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分析既有混凝土受弯构件承载性能应确定混凝土构件的材料性能和几何尺寸。一般情况下,既有混凝土构件几何尺寸的变化相对较易检测和确定,对此不做重点论述。既有混凝土构件中钢筋的力学性能根据以往的工程经验和实际试验研究可知若不存在钢筋锈蚀或腐蚀问题,则钢筋的力学性能指标将不会发生变化, 即在分析既有混凝土受弯构件承载性能时可不考虑由钢筋力学性能变化引发的相关问题。
在实际混凝土工程中由于混凝土碳化、腐蚀环境、湿热变化、雨淋作用等因素的影响,既有混凝土构件中钢筋存在不同程度的锈蚀现象。钢筋锈蚀主要有两种不同的表现形式,即均匀锈蚀和局部锈蚀又称为点蚀或坑蚀。当钢筋表面钝化膜大面积破坏形成大阳极、小阴极的电化学反应时,钢筋发生均匀锈蚀。这种锈蚀类型以大气环境下碳化引起的钢筋锈蚀居多。氯离子活性大, 容易吸附在钝化膜有缺陷的地方, 如位错区或晶界区等,使钢筋表面的
钝化膜局部破坏, 构成一个大阴极、小阳极的活代钝化电池,钢筋发生坑蚀。在实际工程中均匀锈蚀和局部锈蚀对既有混凝土构件力学行为的影响不同,局部锈蚀对既有混凝土构件性能的危害更大。由于钢筋材料及外形的差别,严格按均匀锈蚀和局部锈蚀分别计算锈蚀钢筋剩余截面是非常困难的。当钢筋发生均匀锈蚀时, 钢筋截面锈蚀率与重量损失率是一致的,由于测量锈蚀后螺纹钢筋的直径非常困难, 且暂时还未见统一的标准, 故此,通常用钢筋总体锈蚀率重量损失率W来计算锈蚀钢筋的剩余截面面积。
锈蚀构件的可靠度分析
混凝土中的钢筋锈蚀是影响混凝土耐久性的主要因素,钢筋锈蚀对混凝土影响主要表现为:锈蚀引起钢筋截面减小、锈蚀物膨胀引起顺筋裂缝、保护层剥落。这两种影响都会降低钢筋与混凝土的粘接协调工作,从而降低混凝土结构构件的承载力。
1、极限状态方程及可靠度计算
钢筋锈蚀导致截面减小,粘结力降低,承载力下降及影响美观、适用,严重时会出现钢筋锈断现象,但作为耐久性考
虑的钢筋锈蚀问题主要通过钢筋锈蚀率来反映钢筋的锈蚀程度,我们采用“容许锈蚀率”这一概念,即钢筋锈蚀引起保护层开裂和粘结力都达到极限状态时的锈蚀率。在具体确定钢筋的容许锈蚀率时要经过实际试验综合分析构件承载力极限状态和正常使用极限状态两种情况。把钢筋锈蚀达到“容许锈蚀率”这一状态作为钢筋锈蚀的极限状态,钢筋锈蚀的极限状态方程可表示为:
z = [ρ] - ρ( t) (19)
式中,[ρ]为容许钢筋锈蚀率。
31211 t0 时刻可靠度计算
假设t0时刻钢筋锈蚀率实测值服从正态分布,极限状态方程表示为:
z0 = [ρ] - ρ1 (20)
终可求得t0 时刻的可靠度指标为:
β0 =μz0σz0=[ρ] - μρ1σρ1(21)
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2、钢筋锈蚀的计算模型
钢筋的锈蚀是通过电化学机理进行的,通过反复的试验研究,国内外学者得出,影响钢筋锈蚀的主要因素可归纳为混凝土的状态及环境状态二因素。其中混凝土状态可描述为混凝土密实性、混凝土的液相pH值、保护层厚度;环境状态可描述为混凝土所处环境的温度、湿度及氯离子的含量。钢筋的锈蚀发展程度在锈蚀引起钢筋混凝土保护层开裂前后是不同的,开裂前的发展通常较缓慢,而开裂后则发展较快,国内外学者普遍认为应把钢筋锈蚀分为混凝土保护层开裂前和开裂后两种计算模型。钢筋的锈蚀程度用钢筋锈蚀率ρ表示,国内有学者指出模型为下面两种:
1) 混凝土保护层开裂前钢筋锈蚀率为:
ρ′前=WtW0=2135 PRH D0RK2CW0R2 - ( R + C - KC t ) 2 -( R + C -KC t ) arccosR + C - KC tR(15)
修正后的模型为:
ρ( t) = kρ′前=ρ1ρ′前( t0 )ρ′前(16)
式中,W0 为单位长度的钢筋重量;ρ1 为实测钢筋锈蚀率;
PRH为修正系数; D0 为氧气扩散系数; R 为钢筋原直径; C 为混凝土保护层厚度; Kc 为混凝土的碳化系数。
2) 混凝土保护层开裂后钢筋锈蚀率为:
ρ′后=WtrW0=Wcr + 11173 PRH D0 ( t - tcr )W0(17)
式中,Wcr为混凝土保护层开裂钢筋锈蚀率。修正后的模型为:
ρ( t) = kρ′后=ρ1ρ′后( t0 )ρ′后(18)