钢筋混凝土论文

钢筋混凝土论文

关于钢筋混凝土的认识

防灾减灾工程及防护工程 曹军伟 指导老师： 张季超

一 基本概念

1、何谓钢筋混凝土结构？

(1)混凝土概念

混凝土是由水、细骨料、粗骨料和掺和剂等经搅拌、浇筑成型的一种人工石材。它是土木、建筑工程中应用极为广泛的一种建筑材料。

(2)工程结构的概念

用一定的材料，建造成具有足够抵抗能力的空间骨架，抵御可能发生的各种作用（力或变形），这种骨架就是工程结构。

(3)（素）混凝土结构的概念

由混凝土材料浇筑而成的用来抵御自然界各种作用的空间骨架称为混凝土结构。

(4)钢筋混凝土结构的概念

①素混凝土结构（同上）：高抗压抵抗拉，应用范围有限，开裂即破坏

（受拉、受弯等）。

②钢筋混凝土结构

由钢筋和混凝土材料浇筑而成的用来抵御自然界各种作用的空间骨架

称为混凝土结构。 钢筋的存在可抵抗开裂处的拉力，应用广泛，破坏是由于钢筋的屈服。

其优缺点很多。

2、钢筋与混凝土两种性质很不相同的材料为什么能共同工作？

a. 接触面上存在有粘结强度，能够传递两者之间的相互作用力，共同受力； b. 温度线膨胀系数很接近；

c. 混凝土可作为钢筋的保护层，防止钢筋的锈蚀，保证构件的耐久性。

3、历史的发展。

19世纪中叶西欧国家出现混凝土结构。

设计方法的发展过程

①容许应力法 四十年代以前。

②破损阶段设计法 五六七十年代。

③单一安全系数法 八十年代。

④极限状态设计法 八十年代末。

二 混凝土结构的材料的力学性能

本章主要讲述钢筋和混凝土两种材料的力学性能，掌握钢筋、混凝土的抗压、抗拉强度；理解弹性模量、变形模量等概念；掌握徐变等现象；了解粘结强度的产生及保证措施。

§1 钢筋

1、钢筋分类

(1)按化学成分

①碳素结构钢：低≤0.25%、中0.25%～0.6%、高碳钢0.6%～1.4%。

②普通低合金钢：加入少量的合金元素，以改善材料性能。

材料中碳、硅、锰等为杂质；S、P、O、N等为有害元素。

(2)按生产加工工艺。

①热轧钢筋：Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ级钢筋。

②冷拉钢筋：在常温下将普通热轧钢筋进行强力拉伸至超过屈服点而进入强化阶段，迫使钢筋内部晶体组织发生改变，从而提高钢筋屈服强度的钢筋。

③热处理钢筋：将Ⅳ级热轧钢筋等经过回火和淬火处理后制成的。其强度和硬度都有所提高。但塑性和韧性有所降低。

④钢丝：直径小于6mm的钢筋称为钢丝。我国有碳素钢丝、刻痕钢丝、钢绞线及冷拔低碳钢丝。

(3)按外形

①光面钢筋。

②变形钢筋：有螺纹，人字形、月牙形纹。

(4)按物理性能。

①有明显物理屈服点。

②无明显物理屈服点。

2、钢筋力学性能。

(1)钢筋强度和变形指标。

①对钢筋质量检验的四项指标。

屈服强度、极限强度、伸长率、冷弯性能是有明显物理屈服点钢筋进

行检验的四项主要指标；对无明显物理屈服点的钢筋只测定后三项。

②钢筋的设计强度。

钢筋的屈服强度是钢筋强度的设计依据，原因是构件可能在尚未进入

强化阶段之前就已破坏或产生过大的变形和裂缝。

③屈强比

屈服强度与极限强度的比值称为屈强比。它表示结构可靠性的潜力。

④伸长率

反映钢筋塑性性能及变形能力的物理量。通常用δ5，δ10表示，其物理含义

是表示钢筋试件拉断后的伸长值与原长之比。（l05d，l010d），ll0

l0100%

⑤冷弯性能

在常温下将钢筋绕一定直径的辊轴进行弯曲，而不出现裂纹或断裂的现象，称为冷弯性能符合条件。

其主要参数是：弯心直径和冷弯角度。

3、钢筋的冷加工

(1)冷拉

①概念：在常温下将普通热轧钢筋进行强力拉伸至超过屈服点而进入强化阶段，迫使钢筋内部晶体组织发生改变，从而提高钢筋屈服强度的钢筋。

②冷拉强化与冷拉时效：冷拉强化卸荷后，重新加载，则其屈服强度有所提高，即为冷拉强化（此时应力应变曲线按卸荷线发展）；若过一段时间再加载，则屈服强度教冷拉强化的屈服强度还高（其应力应变曲线不再按原先曲线发展）。

③冷拉控制应力、冷拉率：应控制在一定的范围之内，不能过大，也不能过小。

原因：过小，屈服强度提高有限；过大，有可能拉断，或者虽不拉断，但其塑性降低太多变脆。

(2)冷拔

将热轧钢筋用强力拔过比其直径小的硬质合金拔丝模，使其产生塑

性变形，拔成较细的钢丝。

(3)冷拉与冷拔的区别

冷拉只能提高钢筋的抗拉强度，不能提高其抗压强度；冷拔既能提高钢筋的抗拉强度，又能提高钢筋的抗压强度。它们的塑性都降低。

(4)冷轧（国家建设部推广使用钢材，金华地区几年前采用）。

①概念：以普通低碳钢或低合金钢热轧圆盘为母材，在常温下进行轧制而成的表面带有纵肋和月牙纹横肋的钢筋。

②特点：冷轧钢筋的极限强度与冷拔低碳钢丝相近，但伸长率比冷拔低碳钢丝有明显提高。用之取代普通低碳钢和冷拔低碳钢丝，可改善构件在正常使用阶段的受力性能和节约钢材。

§2 混凝土

1、混凝土是一种人工石材——砼

混凝土使用水泥、水、细骨料、粗骨料等原料按一定比例搅拌浇筑，并

经养护硬化后做成的人工石材。

2、混凝土的强度

(1)立方体抗压强度fcu

①砼立方体抗压强度标准值fcu，k如何测试？其表示方法及强度等级的划分？

a.采用边长为150mm的立方体试块，在温度为17～23℃，相对湿度在90%

以上的空气中养护28天，按标准的试验方法加压到破坏，所测得的具有95%保证率的抗压极限强度值，用fcu，k表示，并以次作为划分混凝土强度的依据。

标准试验方法：0.15～0.3N/mm2•s速度加载,不涂润滑油。

b.混凝土可分为12个强度等级，用CX来表示，X为混凝土立方体抗压

强度值,单位为N/mm2。C7.5,C10…C50,C55,C60等。

②影响立方体抗压强度的因素。

a.试验方法有关：不涂润滑油。

涂润滑油。

b.试块尺寸与形状：大、小、方、圆。

c.养护条件和龄期：潮湿条件下比干燥条件下养护强度高，随龄期的增

长强度逐渐增长。

d.加载速度：快大慢小

③立方体抗压强度的定量关系？

fcu1500.947fcu150，fcu1501.05fcu200

欧、美、日等国取尺寸为：d=150mm，高为300mm的柱体，其强度为：

f‘。 c0.79fcu。

④混凝土的破坏状况。

无润滑油时，垫板对混凝土存在有套箍作用，形成两个对顶的棱锥体；

有润滑油时，垫板对混凝土无套箍作用，形成纵向几个小短柱而破坏。

(2)棱柱体抗压强度（轴心抗压强度）fc

①试块尺寸：棱柱体常用边长为150或100的试块。

②强度及其表示方式：fc0.76fcu，其强度低于立方体抗压强度。

考虑结构构件与试件制作及养护条件的不同，尺寸效应及加荷速度等

因素的影响，《规范》规定取fc0.67fcu。

③破坏情况：中间1/3区段处于单向均匀受力状态，由于产生竖向裂

缝而产生压酥破坏。

④fc与fcu差异区别：抗压强度的大小取决于横向变形的约束条件。

因此，在混凝土构件计算时，应根据不同的受力状态采用不同的抗压

强度值，如受弯、偏压。

(3)抗拉强度ft

①试验方法：a:直接测试法。

b:劈拉试验。

②试块：100×100×500，钢筋深入150mm。

3③强度：只有抗压强度的5%～10%；ft0.23fcu，（考虑一些不利因素，2

原系数是0.26）。

④破坏：试件中部产生横向裂缝，或劈成两块。

(4)混凝土的复合受力状态。

①混凝土双轴受力强度：看受力图，四个象限。双向受压可提高混凝土的抗压强度。

②混凝土三轴受力强度：可大大提高混凝土的抗压强度。

3、混凝土的变形。

（1）混凝土一次短期荷载下的变形：

（混凝土的破坏机理；为什么限制混凝土横向变形、快速加荷时可以提高其抗压强度？）水泥浆与骨料之间的接触面上存在有微裂缝，它是混凝土中最薄弱的环节;称为结合裂缝。

①混凝土破坏的三阶段：

a.当混凝土中ζ≤时，结合裂缝没有明显发展,应力应变成线性关系； 3fc

b.随ζ↑，产生新的微裂缝，这种新的微裂缝的形成和发展，使应变增长较快，应力应变曲线变化，应力不↑，裂缝不再继续扩大延伸，裂缝发展处于稳定状态；

c.当ζ=0.8fc时，微裂缝与结合裂缝已连成通缝，此时裂缝发展处于非稳定状态，即使荷载不再增大，裂缝也要持续开展，形成宏观裂缝，最后形成小柱体压酥破坏。

综上所述，混凝土受压破坏是由于内裂缝的发展引起的。因此，如果对横向变形加以约束，限制内裂缝的发展，则可提高混凝土的抗压强度；同理，当快速加荷时，内裂缝来不及开展，固强度有所提高；反之，在荷载长期作用下强度有所降低，当ζ=0.8fc时，构件也会遭到破坏，固取0.8fc为混凝土的长期强度。

②混凝土的极限压应变ε（0.002,0.0033）：均匀受压，非均匀受压。

混凝土变形由弹性变形与塑性变形两部分组成，塑性越大，表示变形能力越大，延性越好。

混凝土材料的延性是指混凝土耐受变形或后期变形的能力。延性好可防止构件脆性破坏，对抗震也有利。强度低，加载慢，延性增加，配置横向钢筋可提高构件延性。（钢筋混凝土结构的混凝土强度等级不宜低于C15；Ⅱ级筋时不宜低于C20；新Ⅲ级HRB400筋及承受重复荷载时不宜低于C20；预应力构件不宜低于C30；钢丝等不宜低于C40）。

（2）混凝土横向变形系数ch

cv：横向应变与纵向应变之比。

（3）约束混凝土的变形：套箍限制作用。

（4）混凝土弹性模量和变形模量。

①弹性模量

a. 初始弹性模量E0：原点切线斜率。

b. 如何测试？（重复荷载下的变形）：采用棱柱体试件加载至0.5fc，然后卸荷至零，如此重复5～10次，每次卸荷至零时都存在残余应变，随重复次数的增加，曲线趋于直线化，其斜率即为弹性模量Ec

若超过0.5fc值，重复几次后，也呈现直线形，但继续重复加卸荷，则

应力应变曲线反向弯曲。

②割线模量：应力-应变曲线上任意点与原点的连线的斜率称为混凝土的割线模量。

③切线模量：应力-应变曲线上任意点的切线的斜率称为该点的切线模量。 ④弹性系数（弹性应变与总应变的比值）：弹性应变ε

（5）混凝土在长期荷载作用下的变形——徐变

①徐变的概念：混凝土在长期荷载作用下，即使应力维持不变，其应变也会随时间继续增长，这种现象称为混凝土的徐变。

②产生原因（说法纷纭）：

a.尚未转化为结晶体的水泥凝胶体的塑性变形；

b.混凝土内部微裂缝在长期荷载下的持续发展。

③徐变过程。

加载瞬间产生了弹性变形ce，随后伴随有收缩变形ch和徐变cr，徐变前快后

’‘慢。卸荷后，可立即恢复的变形为ce，经一段时间可逐渐恢复的为qe称为弹性

‘后效，剩余的为残余变形cr ce与总应变ε。

④影响徐变的因素：

a.内在因素：骨料组成配比，水灰比等。骨料弹性模量越大、骨料体积

比越大、水灰比越小，徐变越小；

b.环境因素：养护及使用条件。温度、湿度越高（养护），水泥水化作

用越充分，徐变越小；在高温干燥环境中徐变越大；

c.应力条件：初应力及加载时的龄期。加载时的龄期越长，混凝土内部结晶体越多，徐变越小；当初应力ζ＜0.5fc时，徐变与初应力呈正比，徐变系数cr为常数；当ζ=（0.5～0.8）fc时，徐变增长较应力快，非线性徐变但ce

收敛；当ζ＞0.8fc时，徐变为非收敛的，故以次为混凝土的长期抗压强度。

（6）混凝土收缩和膨胀（次要）

①概念：混凝土在空气中结硬时体积减少的现象称为收缩。

②收缩的原因：

a.凝缩：水泥水化形成水泥晶体，体积较小；

b.干缩：混凝土内自由水分的蒸发。

c.其他原因：高标号水泥、水泥用量、水灰比越大、骨料弹性模量越小、

构件体表比越小等都会引起较大的收缩。

③收缩的危害：使构件产生初应力；开裂较早；预应力的损失。

④预防措施：早期养护条件改善，减少水灰比，提高水泥标号减少水泥用量，

加强振捣，高温高湿养护，改善骨料级配。

§3钢筋与混凝土之间的粘结力

1、粘结应力的概念及其分类（锚固粘结力与局部粘结力）。

在钢筋与混凝土接触面上产生的抵抗钢筋与混凝土相对位移的这种剪应力称为粘结应力。

按其作用性质可分为：锚固粘结应力和局部粘结应力。

2、粘结力产生的原因及其组成。

① 化学胶合力：混凝土颗粒化学作用产生的混凝土与钢筋间的胶合力； ② 摩擦力：混凝土收缩将钢筋紧紧握固而产生的摩擦力；

③ 机械咬合力——最大：由于钢筋表面凹凸不平与混凝土之间产生的机 械咬合力。

3、粘结力的测试方法、粘结的破坏以及影响粘结强度的因素？

（1）拔出试验法：一端埋入混凝土，另一端施力拔出。

破坏：光面钢筋，应力较小时由化学胶结力承受，较大时还有摩擦力；变形钢筋，主要由摩擦力和机械咬合力承受。

（2）影响粘结强度的因素：

①混凝土强度：提高而提高，与劈拉强度呈正比；

②保护层厚度：增加保护层，提高砼劈裂抗力；

③横向配筋：约束微裂缝发展，粘结强度得到提高；

④横向压力：约束微裂缝发展，使钢筋与砼摩擦力增大；

⑤浇筑位置：浇筑深度，顶部筋由于水分、气泡逸出，混凝土泌水下沉影响。

4、保证钢筋和混凝土之间粘结力的措施。

（1）保证锚固粘结应力和局部粘结应力的可靠传递：

①锚固长度la要求。

②采用直径较小的钢筋和变形钢筋：增加接触面积等。

（2）钢筋周围的混凝土应有足够的厚度（钢筋间距和保护层厚度）。

（3）钢筋末端设置弯钩。

（4）混凝土的浇筑：与钢筋位置有关、振捣等。

（5）锚固区的侧向压力。

三 受腐蚀钢筋混凝土耐久性能的研究

1 引言

钢筋混凝土结构是目前应用较广的结构形式之一。随着建筑物的老化和环境污染的加重，钢筋混凝土结构耐久性问题越来越引起国内外广大研究者的关注。在第二届国际混凝土耐久性会议上，Mehta教授指出："当今世界混凝土破坏原

因，按递减顺序是：钢筋腐蚀、冻害、物理化学作用"。他明确地将"钢筋腐蚀"排在影响混凝土耐久性因素的首位。而来自海洋环境的氯盐和用于化冰雪的除冰盐，又是造成钢筋腐蚀的主要原因。美国1984年报道，仅就桥梁而言，57.5万座钢筋混凝土桥，一半以上出现钢筋腐蚀破坏，40%承载力不足和必须修复与加固处理，当年的修复费为54亿美元；1988年报道，钢筋混凝土腐蚀破坏的修复费，一年要2500亿美元，其中桥梁修复费为1550亿美元（是这些桥初建费用的4倍）。加拿大早期大量使用除冰盐，使钢筋混凝土桥梁等破坏严重。欧洲、澳大利亚、海湾国家等，都有以氯盐为主的钢筋腐蚀破坏问题，其中英国修复费为每年50亿英镑。韩国曾发生一系列建筑物破坏、倒塌事件，其中很多也与"盐害"有关。在我国已经发现许多海港码头的混凝土梁、板使用不到10年已普遍出现顺筋锈胀开裂、剥落。北京、天津的许多立交桥，因为冷天撒盐化冰雪也日益暴露出严重的钢筋腐蚀问题，不得不斥巨资修复。

2 钢筋的的腐蚀机理

钢筋的腐蚀过程是一个电化学反应过程。

混凝土孔隙中的水分通常以饱和的氢氧化钙溶液形式存在，其中还含有一些氢氧化钠和氢氧化钾，PH值约为12.5。在这样强碱性的环境中，钢筋表面形成钝化膜，它是厚度为20-60?的水化氧化物（nFe2O3·mH2O），阻止钢筋进一步腐蚀。因此，施工质量良好、没有裂缝的钢筋混凝土结构，即使处在海洋环境中，钢筋基本上也能不发生腐蚀。但是，当由于各种原因，钢筋表面的钝化膜受到破坏，成为活化态时，钢筋就容易腐蚀。

呈活化态的钢筋表面所进行的腐蚀反应的电化学机理是，当钢筋表面有水分存在时，就发生铁电离的阳极反应和溶解态氧还原的阴极反应，相互以等速度进行。其反应式如下：

阳极反应

Fe - 2e → Fe2+

阴极反应

O2 + 2H2O + 4e → 4OH-

腐蚀过程的全反应是阳极反应和阴极反应的组合，在钢筋表面析出氢氧化亚铁，该化合物被溶解氧化后生成氢氧化铁Fe(OH)3，并进一步生成nFe2O3·mH2O（红锈），一部分氧化不完全的变成Fe3O4（黑锈），在钢筋表面形成锈层。红锈体积可大到原来体积的四倍，黑锈体积可大到原来的二倍。铁锈体积膨胀，对周围混凝土产生压力，将使混凝土沿钢筋方向开裂，进而使保护层成片脱落，而裂缝及保护层的剥落又进一步导致更剧烈的腐蚀。

3 受腐蚀钢筋混凝土结构性能研究的现状

3.1 研究方法

目前，对受腐蚀钢筋混凝土结构的研究方法主要是试验研究和有限元分析。试验研究中，腐蚀试件的模拟一是通过试验室试验，包括快速腐蚀试验（电化学腐蚀、加氯盐腐蚀等）和盐雾试验；二是长期自然暴露试验；三是替换构件法。有限元分析中，大多采用钢筋混凝土非线性有限元方法对受腐蚀钢筋混凝土构件进行非线性模拟。

电化学快速腐蚀试验通常是将试件浸入一定浓度的NaCl溶液中，用外部电源通以恒电流，混凝土中的钢筋做阳极，不锈钢做阴极，通过控制电流密度的大小和通电时间来控制钢筋的腐蚀量。在混凝土中掺加氯盐的快速腐蚀试验一般是在浇注混凝土试件时，在混凝土拌合物中加入一定比例的氯盐（如CaCl2），然

后在自然条件下放置，或是施加一定大小的电流进行加速腐蚀。盐雾室中的腐蚀试验是用来模拟氯化物在混凝土试件中的渗透，一般将试件放置在一个密闭的盐雾室中，盐雾室上部的四个角部各有一个喷雾口，盐雾室中还可以进行干湿交替、温度变化等。长期自然暴露试验是将钢筋混凝土试件放置在各种自然侵蚀环境，如大气环境、海洋环境、化工环境中，试验的周期较长，但能够较真实地反映实际情况。替换构件法是对长期处于腐蚀环境下的、实际工程中的钢筋混凝土构件从工作现场拆下来，进行各种力学性能试验。

自然腐蚀的复杂条件需要在试验室用简单但具有代表性的方法模拟，如何在试验室更好地模拟真实的腐蚀环境对构件的作用，在较短的时间里达到结构在一定时期后的腐蚀状态，对试验结果的可靠性非常重要。

3.2 受腐蚀钢筋混凝土构件的抗弯性能

钢筋腐蚀通常会改变正常配筋混凝土梁的破坏类型，完好梁一般为弯曲破坏，而受腐蚀梁很多情况下为剪切破坏[4]。受腐蚀梁在钢筋屈服前，受力裂缝不明显，裂缝高度很低，一旦出现高度较高的明显的受力裂缝，这时钢筋已经屈服，构件即将破坏。有试验表明[11]，钢筋腐蚀后，当压区腐蚀纵向裂缝宽度大于2mm时，在钢筋刚刚屈服的上部混凝土会出现被压碎的现象，破坏形态处于超筋梁和适筋梁的界限破坏状态。而当受拉钢筋腐蚀量大到一定程度时，构件会由适筋梁变为少筋梁。不管是出现超筋梁的破坏还是少筋梁的破坏，结构的破坏形态都是从有预兆的塑性破坏变为无预兆的脆性破坏。

随着纵筋腐蚀量的增加，钢筋混凝土梁的强度和刚度都在下降。钢筋腐蚀还增加了钢筋混凝土梁在使用荷载下的挠度和裂缝宽度。受腐蚀梁的抗弯强度下降主要有以下原因：钢筋腐蚀引起钢筋截面积减小；钢筋腐蚀引起钢筋名义屈服强度（由屈服荷载除以公称面积得到）减小；钢筋腐蚀引起钢筋和混凝土的粘结力下降，使得破坏区段内混凝土和钢筋的平均应变大于正常构件，不能充分地进行应力应变重分布，而导致钢筋与混凝土协同工作系数降低。只考虑腐蚀后钢筋截面积减小的计算弯曲强度与相应梁的试验弯曲强度差别较大，说明钢筋和混凝土的粘结强度降低是受腐蚀梁抗弯强度降低的主要影响因素。由于粘结力降低使得构件强度降低系数处于正常构件和无粘结构件之间。

对受腐蚀的压弯构件[11][14]，大偏压构件的横向受力裂缝到达纵向腐蚀裂缝位置后不象正常构件那样有规律地向上发展，裂缝分布很不均匀，裂缝间距大于正常构件，受力裂缝也相应增大。随着钢筋腐蚀量增加，开裂荷载与极限荷载的比值略有增加，屈服荷载与极限荷载的比值比较接近，即受拉钢筋达到屈服后受压混凝土很快达到极限压应变，构件破坏。说明受腐蚀构件的延性明显降低，脆性明显增加。小偏压受腐蚀构件的承载力和刚度均有较大的降低，在同级荷载作用下的钢筋和混凝土的应变和侧向挠度均明显大于正常构件，拉区混凝土裂缝发展不明显，脆性也明显增加。

3.3 受腐蚀钢筋混凝土构件的抗剪性能

由于混凝土构件中箍筋位于纵筋外边，其保护层总是比纵筋小，因此一般箍筋首先腐蚀，其腐蚀程度往往比纵筋严重，特别是在箍筋与纵筋交接处。而箍筋不仅直接影响钢筋混凝土构件的抗剪性能，而且受腐蚀的箍筋不能有效地约束混凝土，从而对构件的承载力有间接影响。

目前，对受腐蚀混凝土构件斜截面的研究并不多见。文献[4]指出箍筋的局部腐蚀与梁的损伤有很大关系，因而影响承载能力。文献[5]对暴露钢筋的混凝土梁的剪切强度进行了研究。

3.4 受腐蚀钢筋混凝土结构中钢筋和混凝土的粘结性能

受腐蚀钢筋混凝土构件性能劣化的一个主要原因就是粘结性能的退化。有些环境下钢筋的腐蚀不是均匀腐蚀，而是局部腐蚀，对钢筋与混凝土的粘结性能影响更大。

国内外研究者对腐蚀构件的粘结性能进行了大量的试验研究。一般采用拔出试件和梁试件[7][8]，也有用钢筋刻痕来模拟坑蚀[9]，还有用暴露的钢筋来模拟粘结破坏[5][6]。

在模拟钢筋表面局部腐蚀的拔出试验中，极限粘结强度在钢筋腐蚀达到某一个程度（试验给出值是1%[8]）之前有所增加，但随着腐蚀进一步增加，极限粘结强度不断降低直到可以忽略不计。在模拟钢筋表面相对均匀腐蚀的梁试验中，极限粘结强度也在钢筋腐蚀达到某一个程度（试验给出值是0.5%[8]）之前有所增加，而后随着腐蚀量的增加而降低，但降低得非常缓慢。两种试验都显示自由端的滑移值随着纵向裂缝的开展而迅速降低，表明钢筋约束突然丧失，标志着粘结破坏发生的临界滑移量受钢筋表面状况和约束程度的极大影响。

极限粘结强度在钢筋腐蚀初期的增加，可以解释为腐蚀所引起的体积膨胀使钢筋和混凝土之间的握裹力增加，从而使钢筋和混凝土间的粘结力不但没有下降反而有所上升。然而，在钢筋腐蚀后期开裂阶段随着腐蚀量的增加，特别是在局部腐蚀情况下，粘结性能将会受到钢筋肋严重退化、钢筋表面片状腐蚀、金属滑移及纵向裂缝加宽造成混凝土约束作用降低等因素的影响，从而降低。

粘结性能退化的机理是：1、钢筋的腐蚀产物是一层结构疏松的氧化物，在钢筋与混凝土之间形成一层疏松隔离层，明显地改变了钢筋与混凝土的接触表面，从而降低了钢筋与混凝土之间的粘接作用。2、钢筋的腐蚀产物比被腐蚀的钢材占据更大的体积，从而对包围在钢筋周围的混凝土产生径向膨胀力，当径向膨胀力达到一定程度时，会引起混凝土开裂。混凝土开裂导致混凝土对钢筋的约束作用减弱。混凝土开裂时的钢筋腐蚀量与钢筋直径、保护层厚度、混凝土强度、钢筋种类和钢筋位置等因素有关[12]。3、变形钢筋腐蚀后，钢筋变形肋将逐渐退化。在腐蚀较严重的情况下，变形肋与混凝土之间的机械咬和作用基本消失。

3.5受腐蚀钢筋混凝土结构在使用荷载作用下的性能

钢筋混凝土构件实际上都是处于工作状态，而构件在应力状态下的腐蚀与没有加载时有很大不同，其各方面的性能亦有很大改变。荷载对受腐蚀钢筋混凝土构件的影响是多方面的，加载历史和加载级别对腐蚀的发生和发展有明显影响

[2][4]，并影响混凝土中钢筋的腐蚀量，而腐蚀量反过来通过强度或刚度损失影响钢筋混凝土构件的适用性。

预先加载和持续加载对腐蚀发生的影响相似[4]，在同样的暴露条件下，荷载水平的增加缩短了腐蚀发生的时间。较高的荷载水平下试件发生腐蚀较早，一般是由于加载期间混凝土产生了裂缝。裂缝使水、氯离子等侵蚀介质易于渗透到钢筋表面，加速了钢筋发生腐蚀。

预先加载水平高的试件比预先加载水平低的试件对腐蚀发展的影响大。但在腐蚀初始阶段影响不明显，在后期阶段才变得显著。其原因是，腐蚀发生后的初始阶段，由预先加载产生的混凝土的微裂缝可能由于腐蚀产物的填充作用减小甚至闭合，降低了侵蚀介质的进一步渗透，从而减小了腐蚀速率。建议的临界裂缝大约是0.1~0.3mm[4]，在此值以下裂缝一般不影响钢筋的腐蚀过程。与预先加载相似，承受较高水平持续荷载的试件具有较高的腐蚀量，这是由于混凝土中裂缝数量和大小的增加。同预先加载情形不同，持续荷载下大部分混凝土裂缝在整个

腐蚀过程中不断张开。所以，持续加载对腐蚀发展的影响更严重。在同级荷载下，持续加载构件的腐蚀量高于预先加载的构件。

高的荷载水平还增加了钢筋混凝土构件的初始和长期挠度。

3.6 受腐蚀钢筋混凝土结构的动力性能

由于腐蚀使钢筋的截面尺寸、表面状况以及钢筋和混凝土之间的粘结等均发生了变化，腐蚀对钢筋混凝土结构动力性能（例如疲劳性能和抗震性能）的不利影响将更为严重。1999年广州海印大桥使用过程中突然发生的断索事故，即被认为是车辆疲劳荷载和钢筋腐蚀共同作用的结果。而我国在腐蚀环境已服役多年的钢筋混凝土结构也存在着抗震性能不断降低的隐患。

目前国内外对受腐蚀钢筋混凝土构件的动力性能的研究非常少。日本进行过受弯构件恢复力性能试验研究[9]。西安建筑科技大学进行过压弯构件恢复力性能试验研究[13]。大连理工大学正在进行受腐蚀钢筋混凝土构件抗震性能和疲劳性能的试验研究和有限元分析。

已有的试验表明，随着钢筋腐蚀量增加，钢筋混凝土构件的滞回曲线丰满程度和滞回环面积逐渐减小，表明构件耗能能力和延性降低。同时由于钢筋腐蚀程度的不均匀性，滞回曲线具有明显的不对称性．从骨架曲线看，腐蚀严重的构件承载力和刚度均降低较多，且达到极限荷载后平直段变短，延性降低。因此钢筋腐蚀对钢筋混凝土构件反复水平荷载作用下的恢复力性能有较大影响，在抗震设计中应予以考虑，以保证结构在地震作用下的安全。

4 结语

虽然目前国内外已经在受腐蚀钢筋混凝土结构的性能方面开展了一些研究，做了不同腐蚀情况下钢筋混凝土受弯构件、大小偏心受压构件、钢筋与混凝土粘接试件的试验等，并进行过一些有限元分析，得出了构件承载力和变形性能随钢筋腐蚀量的增加而不同程度降低的结论。但是对受腐蚀钢筋混凝土结构抗剪性能、动力性能的研究仍然极少，特别是对受腐蚀钢筋混凝土结构疲劳性能的研究几乎还是空白，建议今后加强这些方面的研究。

四 有关轴向受力的计算

例一，某四层四跨现浇框架结构的第二层内柱，轴向力设计值N＝

140104，楼层高H＝5．4m， 混凝土强度等级为C20，钢筋用II级钢筋。

求：柱截面尺寸及纵筋面积。

确定：l035010.8,

大于轴心变压纵率P；1n，满足要求。选用4根直径16mm的二级钢筋As804mm2。

例二，根据建筑的要求，某现浇拴截面尺寸定为250mm x 250 mm。柱高4m，由两端支承情况决定其计算高度l0＝0.7 m, H＝2.8m，柱内配有4根直径l6mm的II级钢筋('

S804mm2)的纵筋；构件混凝土强度等级为C30，钢筋为

II级钢筋。柱的设计轴向力N＝95104N

问：截面是否安全。

计算现浇钢筋混凝土轴心受压及偏心受压构件时，如截面的长边或直径小于300mm，则混凝土的强度设计值应乘以系数0.8。当构件质量(如混凝土成型、截面和轴线尺寸等)确有保证时，可不受此限。 本题乘以系数0.8。 O．8。

求值：由l025011.2, 查表得

＝0.962

利用公式，并在式中得fc值乘以0.8，得：

0.8fcfc''

s0.9620.8152502503108041.01 4N9510

故截面是安全了。

五 参考文献

过镇海 时旭东 编著 钢筋混凝土原理和分析 清华大学出版社 2003

钢筋混凝土论文

关于钢筋混凝土的认识

防灾减灾工程及防护工程 曹军伟 指导老师： 张季超

一 基本概念

1、何谓钢筋混凝土结构？

(1)混凝土概念

混凝土是由水、细骨料、粗骨料和掺和剂等经搅拌、浇筑成型的一种人工石材。它是土木、建筑工程中应用极为广泛的一种建筑材料。

(2)工程结构的概念

用一定的材料，建造成具有足够抵抗能力的空间骨架，抵御可能发生的各种作用（力或变形），这种骨架就是工程结构。

(3)（素）混凝土结构的概念

由混凝土材料浇筑而成的用来抵御自然界各种作用的空间骨架称为混凝土结构。

(4)钢筋混凝土结构的概念

①素混凝土结构（同上）：高抗压抵抗拉，应用范围有限，开裂即破坏

（受拉、受弯等）。

②钢筋混凝土结构

由钢筋和混凝土材料浇筑而成的用来抵御自然界各种作用的空间骨架

称为混凝土结构。 钢筋的存在可抵抗开裂处的拉力，应用广泛，破坏是由于钢筋的屈服。

其优缺点很多。

2、钢筋与混凝土两种性质很不相同的材料为什么能共同工作？

a. 接触面上存在有粘结强度，能够传递两者之间的相互作用力，共同受力； b. 温度线膨胀系数很接近；

c. 混凝土可作为钢筋的保护层，防止钢筋的锈蚀，保证构件的耐久性。

3、历史的发展。

19世纪中叶西欧国家出现混凝土结构。

设计方法的发展过程

①容许应力法 四十年代以前。

②破损阶段设计法 五六七十年代。

③单一安全系数法 八十年代。

④极限状态设计法 八十年代末。

二 混凝土结构的材料的力学性能

本章主要讲述钢筋和混凝土两种材料的力学性能，掌握钢筋、混凝土的抗压、抗拉强度；理解弹性模量、变形模量等概念；掌握徐变等现象；了解粘结强度的产生及保证措施。

§1 钢筋

1、钢筋分类

(1)按化学成分

①碳素结构钢：低≤0.25%、中0.25%～0.6%、高碳钢0.6%～1.4%。

②普通低合金钢：加入少量的合金元素，以改善材料性能。

材料中碳、硅、锰等为杂质；S、P、O、N等为有害元素。

(2)按生产加工工艺。

①热轧钢筋：Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ级钢筋。

②冷拉钢筋：在常温下将普通热轧钢筋进行强力拉伸至超过屈服点而进入强化阶段，迫使钢筋内部晶体组织发生改变，从而提高钢筋屈服强度的钢筋。

③热处理钢筋：将Ⅳ级热轧钢筋等经过回火和淬火处理后制成的。其强度和硬度都有所提高。但塑性和韧性有所降低。

④钢丝：直径小于6mm的钢筋称为钢丝。我国有碳素钢丝、刻痕钢丝、钢绞线及冷拔低碳钢丝。

(3)按外形

①光面钢筋。

②变形钢筋：有螺纹，人字形、月牙形纹。

(4)按物理性能。

①有明显物理屈服点。

②无明显物理屈服点。

2、钢筋力学性能。

(1)钢筋强度和变形指标。

①对钢筋质量检验的四项指标。

屈服强度、极限强度、伸长率、冷弯性能是有明显物理屈服点钢筋进

行检验的四项主要指标；对无明显物理屈服点的钢筋只测定后三项。

②钢筋的设计强度。

钢筋的屈服强度是钢筋强度的设计依据，原因是构件可能在尚未进入

强化阶段之前就已破坏或产生过大的变形和裂缝。

③屈强比

屈服强度与极限强度的比值称为屈强比。它表示结构可靠性的潜力。

④伸长率

反映钢筋塑性性能及变形能力的物理量。通常用δ5，δ10表示，其物理含义

是表示钢筋试件拉断后的伸长值与原长之比。（l05d，l010d），ll0

l0100%

⑤冷弯性能

在常温下将钢筋绕一定直径的辊轴进行弯曲，而不出现裂纹或断裂的现象，称为冷弯性能符合条件。

其主要参数是：弯心直径和冷弯角度。

3、钢筋的冷加工

(1)冷拉

①概念：在常温下将普通热轧钢筋进行强力拉伸至超过屈服点而进入强化阶段，迫使钢筋内部晶体组织发生改变，从而提高钢筋屈服强度的钢筋。

②冷拉强化与冷拉时效：冷拉强化卸荷后，重新加载，则其屈服强度有所提高，即为冷拉强化（此时应力应变曲线按卸荷线发展）；若过一段时间再加载，则屈服强度教冷拉强化的屈服强度还高（其应力应变曲线不再按原先曲线发展）。

③冷拉控制应力、冷拉率：应控制在一定的范围之内，不能过大，也不能过小。

原因：过小，屈服强度提高有限；过大，有可能拉断，或者虽不拉断，但其塑性降低太多变脆。

(2)冷拔

将热轧钢筋用强力拔过比其直径小的硬质合金拔丝模，使其产生塑

性变形，拔成较细的钢丝。

(3)冷拉与冷拔的区别

冷拉只能提高钢筋的抗拉强度，不能提高其抗压强度；冷拔既能提高钢筋的抗拉强度，又能提高钢筋的抗压强度。它们的塑性都降低。

(4)冷轧（国家建设部推广使用钢材，金华地区几年前采用）。

①概念：以普通低碳钢或低合金钢热轧圆盘为母材，在常温下进行轧制而成的表面带有纵肋和月牙纹横肋的钢筋。

②特点：冷轧钢筋的极限强度与冷拔低碳钢丝相近，但伸长率比冷拔低碳钢丝有明显提高。用之取代普通低碳钢和冷拔低碳钢丝，可改善构件在正常使用阶段的受力性能和节约钢材。

§2 混凝土

1、混凝土是一种人工石材——砼

混凝土使用水泥、水、细骨料、粗骨料等原料按一定比例搅拌浇筑，并

经养护硬化后做成的人工石材。

2、混凝土的强度

(1)立方体抗压强度fcu

①砼立方体抗压强度标准值fcu，k如何测试？其表示方法及强度等级的划分？

a.采用边长为150mm的立方体试块，在温度为17～23℃，相对湿度在90%

以上的空气中养护28天，按标准的试验方法加压到破坏，所测得的具有95%保证率的抗压极限强度值，用fcu，k表示，并以次作为划分混凝土强度的依据。

标准试验方法：0.15～0.3N/mm2•s速度加载,不涂润滑油。

b.混凝土可分为12个强度等级，用CX来表示，X为混凝土立方体抗压

强度值,单位为N/mm2。C7.5,C10…C50,C55,C60等。

②影响立方体抗压强度的因素。

a.试验方法有关：不涂润滑油。

涂润滑油。

b.试块尺寸与形状：大、小、方、圆。

c.养护条件和龄期：潮湿条件下比干燥条件下养护强度高，随龄期的增

长强度逐渐增长。

d.加载速度：快大慢小

③立方体抗压强度的定量关系？

fcu1500.947fcu150，fcu1501.05fcu200

欧、美、日等国取尺寸为：d=150mm，高为300mm的柱体，其强度为：

f‘。 c0.79fcu。

④混凝土的破坏状况。

无润滑油时，垫板对混凝土存在有套箍作用，形成两个对顶的棱锥体；

有润滑油时，垫板对混凝土无套箍作用，形成纵向几个小短柱而破坏。

(2)棱柱体抗压强度（轴心抗压强度）fc

①试块尺寸：棱柱体常用边长为150或100的试块。

②强度及其表示方式：fc0.76fcu，其强度低于立方体抗压强度。

考虑结构构件与试件制作及养护条件的不同，尺寸效应及加荷速度等

因素的影响，《规范》规定取fc0.67fcu。

③破坏情况：中间1/3区段处于单向均匀受力状态，由于产生竖向裂

缝而产生压酥破坏。

④fc与fcu差异区别：抗压强度的大小取决于横向变形的约束条件。

因此，在混凝土构件计算时，应根据不同的受力状态采用不同的抗压

强度值，如受弯、偏压。

(3)抗拉强度ft

①试验方法：a:直接测试法。

b:劈拉试验。

②试块：100×100×500，钢筋深入150mm。

3③强度：只有抗压强度的5%～10%；ft0.23fcu，（考虑一些不利因素，2

原系数是0.26）。

④破坏：试件中部产生横向裂缝，或劈成两块。

(4)混凝土的复合受力状态。

①混凝土双轴受力强度：看受力图，四个象限。双向受压可提高混凝土的抗压强度。

②混凝土三轴受力强度：可大大提高混凝土的抗压强度。

3、混凝土的变形。

（1）混凝土一次短期荷载下的变形：

（混凝土的破坏机理；为什么限制混凝土横向变形、快速加荷时可以提高其抗压强度？）水泥浆与骨料之间的接触面上存在有微裂缝，它是混凝土中最薄弱的环节;称为结合裂缝。

①混凝土破坏的三阶段：

a.当混凝土中ζ≤时，结合裂缝没有明显发展,应力应变成线性关系； 3fc

b.随ζ↑，产生新的微裂缝，这种新的微裂缝的形成和发展，使应变增长较快，应力应变曲线变化，应力不↑，裂缝不再继续扩大延伸，裂缝发展处于稳定状态；

c.当ζ=0.8fc时，微裂缝与结合裂缝已连成通缝，此时裂缝发展处于非稳定状态，即使荷载不再增大，裂缝也要持续开展，形成宏观裂缝，最后形成小柱体压酥破坏。

综上所述，混凝土受压破坏是由于内裂缝的发展引起的。因此，如果对横向变形加以约束，限制内裂缝的发展，则可提高混凝土的抗压强度；同理，当快速加荷时，内裂缝来不及开展，固强度有所提高；反之，在荷载长期作用下强度有所降低，当ζ=0.8fc时，构件也会遭到破坏，固取0.8fc为混凝土的长期强度。

②混凝土的极限压应变ε（0.002,0.0033）：均匀受压，非均匀受压。

混凝土变形由弹性变形与塑性变形两部分组成，塑性越大，表示变形能力越大，延性越好。

混凝土材料的延性是指混凝土耐受变形或后期变形的能力。延性好可防止构件脆性破坏，对抗震也有利。强度低，加载慢，延性增加，配置横向钢筋可提高构件延性。（钢筋混凝土结构的混凝土强度等级不宜低于C15；Ⅱ级筋时不宜低于C20；新Ⅲ级HRB400筋及承受重复荷载时不宜低于C20；预应力构件不宜低于C30；钢丝等不宜低于C40）。

（2）混凝土横向变形系数ch

cv：横向应变与纵向应变之比。

（3）约束混凝土的变形：套箍限制作用。

（4）混凝土弹性模量和变形模量。

①弹性模量

a. 初始弹性模量E0：原点切线斜率。

b. 如何测试？（重复荷载下的变形）：采用棱柱体试件加载至0.5fc，然后卸荷至零，如此重复5～10次，每次卸荷至零时都存在残余应变，随重复次数的增加，曲线趋于直线化，其斜率即为弹性模量Ec

若超过0.5fc值，重复几次后，也呈现直线形，但继续重复加卸荷，则

应力应变曲线反向弯曲。

②割线模量：应力-应变曲线上任意点与原点的连线的斜率称为混凝土的割线模量。

③切线模量：应力-应变曲线上任意点的切线的斜率称为该点的切线模量。 ④弹性系数（弹性应变与总应变的比值）：弹性应变ε

（5）混凝土在长期荷载作用下的变形——徐变

①徐变的概念：混凝土在长期荷载作用下，即使应力维持不变，其应变也会随时间继续增长，这种现象称为混凝土的徐变。

②产生原因（说法纷纭）：

a.尚未转化为结晶体的水泥凝胶体的塑性变形；

b.混凝土内部微裂缝在长期荷载下的持续发展。

③徐变过程。

加载瞬间产生了弹性变形ce，随后伴随有收缩变形ch和徐变cr，徐变前快后

’‘慢。卸荷后，可立即恢复的变形为ce，经一段时间可逐渐恢复的为qe称为弹性

‘后效，剩余的为残余变形cr ce与总应变ε。

④影响徐变的因素：

a.内在因素：骨料组成配比，水灰比等。骨料弹性模量越大、骨料体积

比越大、水灰比越小，徐变越小；

b.环境因素：养护及使用条件。温度、湿度越高（养护），水泥水化作

用越充分，徐变越小；在高温干燥环境中徐变越大；

c.应力条件：初应力及加载时的龄期。加载时的龄期越长，混凝土内部结晶体越多，徐变越小；当初应力ζ＜0.5fc时，徐变与初应力呈正比，徐变系数cr为常数；当ζ=（0.5～0.8）fc时，徐变增长较应力快，非线性徐变但ce

收敛；当ζ＞0.8fc时，徐变为非收敛的，故以次为混凝土的长期抗压强度。

（6）混凝土收缩和膨胀（次要）

①概念：混凝土在空气中结硬时体积减少的现象称为收缩。

②收缩的原因：

a.凝缩：水泥水化形成水泥晶体，体积较小；

b.干缩：混凝土内自由水分的蒸发。

c.其他原因：高标号水泥、水泥用量、水灰比越大、骨料弹性模量越小、

构件体表比越小等都会引起较大的收缩。

③收缩的危害：使构件产生初应力；开裂较早；预应力的损失。

④预防措施：早期养护条件改善，减少水灰比，提高水泥标号减少水泥用量，

加强振捣，高温高湿养护，改善骨料级配。

§3钢筋与混凝土之间的粘结力

1、粘结应力的概念及其分类（锚固粘结力与局部粘结力）。

在钢筋与混凝土接触面上产生的抵抗钢筋与混凝土相对位移的这种剪应力称为粘结应力。

按其作用性质可分为：锚固粘结应力和局部粘结应力。

2、粘结力产生的原因及其组成。

① 化学胶合力：混凝土颗粒化学作用产生的混凝土与钢筋间的胶合力； ② 摩擦力：混凝土收缩将钢筋紧紧握固而产生的摩擦力；

③ 机械咬合力——最大：由于钢筋表面凹凸不平与混凝土之间产生的机 械咬合力。

3、粘结力的测试方法、粘结的破坏以及影响粘结强度的因素？

（1）拔出试验法：一端埋入混凝土，另一端施力拔出。

破坏：光面钢筋，应力较小时由化学胶结力承受，较大时还有摩擦力；变形钢筋，主要由摩擦力和机械咬合力承受。

（2）影响粘结强度的因素：

①混凝土强度：提高而提高，与劈拉强度呈正比；

②保护层厚度：增加保护层，提高砼劈裂抗力；

③横向配筋：约束微裂缝发展，粘结强度得到提高；

④横向压力：约束微裂缝发展，使钢筋与砼摩擦力增大；

⑤浇筑位置：浇筑深度，顶部筋由于水分、气泡逸出，混凝土泌水下沉影响。

4、保证钢筋和混凝土之间粘结力的措施。

（1）保证锚固粘结应力和局部粘结应力的可靠传递：

①锚固长度la要求。

②采用直径较小的钢筋和变形钢筋：增加接触面积等。

（2）钢筋周围的混凝土应有足够的厚度（钢筋间距和保护层厚度）。

（3）钢筋末端设置弯钩。

（4）混凝土的浇筑：与钢筋位置有关、振捣等。

（5）锚固区的侧向压力。

三 受腐蚀钢筋混凝土耐久性能的研究

1 引言

钢筋混凝土结构是目前应用较广的结构形式之一。随着建筑物的老化和环境污染的加重，钢筋混凝土结构耐久性问题越来越引起国内外广大研究者的关注。在第二届国际混凝土耐久性会议上，Mehta教授指出："当今世界混凝土破坏原

因，按递减顺序是：钢筋腐蚀、冻害、物理化学作用"。他明确地将"钢筋腐蚀"排在影响混凝土耐久性因素的首位。而来自海洋环境的氯盐和用于化冰雪的除冰盐，又是造成钢筋腐蚀的主要原因。美国1984年报道，仅就桥梁而言，57.5万座钢筋混凝土桥，一半以上出现钢筋腐蚀破坏，40%承载力不足和必须修复与加固处理，当年的修复费为54亿美元；1988年报道，钢筋混凝土腐蚀破坏的修复费，一年要2500亿美元，其中桥梁修复费为1550亿美元（是这些桥初建费用的4倍）。加拿大早期大量使用除冰盐，使钢筋混凝土桥梁等破坏严重。欧洲、澳大利亚、海湾国家等，都有以氯盐为主的钢筋腐蚀破坏问题，其中英国修复费为每年50亿英镑。韩国曾发生一系列建筑物破坏、倒塌事件，其中很多也与"盐害"有关。在我国已经发现许多海港码头的混凝土梁、板使用不到10年已普遍出现顺筋锈胀开裂、剥落。北京、天津的许多立交桥，因为冷天撒盐化冰雪也日益暴露出严重的钢筋腐蚀问题，不得不斥巨资修复。

2 钢筋的的腐蚀机理

钢筋的腐蚀过程是一个电化学反应过程。

混凝土孔隙中的水分通常以饱和的氢氧化钙溶液形式存在，其中还含有一些氢氧化钠和氢氧化钾，PH值约为12.5。在这样强碱性的环境中，钢筋表面形成钝化膜，它是厚度为20-60?的水化氧化物（nFe2O3·mH2O），阻止钢筋进一步腐蚀。因此，施工质量良好、没有裂缝的钢筋混凝土结构，即使处在海洋环境中，钢筋基本上也能不发生腐蚀。但是，当由于各种原因，钢筋表面的钝化膜受到破坏，成为活化态时，钢筋就容易腐蚀。

呈活化态的钢筋表面所进行的腐蚀反应的电化学机理是，当钢筋表面有水分存在时，就发生铁电离的阳极反应和溶解态氧还原的阴极反应，相互以等速度进行。其反应式如下：

阳极反应

Fe - 2e → Fe2+

阴极反应

O2 + 2H2O + 4e → 4OH-

腐蚀过程的全反应是阳极反应和阴极反应的组合，在钢筋表面析出氢氧化亚铁，该化合物被溶解氧化后生成氢氧化铁Fe(OH)3，并进一步生成nFe2O3·mH2O（红锈），一部分氧化不完全的变成Fe3O4（黑锈），在钢筋表面形成锈层。红锈体积可大到原来体积的四倍，黑锈体积可大到原来的二倍。铁锈体积膨胀，对周围混凝土产生压力，将使混凝土沿钢筋方向开裂，进而使保护层成片脱落，而裂缝及保护层的剥落又进一步导致更剧烈的腐蚀。

3 受腐蚀钢筋混凝土结构性能研究的现状

3.1 研究方法

目前，对受腐蚀钢筋混凝土结构的研究方法主要是试验研究和有限元分析。试验研究中，腐蚀试件的模拟一是通过试验室试验，包括快速腐蚀试验（电化学腐蚀、加氯盐腐蚀等）和盐雾试验；二是长期自然暴露试验；三是替换构件法。有限元分析中，大多采用钢筋混凝土非线性有限元方法对受腐蚀钢筋混凝土构件进行非线性模拟。

电化学快速腐蚀试验通常是将试件浸入一定浓度的NaCl溶液中，用外部电源通以恒电流，混凝土中的钢筋做阳极，不锈钢做阴极，通过控制电流密度的大小和通电时间来控制钢筋的腐蚀量。在混凝土中掺加氯盐的快速腐蚀试验一般是在浇注混凝土试件时，在混凝土拌合物中加入一定比例的氯盐（如CaCl2），然

后在自然条件下放置，或是施加一定大小的电流进行加速腐蚀。盐雾室中的腐蚀试验是用来模拟氯化物在混凝土试件中的渗透，一般将试件放置在一个密闭的盐雾室中，盐雾室上部的四个角部各有一个喷雾口，盐雾室中还可以进行干湿交替、温度变化等。长期自然暴露试验是将钢筋混凝土试件放置在各种自然侵蚀环境，如大气环境、海洋环境、化工环境中，试验的周期较长，但能够较真实地反映实际情况。替换构件法是对长期处于腐蚀环境下的、实际工程中的钢筋混凝土构件从工作现场拆下来，进行各种力学性能试验。

自然腐蚀的复杂条件需要在试验室用简单但具有代表性的方法模拟，如何在试验室更好地模拟真实的腐蚀环境对构件的作用，在较短的时间里达到结构在一定时期后的腐蚀状态，对试验结果的可靠性非常重要。

3.2 受腐蚀钢筋混凝土构件的抗弯性能

钢筋腐蚀通常会改变正常配筋混凝土梁的破坏类型，完好梁一般为弯曲破坏，而受腐蚀梁很多情况下为剪切破坏[4]。受腐蚀梁在钢筋屈服前，受力裂缝不明显，裂缝高度很低，一旦出现高度较高的明显的受力裂缝，这时钢筋已经屈服，构件即将破坏。有试验表明[11]，钢筋腐蚀后，当压区腐蚀纵向裂缝宽度大于2mm时，在钢筋刚刚屈服的上部混凝土会出现被压碎的现象，破坏形态处于超筋梁和适筋梁的界限破坏状态。而当受拉钢筋腐蚀量大到一定程度时，构件会由适筋梁变为少筋梁。不管是出现超筋梁的破坏还是少筋梁的破坏，结构的破坏形态都是从有预兆的塑性破坏变为无预兆的脆性破坏。

随着纵筋腐蚀量的增加，钢筋混凝土梁的强度和刚度都在下降。钢筋腐蚀还增加了钢筋混凝土梁在使用荷载下的挠度和裂缝宽度。受腐蚀梁的抗弯强度下降主要有以下原因：钢筋腐蚀引起钢筋截面积减小；钢筋腐蚀引起钢筋名义屈服强度（由屈服荷载除以公称面积得到）减小；钢筋腐蚀引起钢筋和混凝土的粘结力下降，使得破坏区段内混凝土和钢筋的平均应变大于正常构件，不能充分地进行应力应变重分布，而导致钢筋与混凝土协同工作系数降低。只考虑腐蚀后钢筋截面积减小的计算弯曲强度与相应梁的试验弯曲强度差别较大，说明钢筋和混凝土的粘结强度降低是受腐蚀梁抗弯强度降低的主要影响因素。由于粘结力降低使得构件强度降低系数处于正常构件和无粘结构件之间。

对受腐蚀的压弯构件[11][14]，大偏压构件的横向受力裂缝到达纵向腐蚀裂缝位置后不象正常构件那样有规律地向上发展，裂缝分布很不均匀，裂缝间距大于正常构件，受力裂缝也相应增大。随着钢筋腐蚀量增加，开裂荷载与极限荷载的比值略有增加，屈服荷载与极限荷载的比值比较接近，即受拉钢筋达到屈服后受压混凝土很快达到极限压应变，构件破坏。说明受腐蚀构件的延性明显降低，脆性明显增加。小偏压受腐蚀构件的承载力和刚度均有较大的降低，在同级荷载作用下的钢筋和混凝土的应变和侧向挠度均明显大于正常构件，拉区混凝土裂缝发展不明显，脆性也明显增加。

3.3 受腐蚀钢筋混凝土构件的抗剪性能

由于混凝土构件中箍筋位于纵筋外边，其保护层总是比纵筋小，因此一般箍筋首先腐蚀，其腐蚀程度往往比纵筋严重，特别是在箍筋与纵筋交接处。而箍筋不仅直接影响钢筋混凝土构件的抗剪性能，而且受腐蚀的箍筋不能有效地约束混凝土，从而对构件的承载力有间接影响。

目前，对受腐蚀混凝土构件斜截面的研究并不多见。文献[4]指出箍筋的局部腐蚀与梁的损伤有很大关系，因而影响承载能力。文献[5]对暴露钢筋的混凝土梁的剪切强度进行了研究。

3.4 受腐蚀钢筋混凝土结构中钢筋和混凝土的粘结性能

受腐蚀钢筋混凝土构件性能劣化的一个主要原因就是粘结性能的退化。有些环境下钢筋的腐蚀不是均匀腐蚀，而是局部腐蚀，对钢筋与混凝土的粘结性能影响更大。

国内外研究者对腐蚀构件的粘结性能进行了大量的试验研究。一般采用拔出试件和梁试件[7][8]，也有用钢筋刻痕来模拟坑蚀[9]，还有用暴露的钢筋来模拟粘结破坏[5][6]。

在模拟钢筋表面局部腐蚀的拔出试验中，极限粘结强度在钢筋腐蚀达到某一个程度（试验给出值是1%[8]）之前有所增加，但随着腐蚀进一步增加，极限粘结强度不断降低直到可以忽略不计。在模拟钢筋表面相对均匀腐蚀的梁试验中，极限粘结强度也在钢筋腐蚀达到某一个程度（试验给出值是0.5%[8]）之前有所增加，而后随着腐蚀量的增加而降低，但降低得非常缓慢。两种试验都显示自由端的滑移值随着纵向裂缝的开展而迅速降低，表明钢筋约束突然丧失，标志着粘结破坏发生的临界滑移量受钢筋表面状况和约束程度的极大影响。

极限粘结强度在钢筋腐蚀初期的增加，可以解释为腐蚀所引起的体积膨胀使钢筋和混凝土之间的握裹力增加，从而使钢筋和混凝土间的粘结力不但没有下降反而有所上升。然而，在钢筋腐蚀后期开裂阶段随着腐蚀量的增加，特别是在局部腐蚀情况下，粘结性能将会受到钢筋肋严重退化、钢筋表面片状腐蚀、金属滑移及纵向裂缝加宽造成混凝土约束作用降低等因素的影响，从而降低。

粘结性能退化的机理是：1、钢筋的腐蚀产物是一层结构疏松的氧化物，在钢筋与混凝土之间形成一层疏松隔离层，明显地改变了钢筋与混凝土的接触表面，从而降低了钢筋与混凝土之间的粘接作用。2、钢筋的腐蚀产物比被腐蚀的钢材占据更大的体积，从而对包围在钢筋周围的混凝土产生径向膨胀力，当径向膨胀力达到一定程度时，会引起混凝土开裂。混凝土开裂导致混凝土对钢筋的约束作用减弱。混凝土开裂时的钢筋腐蚀量与钢筋直径、保护层厚度、混凝土强度、钢筋种类和钢筋位置等因素有关[12]。3、变形钢筋腐蚀后，钢筋变形肋将逐渐退化。在腐蚀较严重的情况下，变形肋与混凝土之间的机械咬和作用基本消失。

3.5受腐蚀钢筋混凝土结构在使用荷载作用下的性能

钢筋混凝土构件实际上都是处于工作状态，而构件在应力状态下的腐蚀与没有加载时有很大不同，其各方面的性能亦有很大改变。荷载对受腐蚀钢筋混凝土构件的影响是多方面的，加载历史和加载级别对腐蚀的发生和发展有明显影响

[2][4]，并影响混凝土中钢筋的腐蚀量，而腐蚀量反过来通过强度或刚度损失影响钢筋混凝土构件的适用性。

预先加载和持续加载对腐蚀发生的影响相似[4]，在同样的暴露条件下，荷载水平的增加缩短了腐蚀发生的时间。较高的荷载水平下试件发生腐蚀较早，一般是由于加载期间混凝土产生了裂缝。裂缝使水、氯离子等侵蚀介质易于渗透到钢筋表面，加速了钢筋发生腐蚀。

预先加载水平高的试件比预先加载水平低的试件对腐蚀发展的影响大。但在腐蚀初始阶段影响不明显，在后期阶段才变得显著。其原因是，腐蚀发生后的初始阶段，由预先加载产生的混凝土的微裂缝可能由于腐蚀产物的填充作用减小甚至闭合，降低了侵蚀介质的进一步渗透，从而减小了腐蚀速率。建议的临界裂缝大约是0.1~0.3mm[4]，在此值以下裂缝一般不影响钢筋的腐蚀过程。与预先加载相似，承受较高水平持续荷载的试件具有较高的腐蚀量，这是由于混凝土中裂缝数量和大小的增加。同预先加载情形不同，持续荷载下大部分混凝土裂缝在整个

腐蚀过程中不断张开。所以，持续加载对腐蚀发展的影响更严重。在同级荷载下，持续加载构件的腐蚀量高于预先加载的构件。

高的荷载水平还增加了钢筋混凝土构件的初始和长期挠度。

3.6 受腐蚀钢筋混凝土结构的动力性能

由于腐蚀使钢筋的截面尺寸、表面状况以及钢筋和混凝土之间的粘结等均发生了变化，腐蚀对钢筋混凝土结构动力性能（例如疲劳性能和抗震性能）的不利影响将更为严重。1999年广州海印大桥使用过程中突然发生的断索事故，即被认为是车辆疲劳荷载和钢筋腐蚀共同作用的结果。而我国在腐蚀环境已服役多年的钢筋混凝土结构也存在着抗震性能不断降低的隐患。

目前国内外对受腐蚀钢筋混凝土构件的动力性能的研究非常少。日本进行过受弯构件恢复力性能试验研究[9]。西安建筑科技大学进行过压弯构件恢复力性能试验研究[13]。大连理工大学正在进行受腐蚀钢筋混凝土构件抗震性能和疲劳性能的试验研究和有限元分析。

已有的试验表明，随着钢筋腐蚀量增加，钢筋混凝土构件的滞回曲线丰满程度和滞回环面积逐渐减小，表明构件耗能能力和延性降低。同时由于钢筋腐蚀程度的不均匀性，滞回曲线具有明显的不对称性．从骨架曲线看，腐蚀严重的构件承载力和刚度均降低较多，且达到极限荷载后平直段变短，延性降低。因此钢筋腐蚀对钢筋混凝土构件反复水平荷载作用下的恢复力性能有较大影响，在抗震设计中应予以考虑，以保证结构在地震作用下的安全。

4 结语

虽然目前国内外已经在受腐蚀钢筋混凝土结构的性能方面开展了一些研究，做了不同腐蚀情况下钢筋混凝土受弯构件、大小偏心受压构件、钢筋与混凝土粘接试件的试验等，并进行过一些有限元分析，得出了构件承载力和变形性能随钢筋腐蚀量的增加而不同程度降低的结论。但是对受腐蚀钢筋混凝土结构抗剪性能、动力性能的研究仍然极少，特别是对受腐蚀钢筋混凝土结构疲劳性能的研究几乎还是空白，建议今后加强这些方面的研究。

四 有关轴向受力的计算

例一，某四层四跨现浇框架结构的第二层内柱，轴向力设计值N＝

140104，楼层高H＝5．4m， 混凝土强度等级为C20，钢筋用II级钢筋。

求：柱截面尺寸及纵筋面积。

确定：l035010.8,

大于轴心变压纵率P；1n，满足要求。选用4根直径16mm的二级钢筋As804mm2。

例二，根据建筑的要求，某现浇拴截面尺寸定为250mm x 250 mm。柱高4m，由两端支承情况决定其计算高度l0＝0.7 m, H＝2.8m，柱内配有4根直径l6mm的II级钢筋('

S804mm2)的纵筋；构件混凝土强度等级为C30，钢筋为

II级钢筋。柱的设计轴向力N＝95104N

问：截面是否安全。

计算现浇钢筋混凝土轴心受压及偏心受压构件时，如截面的长边或直径小于300mm，则混凝土的强度设计值应乘以系数0.8。当构件质量(如混凝土成型、截面和轴线尺寸等)确有保证时，可不受此限。 本题乘以系数0.8。 O．8。

求值：由l025011.2, 查表得

＝0.962

利用公式，并在式中得fc值乘以0.8，得：

0.8fcfc''

s0.9620.8152502503108041.01 4N9510

故截面是安全了。

五 参考文献

过镇海 时旭东 编著 钢筋混凝土原理和分析 清华大学出版社 2003