平度市廠房安全檢測鑒定鋼結構鑒定中心

既有混凝土構件材料性能研究

分析既有混凝土受彎構件承載性能首先應確定混凝土構件的材料性能和幾何尺寸。一般情況下, 既有混凝土構件幾何尺寸的變化相對較易檢測和確定, 對此不做重點論述。既有混凝土構件中鋼筋的力學性能根據以往的工程經驗和實際試驗研究可知若不存在鋼筋銹蝕或腐蝕問題, 則鋼筋的力學性能指標將不會發生變化, 即在分析既有混凝土受彎構件承載性能時可不考慮由鋼筋力學性能變化引發的相關問題。

在實際混凝土工程中由于混凝土碳化、腐蝕環境、濕熱變化、雨淋作用等因素的影響, 既有混凝土構件中鋼筋存在不同程度的銹蝕現象。鋼筋銹蝕主要有兩種不同的表現形式, 即均勻銹蝕和局部銹蝕又稱為點蝕或坑蝕。當鋼筋表面鈍化膜大面積破壞形成大陽極、小陰極的電化學反應時, 鋼筋發生均勻銹蝕。這種銹蝕類型以大氣環境下碳化引起的鋼筋銹蝕居多。氯離子活性大, 容易吸附在鈍化膜有缺陷的地方, 如位錯區或晶界區等, 使鋼筋表面的
鈍化膜局部破壞, 構成一個大陰極、小陽極的活代鈍化電池, 鋼筋因此發生坑蝕。在實際工程中均勻銹蝕和局部銹蝕對既有混凝土構件力學行為的影響不同, 局部銹蝕對既有混凝土構件性能的危害更大。由于鋼筋材料及外形的差別, 嚴格按均勻銹蝕和局部銹蝕分別計算銹蝕鋼筋剩余截面是非常困難的。當鋼筋發生均勻銹蝕時, 鋼筋截面銹蝕率與重量損失率是一致的, 由于測量銹蝕后螺紋鋼筋的直徑非常困難, 且暫時還未見統一的標準, 故此, 通常用鋼筋總體銹蝕率重量損失率W來計算銹蝕鋼筋的剩余截面面積。

銹蝕構件的可靠度分析

混凝土中的鋼筋銹蝕是影響混凝土耐久性的主要因素,鋼筋銹蝕對混凝土影響主要表現為:銹蝕引起鋼筋截面減小、銹蝕物膨脹引起順筋裂縫、保護層剝落。這兩種影響都會降低鋼筋與混凝土的粘接協調工作,從而降低混凝土結構構件的承載力。
3.1、鋼筋銹蝕的計算模型
鋼筋的銹蝕是通過電化學機理進行的,通過反復的試驗研究,國內外學者得出,影響鋼筋銹蝕的主要因素可歸納為混凝土的狀態及環境狀態二因素。其中混凝土狀態可描述為混凝土密實性、混凝土的液相pH 值、保護層厚度;環境狀態可描述為混凝土所處環境的溫度、濕度及氯離子的含量。鋼筋的銹蝕發展程度在銹蝕引起鋼筋混凝土保護層開裂前后是不同的,開裂前的發展通常較緩慢,而開裂后則發展較快,所以國內外學者普遍認為應把鋼筋銹蝕分為混凝土保護層開裂前和開裂后兩種計算模型。鋼筋的銹蝕程度用鋼筋銹蝕率ρ表示,國內有學者指出模型為下面兩種 :

1) 混凝土保護層開裂前鋼筋銹蝕率為:
ρ′前=WtW0=2135 PRH D0RK2CW0R2 - ( R + C - KC t ) 2 -( R + C - KC t ) arccosR + C - KC tR(15)
修正后的模型為:
ρ( t) = kρ′前=ρ1ρ′前( t0 )ρ′前(16)
式中,W0 為單位長度的鋼筋重量;ρ1 為實測鋼筋銹蝕率;
PRH為修正系數; D0 為氧氣擴散系數; R 為鋼筋原直徑; C 為混凝土保護層厚度; Kc 為混凝土的碳化系數。

2) 混凝土保護層開裂后鋼筋銹蝕率為:
ρ′后=WtrW0=Wcr + 11173 PRH D0 ( t - tcr )W0(17)
式中,Wcr為混凝土保護層開裂鋼筋銹蝕率。修正后的模型為:
ρ( t) = kρ′后=ρ1ρ′后( t0 )ρ′后(18)
3.2、極限狀態方程及可靠度計算
鋼筋銹蝕導致截面減小,粘結力降低,承載力下降及影響美觀、適用,嚴重時會出現鋼筋銹斷現象,但作為耐久性考
慮的鋼筋銹蝕問題主要通過鋼筋銹蝕率來反映鋼筋的銹蝕程度,因而我們采用“容許銹蝕率”這一概念,即鋼筋銹蝕引起保護層開裂和粘結力都達到極限狀態時的銹蝕率。在具體確定鋼筋的容許銹蝕率時要經過實際試驗綜合分析構件承載力極限狀態和正常使用極限狀態兩種情況。把鋼筋銹蝕達到“容許銹蝕率”這一狀態作為鋼筋銹蝕的極限狀態,因而鋼筋銹蝕的極限狀態方程可表示為:
z = [ρ] - ρ( t) (19)
式中,[ρ]為容許鋼筋銹蝕率。
31211 　t0 時刻可靠度計算
假設t0 時刻鋼筋銹蝕率實測值服從正態分布,極限狀態方程表示為:
z0 = [ρ] - ρ1 (20)

終可求得t0 時刻的可靠度指標為:
β0 =μz0σz0=[ρ] - μρ1σρ1(21)