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1、反复荷载下锈蚀钢筋的本构关系及其国内外研究现状,1.混凝土中钢筋的锈蚀 2.钢筋的本构模型 3.国外的研究现状 4.国内的研究现状,1混凝土中钢筋的锈蚀,1.1混凝土中钢筋的锈蚀条件 1.2混凝土中钢筋锈蚀的影响因素 1.3 实际腐蚀构件中钢筋锈蚀程度的无损检测 1.4 质量损失法测锈蚀率 1.5 锈蚀钢筋的力学性能研究,1.1混凝土中钢筋的锈蚀条件,钢筋锈蚀是混凝土耐久性的一个主要问题，处于混凝土液相介质中的钢筋通常具备了电化学腐蚀的条件，当钢筋钝化膜被破坏之后，有反应所需要的水和氧气时，钢筋便开始锈蚀。因此，混凝土中钢筋的锈蚀现象普遍存在于钢筋混凝土结构中。锈蚀作用不仅导致钢筋截面积的削弱

2、、力学性能的退化，且将由于锈蚀产物密度小于钢筋密度而产生体积膨胀，致使混凝土保护层开裂、脱落，削弱了钢筋和混凝土的共同作用。随着保护层的不断开裂、脱落，混凝土逐步失去对钢筋的保护作用，锈蚀进一步加剧。由此形成恶性循环，其直接危害是构件服役效果锐减。,图1：混凝土中钢筋锈蚀的电化学机理,图2：金属离子的体积变化,1.2 混凝土中钢筋锈蚀的影响因素,混凝土中钢筋锈蚀的影响因素主要包括混凝土的密实度、混凝土保护层厚度及完好性、混凝土的内部结构状态、混凝土的液相组成(PH值、氯离子含量等)以及周围介质的腐蚀性、周期的冷热交替作用、冻融循环作用等。由于腐蚀介质与机理不同，伴随腐蚀过程的各种理化特征也不一

3、样，李青写的用概率统计方法评价局部锈蚀给出了主要的腐蚀影响因素及相应的现象(见表1)。,表1：迄今从腐蚀现象中观察到的概率分布,1.3实际腐蚀构件中钢筋锈蚀程度的无损检测,自然电位法：由于混凝土中的钢筋与周围介质在交界面上形成双电层，其电位值大小能反映出钢筋所处的状态。自然电位法可以测定这个电位与参比电极之间的电位差，从而判定钢筋的锈蚀状态，这种方法相对比较成熟，美、日、德及我国冶研院等都制定了判别标准。我国交通部研制的GXY一1A型钢筋锈蚀测量仪是采用半电池测量电位变化，半电池法测量钢筋锈蚀工作原理图见图2。,图3.半电池法测量钢筋锈 蚀工作原理图,作者利用此钢筋锈蚀仪对一批受腐蚀钢筋混凝土

4、梁进行了钢筋锈蚀的无损检测，图3所示为量测点位置分布图。由检测结果可绘制构件侧面电位分布图，在电位绝对值较低区域钢筋锈蚀轻微，随着电位绝对值的增大，钢筋锈蚀程度加剧，从而使构件中钢筋的锈蚀程度得以定性的描述，根据不同的电位分布对钢筋锈蚀程度的判据见表2但由于钢筋表面电位随环境湿度而变化，这种方法判定的钢筋锈蚀状态还比较粗糙，仅能对构件中钢筋的锈蚀状态作出一个定性的描述，并不能得到钢筋的重量损失率或截面损失率等定量数据。,图3 测电位分布图,表2 钢筋锈蚀状态的判断依据,1.4 质量损失法测锈蚀率,普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法(GBJ 8285)要求,用质量分数为12%的盐酸溶液对锈蚀钢

5、筋试件进行酸洗,清除钢筋表面的锈蚀产物和混凝土。然后,经清水漂洗后用石灰水中和,再以清水冲洗干净。放入干燥器中存放4 h后取出,用电子天平称取钢筋试件的锈后质量mc, 锈蚀钢筋试件的锈前质量m0。按照下式计算锈蚀钢筋试件的质量损失率(锈蚀率)。,1.5 锈蚀钢筋的力学性能研究,腐蚀作用造成钢筋的局部坑蚀将严重影响钢筋的力学性能，实际工程中钢筋的锈蚀是由最初的点蚀坑逐渐扩大发展的，锈蚀坑产生的缺口效应力集中将引起锈蚀钢筋屈服强度、极限强度、延伸率和粘结强度等力学性能指标的变化，蚀坑处应力集中现象对构件的受力性能有着严重的影响。所以很多学者在基于大量锈蚀钢筋的拉伸实验研究，建立了锈蚀后钢筋力学性能

6、(屈服强度、极限强度及延伸率)随钢筋锈蚀率的回归公式。比较典型的有 1.惠云玲，林志伸，李荣.锈蚀钢筋性能试验研究分析J.工业建筑，1997，27(6):10一13. 2.袁迎曙，贾福萍，蔡跃.锈蚀钢筋的力学性能退化研究J.工业建筑，2000，30(1):43一46.,2.钢筋单向受力的本构关系,2.1 加载速率对钢筋应力一应变曲线的影响 2.2 单向静力加载的应力一应变曲线 2.3 周期性静力加载应力一应变曲线,2.1 加载速率对钢筋应力一应变曲线的影响,钢筋的强度随加载速率(或应变速率)的提高而加大。图2.1a,是英国学者Wakabapashi 所做的软钢试验，图中的纵座标为钢筋应力与钢筋

7、屈服强度的比值，横座标为钢筋应变，曲线上所注的数字为应变速率，图2.2b为清华所做的试验，图中为达到屈服的时间，反映了加载的速率。显然，应变速率或加载速率对强度是有影响的，但加载的速率基本上不改变弹性模量和图形的形状。,图2.1不同应变速率的应力-应变关系,2.2 单向静力加载的应力一应变曲线,在单向静力加载的情况下，级和级钢的应力应变曲线如图2.2.1(a)和（b）所示。显然，同级钢筋的屈服强度，极限强度和屈服台阶也是在比较宽的范围内变动的。 这里要说明一下，不单是屈服强度是个重要的设计指标，屈服台阶的长度在延性钢筋混凝土构件中也很重要。延性较大的钢筋混凝土构件在承受地震荷载是，钢筋的变形也

8、有可能越过屈服台阶而进入强化阶段，因而钢筋混凝土构件全过程分析中需要对钢筋试件做出全过程的应力应变曲线以提供钢筋材性德基本参数。,图2.2.1（a）级钢筋,图2.2.1（b）级钢筋,2.2 单向静力加载的应力一应变曲线,采用高碳钢丝或钢绞线作为预应力钢筋时，没有明显的屈服台阶，如图2.2.2所示,图2.2.2 硬钢的应力应变关系曲线,2.3周期性静力加载应力一应变曲线,在地震荷载作用下，由于结构构件进入弹塑性振动钢筋可能在反复拉、压的大变形下工作。当钢筋进人屈服台阶后如果卸载后又反向再加载将会出Baushinger效应，即反向再加载时不再出现屈服台阶而成为曲线的应力应变关系。 图2.3.1是钢

9、筋反复加载的应力一应变滞回环，图2.3.1是大体对称的。 在图2.3.1中，实线为骨架曲线和卸载段，虚线为软化段(Baushinger效应)。如果把图2.3.1中的骨架曲线首尾相连，就可以得到如图2.3.2所示的骨架曲线。它和单向加载的应力应变曲线相接近。,包兴格效应,包兴格效应（Bauschinger effect，又译包辛格效应或包申格效应）是某些塑性材料的一种力学性质，表现为当材料受到某一方向的载荷作用（如拉伸）进入塑性变形阶段后，若接着施加相反方向的载荷（如压缩），将会发现此时材料的屈服应力会比直接施加后一种载荷时降低。 如图：包兴格效应的一个表征拉伸方向的塑性变形导致了材料压缩屈服应

10、力的降低，在应力应变曲线上呈现出拉压不对称性。,2.3周期性静力加载应力一应变曲线,图2.3.1周期荷载作 用下软钢的Baushinger效应,图2.3.2钢筋的骨架曲线,2.3周期性静力加载应力一应变曲线,图2.3.3所示为硬钢预应力钢筋在重复荷载作用下的应力一应变曲线把所有卸载点就是骨架曲线，它和单调加载的应力应变曲线相一致。 总之。不论软钢或硬钢、不论重复或反复加载，只要加载过程中不产生时效，它们的骨架曲线在计算中可以认为和单调加载的应力应变曲线是相一致的。,图2.3.3 预应力钢筋在重复加载下 应力应变关系,3. 国外研究现状,Yankelevsky 和Reinhardt 发表了“Un

11、iaxial Cyclic Behavious of Coneretein Tension ”和“Uniaxial Cyclic Behavious of Coneretein Compression” 。分析了单向荷载的应力应变关系 Kato，Kent-Park，sozen ，Blakeley 通过试验和软件分析分别建立了Kato模型，Kent-Park模型，sozen模型，Blakeley模型,3 国外研究现状,3.1 单向加载 3.2 反复加载,3.1 单向加载,软钢的应力一应变曲线可以分为三段：弹性段，屈服平台和强化段。 如图3.1所示，弹性段式以E（钢筋为弹性模量）为坡度的直线；屈服

12、平台式坡度为零的水平线；强化段可以用曲线活直线表示。,图3.1 软钢及硬钢应力应变关系,3.1 单向加载,实际上，当钢筋混凝土构件形成塑性铰以后，由于塑性区段混凝土的极限变形很少超过0.006，因此，钢筋受拉以后的变形即使越过屈服平台进入强化段，也只能达到不大的范围，从而强化段可以简化为直线(坡度为E=tga)。例如，Y. Higashibata就取E=0.01E等等。应该指出，不像，同级钢筋也是很分散的。,3.1 单向加载,硬钢的应力一应变曲线也可以分为三段：弹性段、软化段、后续段。其中软化段为一曲线，可以根据试验资料确定其方程式。下式就是一种：,3.2反复加载,3.2.1 Kato（加藤）

13、模型 在反复加载的情况下，卸载段往往采取E为坡度的直线(见图3.2.1),图3.2.1软钢应力应变模型,软钢在反复加载的情况下，卸载段往往采取E为坡度的直线.Kato给出了软化段的方程式,3.2反复加载,3.2.2Kent-Park模型 该模型采用Ramberg-Osgood应力应变曲线的一般表达式,上式表达的曲线形状依赖于指数r的赋值：r=1时反应弹性材料的直线；r=时为理想弹塑性材料的二折现；1r时逐渐过渡的曲线如图1所示.这一组曲线的几何特点是:所有的曲线均通过（2,1）点；r=1时直线的斜率为dy/dx=0.5,其余情况下（r1），曲线的初始斜率都等于dy/dx=1.,3.2.2Ken

14、t-Park模型,3.2.3 sozen 模型及其计算表达式,图3.3.3sozen 模型,3.3Blakeley 计算模型,图3.3的计算模型,4.国内研究现状,我国对未锈蚀钢筋的动力本够关系已经有了一定的研究，其中清华大学的王娴明、徐波、沈聚敏等人较为突出，并于90年代发表了反复荷载作用下钢筋的本构关系。 大连理工大学的李敏在2010年通过对建筑钢筋动态试验及其本构模型的研究，分析了加载速率对本构关系的影响 深圳大学的邹离湘在1996年通过对反复荷载下钢筋混凝土构件受力性能的分析研究，建立了单向重复荷载下钢筋的应力一应变关系。 清华大学滕智明在1996年利用有限元软件对反复荷载下钢筋混凝土

15、构件进行非线性有限元分析。,4.1 王娴明、徐波、沈聚敏等人的研究,徐波等人为防止在压向荷载循环下试件失稳，在保证应变传感器安装可靠的前提下，尽量减小试件的有效长度Lo。试验在电液伺服疲劳试验机上进行。液压夹具通过专门设计制作的过渡夹具夹紧试件，使拉、压荷载循环时均能很好地进行。试验装置和仪器见下图4.1.1和4.1.2。,4.1 王娴明、徐波、沈聚敏等人的研究,徐波等人共进行了18个试件的试验。加载历史分为以下七类 1.以原点为中心点，按等应效应变量控制对称加载（图4.1.3a） 2.以屈服台阶上某一点的应变值为中心点，按等应变增量控制对称加载图（图4.1.3b） 3.压应变为固定值，按拉向

16、等应变增量控制加（图 4.1.3c） 4.在加载曲线的软化段范围内反复循环加载（图4.1.3d） 5.对称加载，但每一加载循环重复多次（图4.1.3 e） 6.随机加载 7.单调拉伸,图4.1.3各类加载历史示意图,表3.试件加载类型和加载控制,图4.1.4 荷载对称于原点时的应力应变滞回曲线,图4.1.5 荷载对称于屈服台阶上一点的应力应变滞回曲线,图4.1.5 压应变为定值时的应力应变滞回曲线,图4.1.7在软化段范围内循环时的应力应变滞回曲线,图4.1.8 压应变为定值时的应力应变滞回曲线,图4.1.9 压应变为定值时的应力应变滞回曲线,图4.1.10 压应变为定值时的应力应变滞回曲线,

17、1第一次卸载后的塑性应变大小，亦即反向加载时的起始应变随,(图4.1.10中OB段),对反向加载的,曲线有显著影响。,当,值,较小时，反向,曲线软化不明显，仍有较,明显的服台阶，其屈服,强度与单调加载时的屈服强度相当接近，试件1及试件7的试验结果（图4.1.4,及图4.1.6 )充分丧明这一现象。但若,值较大，则反向加载的,曲线软化显著，已不再具有明显的屈服点。,曲线直接进入强化段，,试件9及试件11的试验结果(图4.1.5及图4.1.7)说明了这一现象。,2若卸载点的应变相同。则反向加载,曲线的路径亦相同，亦即在 两个,确定点之间,反复循环加载时，不论这两点是在骨架线上还是在软化段上，,都可

18、认为,曲线只与这点,的应变叭有关而与加载循环次数基本无关。试件,12, 13的试验结果(图4.1.8图4.1.9)说明这现象,3. 每次,循环回线大致以该回线中心点的应变为中心，成反向对称。,4. 各次荷载循环的卸载线为直线，其斜率可视为与初始弹性模量Eo相同。,4.2李敏的研究,李敏主要对建筑抗震设计规范中规定使用的建筑钢筋(HPB235、HRB335、HRB400)在地震作用范围内的应变率效应进行试验研究,应变率选用地震作用下结构可能遇到的范围(0. 00025/s0. 1/s),加载方式为单调拉伸加载、常幅值拉压循环加载和变幅值拉压循环加载,对比分析不同强度、不同直径的钢筋在不同应变率下

19、的力学和变形特性,并在对试验结果进行分析的基础上建立钢筋的动态循环本构模型。,试件尺寸见图4.2.1 ，试验机器：MTSNew 810电液伺服材料试验机上进行如图4.2.2,图4.2.1 试件尺寸,图4.2.2 MTSNew 810电液伺服材料试验机,试验内容,（1）钢筋HPB235、HRB335、HRB400在不同应变率下的单调拉伸加载,并考虑了试件直径对应变率敏感性的影响,选用试件(a)和(b)。 (2)钢筋HPB235、HRB335、HRB400在不同应变率下的常幅值拉压循环加载,幅值应变为0. 02,选用试件(c)。 (3)钢筋HRB400在不同应变率下的变幅值拉压循环加载,幅值应变依

20、次为0. 01、0. 02、0. 03、0. 04,选用试件(c)。 以上试验中,均为单轴加载,应变率均取地震作用下应变率变化范围内的四个典型值分别为2. 510-4/s、2. 510-3/s、2. 510-2/s、2. 510-1/s,每种情况进行三次试验。,图4.2.3 不同建筑钢筋在不同应变率下的拉伸应力-应变曲线,图4.2.3为试件(a)在不同应变率下典型的拉伸应力-应变关系曲线。从图4.2.3可以看出,随着应变率的增大,三种建筑钢筋的弹性模量基本不变,屈服强度和抗拉强度均提高,屈服平台长度变大,应变硬化的起始应变增大,峰值应变无明显变化,极限延伸率5先增大后减小。对试,单调拉伸,图4.3不同钢筋在不同应变率下的滞回曲线,等幅循环加载,图5比较了三种钢筋在应变率分别为2. 510-4/s和2. 51