鏽蝕鋼筋有什麼特性？低周等幅往複作用很大，受力性能又是如何

1.1 研究背景及意義

鋼筋混凝土結構因其原材料來源廣泛、造價便宜、施工方便及整體性好等特點， 是目前建築工程領域應用最為廣泛的結構形式。但其自身也存在各種不足，鋼筋混凝 土結構在服役過程中，在人為或自然因素的影響下。

隨著時間的推移，會逐漸損傷老化，甚至失效破壞。長久以來，土木工程領域研究的重點一直是擬建結構的方法和理論，對已有結構的耐久性研究缺乏。結構耐久性是指在設計要求的目標使用期內。

不需要花費大量資金加固處理而保持其安全、使用功能和外觀要求的能力。鋼筋混凝土結構的耐久性，是指在結構的使用過程當中，由於內部的或者外部的、自然的或者人為的因素作用下，結構能維持本身工作能力不受其強烈影響的一種性能。

眾所周知，結構的耐久性直接關係到鋼筋混凝土結構的使用壽命。從大量工程實例和試驗研究中發現，鋼筋混凝土結構在某些環境條件下會受到物理和化學的侵蝕作用，造成鋼筋鏽蝕，混凝土開裂，結構的耐久性嚴重不足。

Mehta教授曾在《混凝土耐久性一一五十年進展》報告中指出：「當今世界混凝土破壞原因，按重要性遞減順序排列是鋼筋鏽蝕、凍害、物理化學作用」。因此，鋼筋鏽蝕是導致混凝土破壞的主要原因。

鏽蝕物的膨脹將會導致混凝土沿鋼筋方向開裂、保護層的剝落、更嚴重的 會導致鋼筋的銹斷，使得混凝土結構全面破壞，從而嚴重影響混凝土結構的耐久性。

近十幾年來地震的頻繁發生（如美國1989年洛馬普瑞塔地震、1994年美國洛杉 肌北嶺地震、1995年日本版神地震、1999年我國台灣地震、2008年汶川地震、2010 年青海玉樹地震以及2013年雅安地震等）不僅造成了人員及財產的巨大損失。

而且震害經驗也表明，經過抗震設計的工程結構在地震中也遭受了較嚴重的破壞如，造成了嚴重的經濟損失及人員的傷亡。其原因一方面是現行抗震規範 和計算理論還存在著不足之處；另一方面則是結構在長期使用過程中。

由於材料的老化、不利環境以及使用不當等造成結構內部鋼筋鏽蝕導致結構某種程度的損傷，這種損傷累積直接導致了結構的承載力下降、耐久性降低、抗震性能退化。我國又屬於地震多發地區，近年來發生的一系列地震。

警示人們對在服役期間的鋼筋混凝土結構抗 震性能的深入研究迫在眉睫。 在現實中我們發現建築物在長期的使用過程中，在某些侵蝕性介質的影響下，多數鋼筋混凝土構件出現鋼筋鏽蝕、保護層開裂或剝落等耐久性問題。

如果後期在地震作用下，結構物承受變化的剪力和彎矩荷載。這種往複作用將導致混凝土保護層的爆裂和脫落，最終只剩下鋼筋作為唯一的承載單元，此時受力鋼筋又已鏽蝕，則鏽蝕嚴 重的鋼筋截面處受較大往複應力情況下極可能迅速發生破壞。

而近年來地震災害頻 發，老舊混凝土結構和受腐蝕介質影響出現耐久性退化的鋼筋混凝土結構，在地震作 用下的性能變化是急需了解的問題。因此，需展開對鏽蝕鋼筋低周往複荷載受力性能 的研究，為發生鋼筋鏽蝕的結構物抗震性能評估提供理論依據。

1.2 國內外研究現狀

1.2.1鏽蝕鋼筋的靜力性能

1.2.1.1國外鏽蝕鋼筋靜力研究現狀

國內外學者對鋼筋鏽蝕後尤其是混凝土中的鋼筋鏽蝕後力學性能方面有許多研究，並取得了大量具有參考價值的研究成果，但對於鋼筋鏽蝕後的性能退化規律研究目前尚存在分歧意見。部分學認為腐蝕後的鋼筋強度和延性均呈下降趨勢。

也有少數學者認為鏽蝕對鋼筋強度沒有明顯的影響，鏽蝕鋼筋的金相組織分析表明，自然腐蝕只會減少鋼筋的有效截面積，而不改變材料的物理性能。 2001年，Almusallam通過對埋置在混凝土中的直徑6mm和12mm鋼筋通電加速鏽蝕得到的鏽蝕試件進行拉伸試驗。

結果表明：隨著鏽蝕程度的增加，鋼筋的實際抗 拉強度只有輕微的下降，但總伸長率卻有明顯減少。 2002年，Palsson和Mirza對從一座廢棄鋼筋混凝土橋上獲取的鏽蝕鋼筋試件 進行拉伸試驗，研究結果表明：所有試驗組中鋼筋平均名義屈服強度和名義極限強度 幾乎不變，但坑蝕試件屈服強度有小幅的增加。

整體鏽蝕鋼筋試件隨鏽蝕率增大，試件延性大幅下降。2005年，John Cairns等通過試驗和簡化數值模型對自然鏽蝕與模擬鏽蝕兩種鏽蝕鋼筋試件受力性能進行了研究，並採用一個帶有多凹槽的半球形鑽頭在鋼筋上鑽孔模擬銹坑的方法。

研究局部坑蝕對鋼筋性能的影響。試驗發現極限強度的減小與截面損失成比例，而屈服強度的減小與截面損失不太成比例。 2013年，Raoul Francois通過對從暴露在氯化物環境中27年鏽蝕鋼筋混凝土梁中獲取鏽蝕鋼筋試件進行了拉伸試驗。

來研究鏽蝕對鋼筋混凝土中鋼筋力學性能的影響。結果表明：腐蝕程度對鋼筋的力學性能存在顯著影響，尤其對極限應力和應變的影響，而所有鏽蝕鋼筋的實際屈服強度幾乎不變，但實際極限強度卻大大增加。鏽蝕 是造成極限伸長率降低的主要因素。

1.2.1.2國內鏽蝕鋼筋靜力研究現狀

2003年范穎芳、周晶採用有限元數值模擬的方法進行了鋼筋局部鏽蝕的受力分析，研究表明：鏽蝕坑周圍出現明顯的應力集中現象，鋼筋的應力分布在鏽蝕坑深度較淺時比較均勻，隨著鏽蝕坑深度的增加逐漸不均勻。

因此，坑蝕深度是影響鏽蝕鋼筋強度退化的主要原因，坑蝕寬度對鏽蝕鋼筋強度的影響較小。 2005年安琳、歐陽平等採用電化學快速鏽蝕的方法，對質量損失率從0%~55% 之間均分為11個等級的不同鏽蝕程度HRB335熱軋鋼筋進行靜力拉伸試驗。

實驗結果明：鏽蝕鋼筋與未鏽蝕鋼筋的名義強度之比受銹坑處應力集中的影響很小；隨著最 大截面損失率的增大鏽蝕鋼筋的延伸率呈指數下降，受應力集中的影響顯著。

2006年范穎芳、張英姿等研究了坑蝕形狀、坑蝕位置、最大坑蝕個數、最大坑蝕深度以及鋼筋直徑等因素對鋼筋力學性能影響的靈敏性。結果表明：坑蝕深度是造成鏽蝕後鋼筋力學性能退化的最主要因素，其他因素的影響相對較小。

鏽蝕狀態相同的情況下，直徑小的鋼筋抗拉強度對坑蝕更加敏感。2008年吳慶、袁迎曙等採用模擬人工氣候環境加速鋼筋鏽蝕的方法，並對該銹 蝕方法得到的鏽蝕試件進行拉伸試驗。試驗結果表明：隨著鏽蝕程度的逐漸增加。

鏽蝕的不均勻性及離散性增加，鋼筋的屈服平台逐漸變短，強屈比變小。並基於試驗結 果建立了與鏽蝕率相關的鋼筋本構模型。2012年徐港、劉德福等採用長達兩年的乾濕循環法獲取鏽蝕試件。

並對獲得的 214根鏽蝕鋼筋進行機械拉伸試驗和模擬分析，試驗結果表明：鏽蝕程度較輕時，鋼筋名義強度隨鏽蝕率增加呈線性下降；當鏽蝕程度較大時，鋼筋的名義強度、等效強 度以及延性均隨鏽蝕率增加而下降。

鋼筋屈服平台隨鏽蝕不均勻性增加而縮短；此外，通過模擬和理論分析表明：缺口效應、附加偏心作用以及有效截面減少是鋼筋伸長率減小的主要原因；附加彎矩作用是導致鋼筋屈服平台縮短、消失的主要原因。

2014年孫小燕、朱建科等基於電化學加速鏽蝕試驗，展開了蝕坑參數與力學性 能的關係研究。研究表明：鏽蝕鋼筋的伸長率和強度隨著蝕坑寬度、深度及長度的增 加都呈現降低的趨勢。

其對鏽蝕鋼筋力學性能的影響程度依次表現為：蝕坑深度影響 最大，寬度次之，長度的影響程度最小。

1.2.2鋼筋的疲勞性能

疲勞，是指在某點或某些點承受擾動應力，且在足夠多的循環擾動作用之後形成裂紋或完全斷裂的材料中所發生的局部的、永久結構變化的發展過程。當材料或結構受到多次重複變化的載荷作用後，應力值雖然始終沒有超過材料的強度極限。

甚至比彈性極限還低的情況下就可能發生破壞，這種在交變載荷重複作用下材料或結構的 破壞現象，稱為疲勞破壞。根據材料破壞前所經歷的循環次數，疲勞又可以分為高周疲勞、低周疲勞。

其區別在於高周循環下，材料沒有塑性應變，應變較小，荷載循環 次數高達幾百萬次,而低周循環下材料的應變較大, 荷載循環次數較少，通常低於1000 次。根據載入循環荷載幅值隨時間的變化，疲勞可以分為等幅疲勞、變幅疲勞和隨機勞。

龔士弘等對HRB400鋼筋進行了低周疲勞試驗，在Basquin公式和 Manson-Coffin公式的基礎上分別對彈性應變、塑性應變與疲勞壽命之間的關係進行 了擬合，研究表明HRB400鋼筋較HRB335鋼筋的低周疲勞性能有了很大提高。

呂品在此基礎上，對HRB500鋼筋的低周疲勞性能進行了試驗研究，得到了HRB500鋼筋的 低周疲勞壽命的預測公式。

1.2.3鏽蝕鋼筋的疲勞性能

在鏽蝕鋼筋的疲勞性能研究上，由於鏽蝕方法的不同以及鏽蝕自身的離散性，不同學者的研究結果各有差異，目前國內對鋼筋的銹後疲勞性能尚無明確規定。 鋼筋銹是服役中鋼筋混凝土構件最常見的老化現象，它不僅造成鋼筋的截面減小。

力學性能退化，而且由於鏽蝕產物產生的體積膨脹引起混凝土沿縱筋疏鬆開裂以及混凝土保護層剝落，使得混凝土與鋼筋之間的粘結力下降，嚴重影響了混凝土結構的疲勞壽命。 1998年，曹建安等成功的對14根鏽蝕鋼筋進行了疲勞試驗。

鋼筋來自實際橋樑 退化下來的老化構件，試驗過程中主要考慮了應力幅對疲勞強度的影響。試驗在 PMA-50疲勞機上進行，頻率為5Hz，應力幅在180-300MPa。試驗結果表明，鋼筋銹 蝕後鋼筋疲勞壽命顯著降低。

鏽蝕鋼筋的疲勞極限應力逐漸消失，文中還得到了鏽蝕 鋼筋的疲勞曲線方程。 2007年，Apostolopoulos和Michalopoulos通過對不同鏽蝕水平的鋼筋進行了低周疲勞試驗，試驗表明：鏽蝕鋼筋的耗能能力，承載能力和承受荷載循環數逐漸降低。