箍筋锈蚀矩形柱内约束混凝土应力应变关系研究

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随着钢筋混凝土结构服役年限的增加,处于海洋、盐碱、冻融等环境下的结构耐久性问题日益突出,其中钢筋锈蚀成为引起结构性能退化的重要因素之一。箍筋能约束钢筋混凝土结构的横向变形,提高其抗震性能。箍筋锈蚀后,屈服强度和刚度等将明显削弱,箍筋与混凝土之间的粘结性能被破坏,混凝土保护层产生锈胀裂缝甚至剥落,结构产生初始损伤,影响结构的服役寿命。为评估箍筋锈蚀后钢筋混凝土结构的剩余承载力,为结构耐久性提供指导,本文考虑了截面形状、箍筋布置、体积配箍率(箍筋间距)、锈蚀程度等参数建立了29组(18组锈蚀试件、9组无锈蚀对照组和2组素混凝土试件)矩形截面轴心受压柱,对箍筋锈蚀矩形柱内约束混凝土应力-应变关系展开研究,研究内容与成果如下:(1)采用法拉第定律(Faraday’s law)预设箍筋目标锈蚀率后,对18组试件进行电化学加速锈蚀,以达到箍筋锈蚀的目的。箍筋锈蚀后,各组试件锈蚀形态较为相似。锈胀产物体积膨胀产生锈胀裂缝,锈胀裂缝数量正面多于侧面,试件角部及边缘较多而中部较少。锈胀裂缝的平均宽度与最大宽度均随着箍筋锈蚀率的增加而增加,呈正相关。(2)对29组矩形柱试件进行轴心抗压试验,分析并总结了试件的破坏过程和特征、应力-应变曲线以及试件设计参数对于特征参数的影响。结果表明,箍筋锈蚀后试件的裂缝开展更快、更早,保护层剥落面积更大。未锈蚀对照试件的裂缝延伸速率较缓,横向变形较小,中部保护层隆起度也较小。随着箍筋锈蚀率的增加,约束混凝土的峰值应力、峰值应变、延性均有所降低,且体积配箍率越小,影响越显著。增加箍筋肢数可以有效提高箍筋对核心混凝土的约束能力,提高试件的承载力及变形能力。受截面尺寸效应的影响,增加截面尺寸后,约束混凝土的承载能力及变形能力变化显著。(3)对电化学加速锈蚀试验与轴心抗压试验所得到的试验结果进行分析总结,研究箍筋锈蚀率、体积配箍率(箍筋间距)、配箍形式、截面形式等设计参数对峰值应力、峰值应变、极限应变等特征参数的影响规律。基于Willam-Warnke混凝土五参数破坏准则和Mander约束混凝土理论模型,在理论推导的基础上进行非线性回归,推导出锈蚀箍筋矩形柱内约束混凝土峰值应力、峰值应变和极限应变模型方程。并以特征参数方程为基础,推导出锈蚀箍筋矩形柱内约束混凝土全曲线方程。各预测模型与试验模型的吻合度较好,本文的研究结果可为钢筋锈蚀混凝土柱力学性能的评估及在役结构性能的预测提供理论支撑和科学依据。
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