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、造价便宜、施工方便及整体性好等特点， 是目前建筑工程领域应用最为广泛的结构形式。但其自身也存在各种不足，钢筋混凝 土结构在服役过程中，在人为或自然因素的影响下。

随着时间的推移，会逐渐损伤老化，甚至失效破坏。长久以来，土木工程领域研究的重点一直是拟建结构的方法和理论，对已有结构的耐久性研究缺乏。结构耐久性是指在设计要求的目标使用期内。

不需要花费大量资金加固处理而保持其安全、使用功能和外观要求的能力。钢筋混凝土结构的耐久性，是指在结构的使用过程当中，由于内部的或者外部的、自然的或者人为的因素作用下，结构能维持本身工作能力不受其强烈影响的一种性能。

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。从大量工程实例和试验研究中发现，钢筋混凝土结构在某些环境条件下会受到物理和化学的侵蚀作用，造成钢筋锈蚀，混凝土开裂，结构的耐久性严重不足。

Mehta教授曾在《混凝土耐久性一一五十年进展》报告中指出：“当今世界混凝土破坏原因，按重要性递减顺序排列是钢筋锈蚀、冻害、物理化学作用”。因此，钢筋锈蚀是导致混凝土破坏的主要原因。

锈蚀物的膨胀将会导致混凝土沿钢筋方向开裂、保护层的剥落、更严重的 会导致钢筋的锈断，使得混凝土结构全面破坏，从而严重影响混凝土结构的耐久性。

近十几年来地震的频繁发生（如美国1989年洛马普瑞塔地震、1994年美国洛杉 肌北岭地震、1995年日本版神地震、1999年我国台湾地震、2008年汶川地震、2010 年青海玉树地震以及2013年雅安地震等）不仅造成了人员及财产的巨大损失。

而且震害经验也表明，经过抗震设计的工程结构在地震中也遭受了较严重的破坏如，造成了严重的经济损失及人员的伤亡。其原因一方面是现行抗震规范 和计算理论还存在着不足之处；另一方面则是结构在长期使用过程中。

由于材料的老化、不利环境以及使用不当等造成结构内部钢筋锈蚀导致结构某种程度的损伤，这种损伤累积直接导致了结构的承载力下降、耐久性降低、抗震性能退化。我国又属于地震多发地区，近年来发生的一系列地震。

警示人们对在服役期间的钢筋混凝土结构抗 震性能的深入研究迫在眉睫。 在现实中我们发现建筑物在长期的使用过程中，在某些侵蚀性介质的影响下，多数钢筋混凝土构件出现钢筋锈蚀、保护层开裂或剥落等耐久性问题。

如果后期在地震作用下，结构物承受变化的剪力和弯矩荷载。这种往复作用将导致混凝土保护层的爆裂和脱落，最终只剩下钢筋作为唯一的承载单元，此时受力钢筋又已锈蚀，则锈蚀严 重的钢筋截面处受较大往复应力情况下极可能迅速发生破坏。

而近年来地震灾害频 发，老旧混凝土结构和受腐蚀介质影响出现耐久性退化的钢筋混凝土结构，在地震作 用下的性能变化是急需了解的问题。因此，需展开对锈蚀钢筋低周往复荷载受力性能 的研究，为发生钢筋锈蚀的结构物抗震性能评估提供理论依据。

1.2 国内外研究现状

1.2.1锈蚀钢筋的静力性能

1.2.1.1国外锈蚀钢筋静力研究现状

国内外学者对钢筋锈蚀后尤其是混凝土中的钢筋锈蚀后力学性能方面有许多研究，并取得了大量具有参考价值的研究成果，但对于钢筋锈蚀后的性能退化规律研究目前尚存在分歧意见。部分学认为腐蚀后的钢筋强度和延性均呈下降趋势。

也有少数学者认为锈蚀对钢筋强度没有明显的影响，锈蚀钢筋的金相组织分析表明，自然腐蚀只会减少钢筋的有效截面积，而不改变材料的物理性能。 2001年，Almusallam通过对埋置在混凝土中的直径6mm和12mm钢筋通电加速锈蚀得到的锈蚀试件进行拉伸试验。

结果表明：随着锈蚀程度的增加，钢筋的实际抗 拉强度只有轻微的下降，但总伸长率却有明显减少。 2002年，Palsson和Mirza对从一座废弃钢筋混凝土桥上获取的锈蚀钢筋试件 进行拉伸试验，研究结果表明：所有试验组中钢筋平均名义屈服强度和名义极限强度 几乎不变，但坑蚀试件屈服强度有小幅的增加。

整体锈蚀钢筋试件随锈蚀率增大，试件延性大幅下降。2005年，John Cairns等通过试验和简化数值模型对自然锈蚀与模拟锈蚀两种锈蚀钢筋试件受力性能进行了研究，并采用一个带有多凹槽的半球形钻头在钢筋上钻孔模拟锈坑的方法。

研究局部坑蚀对钢筋性能的影响。试验发现极限强度的减小与截面损失成比例，而屈服强度的减小与截面损失不太成比例。 2013年，Raoul Francois通过对从暴露在氯化物环境中27年锈蚀钢筋混凝土梁中获取锈蚀钢筋试件进行了拉伸试验。

来研究锈蚀对钢筋混凝土中钢筋力学性能的影响。结果表明：腐蚀程度对钢筋的力学性能存在显著影响，尤其对极限应力和应变的影响，而所有锈蚀钢筋的实际屈服强度几乎不变，但实际极限强度却大大增加。锈蚀 是造成极限伸长率降低的主要因素。

1.2.1.2国内锈蚀钢筋静力研究现状

2003年范颖芳、周晶采用有限元数值模拟的方法进行了钢筋局部锈蚀的受力分析，研究表明：锈蚀坑周围出现明显的应力集中现象，钢筋的应力分布在锈蚀坑深度较浅时比较均匀，随着锈蚀坑深度的增加逐渐不均匀。

因此，坑蚀深度是影响锈蚀钢筋强度退化的主要原因，坑蚀宽度对锈蚀钢筋强度的影响较小。 2005年安琳、欧阳平等采用电化学快速锈蚀的方法，对质量损失率从0%~55% 之间均分为11个等级的不同锈蚀程度HRB335热轧钢筋进行静力拉伸试验。

实验结果明：锈蚀钢筋与未锈蚀钢筋的名义强度之比受锈坑处应力集中的影响很小；随着最 大截面损失率的增大锈蚀钢筋的延伸率呈指数下降，受应力集中的影响显著。

2006年范颖芳、张英姿等研究了坑蚀形状、坑蚀位置、最大坑蚀个数、最大坑蚀深度以及钢筋直径等因素对钢筋力学性能影响的灵敏性。结果表明：坑蚀深度是造成锈蚀后钢筋力学性能退化的最主要因素，其他因素的影响相对较小。

锈蚀状态相同的情况下，直径小的钢筋抗拉强度对坑蚀更加敏感。2008年吴庆、袁迎曙等采用模拟人工气候环境加速钢筋锈蚀的方法，并对该锈 蚀方法得到的锈蚀试件进行拉伸试验。试验结果表明：随着锈蚀程度的逐渐增加。

锈蚀的不均匀性及离散性增加，钢筋的屈服平台逐渐变短，强屈比变小。并基于试验结 果建立了与锈蚀率相关的钢筋本构模型。2012年徐港、刘德福等采用长达两年的干湿循环法获取锈蚀试件。

并对获得的 214根锈蚀钢筋进行机械拉伸试验和仿真分析，试验结果表明：锈蚀程度较轻时，钢筋名义强度随锈蚀率增加呈线性下降；当锈蚀程度较大时，钢筋的名义强度、等效强 度以及延性均随锈蚀率增加而下降。

钢筋屈服平台随锈蚀不均匀性增加而缩短；此外，通过仿真和理论分析表明：缺口效应、附加偏心作用以及有效截面减少是钢筋伸长率减小的主要原因；附加弯矩作用是导致钢筋屈服平台缩短、消失的主要原因。

2014年孙小燕、朱建科等基于电化学加速锈蚀试验，展开了蚀坑参数与力学性 能的关系研究。研究表明：锈蚀钢筋的伸长率和强度随着蚀坑宽度、深度及长度的增 加都呈现降低的趋势。

其对锈蚀钢筋力学性能的影响程度依次表现为：蚀坑深度影响 最大，宽度次之，长度的影响程度最小。

1.2.2钢筋的疲劳性能

疲劳，是指在某点或某些点承受扰动应力，且在足够多的循环扰动作用之后形成裂纹或完全断裂的材料中所发生的局部的、永久结构变化的发展过程。当材料或结构受到多次重复变化的载荷作用后，应力值虽然始终没有超过材料的强度极限。

甚至比弹性极限还低的情况下就可能发生破坏，这种在交变载荷重复作用下材料或结构的 破坏现象，称为疲劳破坏。根据材料破坏前所经历的循环次数，疲劳又可以分为高周疲劳、低周疲劳。

其区别在于高周循环下，材料没有塑性应变，应变较小，荷载循环 次数高达几百万次,而低周循环下材料的应变较大, 荷载循环次数较少，通常低于1000 次。根据加载循环荷载幅值随时间的变化，疲劳可以分为等幅疲劳、变幅疲劳和随机劳。

龚士弘等对HRB400钢筋进行了低周疲劳试验，在Basquin公式和 Manson-Coffin公式的基础上分别对弹性应变、塑性应变与疲劳寿命之间的关系进行 了拟合，研究表明HRB400钢筋较HRB335钢筋的低周疲劳性能有了很大提高。

吕品在此基础上，对HRB500钢筋的低周疲劳性能进行了试验研究，得到了HRB500钢筋的 低周疲劳寿命的预测公式。

1.2.3锈蚀钢筋的疲劳性能

在锈蚀钢筋的疲劳性能研究上，由于锈蚀方法的不同以及锈蚀自身的离散性，不同学者的研究结果各有差异，目前国内对钢筋的锈后疲劳性能尚无明确规定。 钢筋锈是服役中钢筋混凝土构件最常见的老化现象，它不仅造成钢筋的截面减小。

力学性能退化，而且由于锈蚀产物产生的体积膨胀引起混凝土沿纵筋疏松开裂以及混凝土保护层剥落，使得混凝土与钢筋之间的粘结力下降，严重影响了混凝土结构的疲劳寿命。 1998年，曹建安等成功的对14根锈蚀钢筋进行了疲劳试验。

钢筋来自实际桥梁 退化下来的老化构件，试验过程中主要考虑了应力幅对疲劳强度的影响。试验在 PMA-50疲劳机上进行，频率为5Hz，应力幅在180-300MPa。试验结果表明，钢筋锈 蚀后钢筋疲劳寿命显著降低。

锈蚀钢筋的疲劳极限应力逐渐消失，文中还得到了锈蚀 钢筋的疲劳曲线方程。 2007年，Apostolopoulos和Michalopoulos通过对不同锈蚀水平的钢筋进行了低周疲劳试验，试验表明：锈蚀钢筋的耗能能力，承载能力和承受荷载循环数逐渐降低。