摘要
钢筋的非均匀锈蚀形貌是决定锈蚀钢筋力学性能的关键.结合“电渗-恒电流-干湿循环”加速锈蚀方法与3D扫描技术,获取了13根不同锈蚀程度、不同直径钢筋试件的锈蚀形貌,并通过单调拉伸试验和数值模拟,研究了锈蚀程度及钢筋直径对其力学性能的影响.结果表明:钢筋的名义屈服强度、名义极限强度、名义弹性模量、硬化起始应变和名义峰值应变等特征参数均随着锈蚀程度的增加而降低,且较小直径钢筋的强度特征值受锈蚀影响更为显著;微段切分法的分析结果表明,锈蚀钢筋名义力学性能的劣化是由截面积削弱引发的,其实际力学性能并未改变;根据已有试验数据和模拟结果,以最大截面锈蚀率和平均质量锈蚀率作为锈蚀程度量化指标对各力学性能特征参数退化规律进行了标定,进而建立了非均匀锈蚀钢筋拉伸本构模型.
钢筋锈蚀是引发钢筋混凝土(RC)结构耐久性损伤与抗震性能劣化的主要原
现阶段,国内外学者多采用质量损失率、最大截面损失率等参数来量化钢筋锈蚀程度,量测方法也集中于失重法、游标卡尺量测法等.采用上述方法作为钢筋锈蚀程度量化指标,虽可以在均匀锈蚀假定下近似给出钢筋名义力学性能指标的退化规律,但并不利于深刻认识锈蚀钢筋力学性能劣化机理.近年来,3D扫描技术作为实物立体信息转换的新兴技术,在钢筋非均匀锈蚀力学性能研究中得到应用,该方法采用激光扫描,以0.02 mm精度的点云数据参数化逆向重构锈蚀钢筋的几何形貌,从而在有限元分析软件中真实再现了钢筋非均匀锈蚀形貌,为非均匀锈蚀钢筋的数值模拟分析及力学性能研究提供了新的技术途径.
鉴于此,为深入研究锈蚀钢筋力学性能劣化机理与规律,本文采用“电渗-恒电流-干湿循环”加速锈蚀方法与3D扫描技术,获取并构建了不同锈蚀程度下、不同直径钢筋试件的非均匀锈蚀形貌,进而通过对具有非均匀锈蚀特征的各钢筋试件进行单调拉伸试验和数值模拟,研究锈蚀程度及钢筋直径对锈蚀钢筋力学性能的影响,以期为在役RC结构受力与抗震能力评估提供参考.
非均质的混凝土材料使得侵蚀介质传输途径和输运机理存在差异,从而导致了自然环境下混凝土内部钢筋锈蚀的非均匀性.因此,为了获取与自然环境一致的钢筋锈蚀形态,本文设计制作了13根不同锈蚀程度、不同直径的钢筋试件置于混凝土板件中进行加速锈蚀试验,各试件设计参数如
本试验采用金伟良

图1 加速锈蚀试验装置
Fig.1 Accelerated corrosion test device
加速锈蚀试验完成后,将钢筋试件从混凝土板件中取出除锈,并使用无水乙醇清洗钢筋表面污垢,于室内环境下充分干燥.使用精度为0.001 g的天平量测钢筋锈蚀前后的质量m0和m1,并按
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上述工作完成后,使用精度为0.02 mm的激光扫描设备SCANTECH‑900对各锈蚀钢筋试件进行3D扫描,获取锈蚀后钢筋几何构形的点云数据,并利用Geomagic Studio软件进行数据预处理,去噪补缺,保证点云数据的完整性和正确性.然后,根据点云数据进行曲面重构,构建锈蚀钢筋的三维虚拟模型.在Polyworks MS2020软件中将扫描结果进行三角化模型的特征抽取,并创建沿钢筋纵向的1 mm等距离切面,以获取其剩余截面积.按照
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式中:A0为钢筋锈蚀前截面面积;为锈蚀钢筋最大锈蚀截面面积.
3D扫描完成后,采用MTS 322型万能试验机对各试件进行单调拉伸试验,锈蚀钢筋荷载-变形数据由控制系统自动采集.考虑到应变速率对锈蚀钢筋受力性能的影响,参考GB/T 228.1—2010《金属材料 拉伸试验 第1部分:室温试验方法》,采用等速位移控制加载方式对不同长度试件施加轴向拉力,取不同长度试件的名义应变速率,并按
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式中:Lc为试件的原始标距.
根据单调拉伸试验结果,绘制各钢筋试件荷载-位移(P‑Δ)曲线,并将各P‑Δ曲线倒算为名义应力-应变(σ‑ε)本构关系,结果如

图2 试件P‑曲线与σ‑ε曲线
Fig.2 P‑ curves and σ‑ε curves of specimens
由
采用微段切分法(见
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式中:Pi为i时刻钢筋承受的拉力;Aj为钢筋第j段剩余截面面积.

图3 微段切分法示意图
Fig.3 Schematic drawing of micro segmentation
以钢筋实际力学性能不变为前
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式中:f (σj)为未锈蚀钢筋本构关系的反函数.
依次计算各拉伸荷载下每个微段钢筋的变形量,通过累加获得锈蚀钢筋的总变形量Δli,见
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式中:Δlj、lj分别为钢筋第j段的变形量、等间距微段长度.

图4 锈蚀钢筋荷载-位移曲线对比
Fig.4 Comparison of P‑ curves of corroded steel bars
本节基于1.3非均匀锈蚀钢筋的3D扫描模型,通过Geomagic Studio软件进行模型文件格式转换,获得可用于Abaqus有限元软件计算的STP格式实体模型.以1.1中未锈蚀钢筋试验数据为材料信息输入,按照试验加载情况设置钢筋受拉段,加载方式、加载制度以及边界条件均与试验保持一致,采用C3D10四面体单元进行自适应网格划分,并在局部坑蚀严重处采用较小网格进行二次划分.提取加载端耦合点的竖向位移以及固定端耦合点的反作用力,获得锈蚀钢筋模型的P‑Δ曲线(simulation curve),如
由
现阶段,关于完好钢筋拉伸本构模型的研究已相对成熟,可考虑钢筋单调加载时的屈服、硬化和软化等行为,并已集成于OpenSees等软件实现程序化.而锈蚀钢筋本构模型因受限于锈蚀方法不同以及锈蚀随机性的影响,导致其计算精度和通用性较差.鉴于此,本文收集了部分既有锈蚀钢筋拉伸试验数
为建立平均质量锈蚀率ηm与最大截面锈蚀率ηs的关系,将Sun
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图5 钢筋名义本构模型特征量与锈蚀率的变化规律
Fig.5 Variation of characteristic parameters of nominal constitutive model and corrosion rate of steel bar
由前文可知,锈蚀钢筋名义本构模型的各强度特征值退化程度受锈蚀较大的最不利截面影响,可选取最大截面锈蚀率ηs作为钢筋锈蚀程度量化指标,来表征锈蚀钢筋名义屈服强度fyη、名义极限强度fsη和名义弹性模量Esη等强度特征值的退化规律.各变形特征值与沿钢筋纵向的坑蚀分布有关,但考虑到现在还没有精度较高的量化钢筋纵向非均匀锈蚀分布的方法,同时考虑到工程实际的可行性、钢筋材料的变异性以及锈蚀的随机性,仍以平均质量锈蚀率ηm来表征锈蚀钢筋硬化起始应变εpη和名义峰值应变εsη等变形能力的退化.采用
由
为便于本构模型的应用,采用线性拟合建立各锈蚀钢筋试验结果的名义屈服强度fyη、名义极限强度fsη、名义弹性模量Esη、硬化起始应变εpη、名义峰值应变εsη与最大截面锈蚀率ηs、平均质量锈蚀率ηm的关系,结果如
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式中:fy0、fs0、Es0、εp0、εs0分别为未锈蚀钢筋的名义屈服强度、名义极限强度、名义弹性模量、硬化起始应变和名义峰值应变.
将前述以最大截面锈蚀率ηs、平均质量锈蚀率ηm为参数标定的各特征值退化关系引入到未锈蚀钢筋本构模
采用本文试件DL‑2、DL‑8、DL‑11、DL‑12以及Sun

图6 锈蚀钢筋拉伸本构曲线验证
Fig.6 Validation of tensile constitutive curve of corroded steel bars
(1)锈蚀钢筋的名义屈服强度、名义极限强度、名义弹性模量均随最大截面锈蚀率的增大而呈线性退化趋势,且退化率与最大截面锈蚀率增量基本相当,各强度特征值退化速率基本相近.
(2)基于3D扫描技术获得非均匀锈蚀钢筋的真实形貌,采用微段切分法证明了锈蚀钢筋拉伸力学性能的退化主要是由锈蚀造成的钢筋横截面积的削弱引发,而其实际力学性能并不发生改变.
(3)基于已有试验数据,建立了最大截面锈蚀率与平均质量锈蚀率的关系,且定量描述了各特征值随锈蚀率的退化规律,建立了锈蚀钢筋拉伸本构模型,为在役钢筋混凝土结构的受力与抗震能力评估提供了参考.
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