了锈蚀钢材表面二维和三维形貌图、锈蚀损伤参数、应力-应变曲线、力学性能指标以及微观断口形貌图,并分析了锈蚀损伤参数、力学性能指标的变化规律,最后建立了锈蚀冷成型钢材料本构模型.结果表明:随着锈蚀程度增加,钢材表面蚀坑数量减少且蚀坑形貌发生明显变化,均匀锈蚀所占比例、最大蚀坑深度逐渐增大,锈蚀钢材表面变得越来越粗糙;弹性模量、屈服强度、极限强度、断后伸长率随材料损失率的增加呈线性下降趋势,屈服平台变短甚至消失,宏、微观断口形貌变化明显,并且所建立的本构模型能够精准地反映锈蚀冷成型钢应力-应变曲线的变化趋势.     

锈蚀钢筋混凝土粘结强度试验

通过对配筋混凝土试块的实验室快速锈蚀,研究了锈蚀钢筋混凝土粘结强度的变化规律,并采用ICT技术观测了混凝土锈蚀裂缝。研究表明,混凝土保护层锈蚀裂缝沿钢筋径向的发展具有明确的方向性,且随着锈蚀率的增大,锈蚀试块呈现显著的脆性劈裂破坏特征,粘结强度与极限滑移量的衰减受锈蚀量、混凝土保护层厚度以及混凝土抗拉强度等影响,建立了以锈蚀产物厚度、混凝土相对保护层厚度与抗拉强度为独立参数的锈蚀钢筋混凝土粘结强度经验公式,与国内外实验结果的对比验证了模型的合理性。     

加速锈蚀与自然锈蚀钢筋混凝土梁受力性能比较分析

对自然锈蚀与外加电流加速锈蚀2种条件下的锈蚀钢筋及锈蚀钢筋混凝土梁进行了对比试验研究.从钢筋锈蚀特征、锈后力学性能、锈胀形态、锈蚀梁受弯性能以及破坏形态等方面进行了比较分析,并从电化学机理对2种锈蚀方式做出了阐释.结果证明,外加电流加速锈蚀法可以较好地表现锈蚀引起的结构性能劣化趋势,但由于锈蚀机理的不同,它与自然锈蚀在各个方面存在显著差异,在同等质量锈蚀率下自然锈蚀钢筋混凝土梁的极限变形能力退化更为明显,加速锈蚀钢筋混凝土梁的刚度退化更为明显.     

HRB500级高强钢筋高温后的力学性能试验

对HRB500高强钢筋在高温后的力学性能进行试验,研究不同受火温度对其力学性能的影响,以及高温后的应力-应变关系曲线图的变化规律,并提出相应的力学模型.结果表明,经历高温作用并冷却后,高强钢筋的屈服强度、极限强度、弹性模量、延伸率和截面收缩率等力学性能随所经历的温度的不同而变化,变化规律也不相同. 钢筋的应力-应变关系发生一定的变化,但是一般仍然出现明显的屈服阶段和强化阶段,屈服台阶的高度随着温度的升高而降低;高强钢筋的弹性模量的变化很小.     

产生坑蚀后钢筋疲劳性能的劣化

为研究产生局部锈坑后钢筋疲劳性能的劣化,设计了32根试件并完成了相关的试验,研究了不同锈坑深度与不同疲劳荷载循环次数下钢筋剩余强度的下降规律,反复荷载对混凝土结构的影响比人们目前所认识到的更为严重:当锈坑较浅时,锈蚀的影响与疲劳荷载的作用可被作为两种独立的损伤(它们彼此间为线性关系);但当锈坑深度较深时,锈坑与循环荷载对试件的影响会产生彼此关联,相互促进的作用.     

碳纤维布加固对腐蚀钢筋与混凝土粘结性能的影响

正确评估FRP(Fiber Reinforced Polymer)加固对腐蚀钢筋与混凝土粘结性能的影响是确定FRP加固效果的重要问题之一.本文采用外加电流加速腐蚀法对96个预埋钢筋的试件进行腐蚀,腐蚀完成后横向包裹2层单向碳纤维布;通过拉拔试验研究了碳纤维布加固、钢筋种类、保护层厚度及腐蚀率对腐蚀钢筋与混凝土粘结性能的影响规律,探讨了拉拔破坏机理.研究表明:(1)碳纤维布约束使螺纹钢筋试件破坏模式由混凝土劈裂破坏转变为钢筋拔出破坏;(2)钢筋种类、保护层厚度是影响钢筋峰值粘结强度的主要因素,螺纹钢筋试件的峰值粘结强度约为光圆钢筋的2倍;(3)当实际腐蚀率小于5%时,碳纤维布约束对提高钢筋峰值粘结强度作用较小,腐蚀试件峰值粘结强度与未腐蚀试件峰值粘结强度之比(简称比峰值粘结强度)提高约5%—7%,但碳纤维布约束使拉拔全曲线下降段变得平缓,粘结应力维持在较高的水平;(4)当实际腐蚀率大于5%时,腐蚀试件的峰值粘结强度随着腐蚀率增大逐步降低.     

基于概率密度演化理论的锈蚀钢梁时变可靠度分析

为了得到锈蚀钢梁时变可靠度,对9组试件分别开展了加速腐蚀试验和单调拉伸试验.测得了锈蚀深度三维坐标数据和锈蚀钢材名义屈服强度,统计分析了锈蚀深度和名义屈服强度概率模型.建立了锈蚀钢梁功能函数,结合概率密度演化理论得到了锈蚀钢梁时变失效概率和可靠指标,并与蒙特卡洛方法(MCS)计算结果进行了对比.结果表明:钢板表面锈蚀深度和名义屈服强度服从正态分布;随着腐蚀时间增加,锈蚀深度均值和标准差不断增大;随着失重率增加,名义屈服强度均值不断减小而标准差不断增大;概率密度演化方法与MCS计算结果较接近,说明本文提出的方法的有效性;锈蚀深度和强度的随机性对锈蚀钢梁可靠度影响较大.     

锈坑应力集中对钢筋力学性能的影响

为了揭示锈蚀钢筋力学性能退化现象的本质,用锈后钢筋的最大截面损失率来表征其力学性能的变化.利用电化学快速锈蚀方法,获得了质量损失率在0～55%之间不同锈蚀程度的HRB335热轧钢筋.根据锈坑深度和残余截面周长的量测值及锈蚀形态,判断截面削弱最严重的位置,并估算出最大截面损失率,建立了锈蚀钢筋质量损失率与最大截面损失率之间的回归方程.通过静拉伸试验得到了锈蚀钢筋试件的名义强度值和断后延伸率.实验结果表明:锈蚀钢筋与未锈钢筋的名义强度比可近似取锈后钢筋的最大残余面积率,受锈坑应力集中的影响甚微;锈蚀钢筋的断后延伸率随最大截面损失率呈指数下降,受锈坑应力集中的影响显著.模拟锈坑的有限元分析结果与实验结果相同.锈蚀钢筋的脆性化倾向可能导致的结构或构件脆性破坏在评估和加固锈后钢筋混凝土结构时应予以重视.