含有侧向约束的腐蚀钢筋的屈曲力学性能的实验研究与应用

《Structures》：Experimental study and application of buckling mechanical properties of corroded rebars containing lateral constraints

受腐蚀主筋在横向约束下的屈曲行为研究：开发新型约束装置，通过47根变形钢筋的加速腐蚀、3D激光扫描及单调拉压试验，揭示腐蚀加剧拉伸颈缩和压缩屈曲的现象，提出修正D-M模型及等效计算方法，验证模型与实验结果吻合。

　　

张一博|郑珊硕|李雅辉|董立国

西安建筑科技大学土木工程学院，中国西安710055

摘要

为了研究沿海钢筋混凝土（RC）结构中受腐蚀的主钢筋在侧向钢筋约束下的屈曲行为，开发了一种新的侧向约束装置来模拟箍筋的效果。共有47根变形钢筋经历了电化学加速腐蚀、3D激光扫描以及单调拉伸和压缩加载试验。拉伸试验的变量包括腐蚀程度和钢筋直径；压缩试验的参数包括细长比、腐蚀程度和侧向约束程度。结果表明，腐蚀加剧了钢筋在拉伸时的缩颈现象，并促进了压缩时的屈曲失效，导致名义强度指标和变形能力均有所下降。随着细长比的增加，屈曲发生得更早、更严重，屈曲后的残余承载能力也降低。增强的侧向约束提高了受腐蚀钢筋的屈曲抵抗力并增加了其承载能力。最后，基于现有的试验结果对受腐蚀钢筋的单调拉伸本构模型进行了修改。提出了一种考虑侧向约束的等效计算方法，并通过修改Dhakal和Maekawa（D-M）屈曲模型，开发了受侧向约束时受腐蚀钢筋的单调屈曲本构模型。所提出的本构模型通过数值模拟在结构构件尺度上得到了验证。该模型的预测结果与本研究及文献中的实验结果吻合良好。

引言

沿海地区的RC结构持续暴露在富含氯离子和潮湿的环境中。氯离子的侵入会破坏钢筋表面的钝化膜。随着时间的推移，氯离子、水和氧的联合作用会引发钢筋的腐蚀，从而导致结构耐久性的下降[1]。此外，许多沿海RC结构位于地震带。在强地震作用下，RC构件会受到严重的循环载荷，导致钢-混凝土界面的粘结失效、核心混凝土的压碎以及主钢筋的屈曲或断裂[2]、[3]、[4]。腐蚀和屈曲都会降低钢筋的力学性能，从而影响RC结构的抗震安全性。因此，对受腐蚀RC结构的抗震性能评估必须考虑钢筋腐蚀和屈曲的联合效应。

现有的对受腐蚀钢筋的单调拉伸试验[5]、[6]、[7]表明，腐蚀不会改变拉伸应力-应变曲线的一般形状。然而，由于截面损失，强度会下降。在如RC柱和剪力墙等垂直承重构件中，钢筋在地震作用下不仅受到拉伸载荷，还受到压缩载荷。对未腐蚀钢筋的单调压缩试验[8]、[9]、[10]的结果表明，由于材料和几何非线性，细长比（表示为L/D）的增加会降低压缩稳定性。这种变化改变了应力-应变曲线的类型并降低了钢筋的强度指标。当腐蚀导致截面不均匀损失时，压缩过程中钢筋轴线会产生偏心载荷，从而在薄弱部位产生应力集中，促进钢筋屈曲。Kashani等人的实验研究[11]、[12]进一步揭示，受腐蚀钢筋的屈曲行为受到不均匀腐蚀分布的显著影响，较高的腐蚀程度会导致较低的屈曲抵抗力。值得注意的是，RC构件中主钢筋的屈曲长度通常假设等于侧向钢筋的间距。然而，对RC构件的轴向压缩和循环载荷试验[13]表明，主钢筋的屈曲长度可能超过两个或更多的侧向钢筋间距。Scribner[14]基于六根RC梁的低周载荷试验报告称，侧向钢筋的间距是影响钢筋屈曲的关键因素，主钢筋的屈曲长度根据箍筋配置的不同，可以从侧向间距的一倍到三倍不等。这些发现强调了研究具有不同细长比和侧向约束程度的受腐蚀钢筋的屈曲行为的重要性。

Dhakal和Maekawa[8]提出了一种基于最小能量原理的简化且可靠的计算方法，用于计算主钢筋屈曲后的平均应力-应变行为，称为D-M模型。该模型的可靠性通过各种矩形RC柱的实验结果得到了验证。然而，D-M模型没有考虑侧向约束对主钢筋屈曲后行为的非线性影响。在此基础上，Zong和Kunnath[15]为圆形RC构件开发了一种“梁-弹簧”模型，其中主钢筋被建模为弯曲构件，侧向钢筋被理想化为弹簧。该模型通过数值模拟得到了验证。然而，当应用于大规模或复杂的RC结构时，该方法的建模和计算效率较低。重要的是，该模型没有考虑钢筋腐蚀的影响。这些局限性表明，开发一个适用于不同侧向约束程度的受腐蚀钢筋的准确屈曲本构模型是必要的。这样的模型为基于纤维的数值框架中的高效便捷实现提供了基础。

因此，本研究对47根具有不同直径、细长比、腐蚀程度和侧向约束程度的变形钢筋进行了电化学加速腐蚀、3D激光扫描以及单调拉伸和压缩试验。在压缩试验中，设计了一种新的侧向约束装置来抑制钢筋屈曲，通过改变侧向间距来模拟实际结构中箍筋的效果。分析了在不同设计参数组合下受腐蚀钢筋的单调拉伸和压缩行为。基于D-M模型和试验结果，开发了考虑腐蚀和侧向约束的受腐蚀钢筋的拉伸和屈曲行为的经验本构模型。这些发现为受腐蚀RC构件的精细数值分析以及受腐蚀RC结构的抗震性能评估提供了基础。

部分摘录

试样设计

为了研究受腐蚀钢筋的拉伸行为，制备了13根具有不同直径和腐蚀程度的变形钢筋。这些钢筋嵌入不同长度的混凝土板试件中，并经历了加速电化学腐蚀以达到所需的腐蚀程度。如图1所示，所有试样的尺寸相同，仅板长不同。试样的设计参数总结在表1中。

为了研究...

钢筋的腐蚀和失效模式

图4展示了不同目标腐蚀程度下主钢筋的典型腐蚀特征。可以看出，本研究中采用的加速表面腐蚀方法产生了不均匀的腐蚀形态。面向负电极的钢筋径向表面腐蚀严重，而暴露在较低浓度电解质下的相反表面腐蚀相对较轻。

建立和验证受腐蚀钢筋在拉伸和压缩载荷下的本构模型

目前，关于完整钢筋在拉伸和压缩载荷下的本构模型的研究已经相对成熟。这些模型考虑了单调载荷下的屈服、硬化、屈曲和软化行为，并已在OpenSees等计算平台中得到应用。相比之下，由于腐蚀方法的变化以及腐蚀的固有随机性，受腐蚀钢筋的本构模型在准确性和通用性方面仍然有限。

提出的受腐蚀钢筋本构模型的数值应用

为了进一步验证第4节中提出的受腐蚀钢筋的拉伸和压缩本构模型的准确性，将这些模型纳入结构尺度的数值模拟中。使用OpenSees中的纤维截面模型和非线性梁-柱单元，对文献[3]中报道的受腐蚀RC框架柱的滞回响应进行了建模和分析。选定的试件的几何尺寸、钢筋细节和其他设计参数如下所示

结论

本研究设计了一种新的侧向加固装置，用于抑制主钢筋的屈曲，模拟实际结构中箍筋的作用。对具有不同钢筋直径、细长比、腐蚀程度和侧向约束程度的钢筋试件进行了单调载荷下的拉伸和压缩试验。分析了这些参数对钢筋拉伸和压缩力学性能的影响，并建立了经验本构模型。

CRediT作者贡献声明

张一博：撰写——审阅与编辑、撰写——初稿、软件、方法论、数据管理、概念化。李雅辉：撰写——审阅与编辑、撰写——初稿、方法论、数据管理。郑珊硕：撰写——审阅与编辑、资源获取。董立国：撰写——审阅与编辑、方法论。

利益冲突声明

本手稿的提交不存在利益冲突，所有作者均同意发表该手稿。

致谢

本工作得到了国家自然科学基金（52278530）和国家重点研发计划（2019YFC1509302）的支持。