锈蚀钢筋混凝土梁抗弯承载力计算方法
吴庆。庄悦
(江苏科技大学土木工程与建筑学院，江苏镇江212003)
摘要： 基于锈蚀钢筋混凝土梁内钢筋与混凝土间黏结强度随锈蚀量的变化，对锈蚀梁的抗弯承载力进行了研究。当钢筋锈蚀量较小时，
锈蚀梁内钢筋与混凝土间黏结强度随锈蚀量变化不大，锈蚀梁的力学性能同未锈蚀梁，可运用传统的梁理论计算锈蚀梁的抗弯承载力；
但随着钢筋锈蚀量的增加，钢筋与混凝土间黏结强度发生退化，锈蚀梁的力学性能介于黏结完好梁与无黏结梁之间，与传统的计算梁的
抗弯承载力的方法不同，应考虑梁的各截面间相互作用。基于梁整体的受力平衡和变形协调，提出概念明确、通用性强的锈蚀钢筋混凝土
梁抗弯承载力计算方法；经试验验证，数据吻合很好，其结果有益于完善和发展锈蚀钢筋混凝土梁抗弯承载力的计算方法。
关键词： 锈蚀钢筋混凝土梁；锈蚀程度；抗弯承载力；退化机理
中图分类号： TU528．叭 文献标志码： A 文章编号： l002—3550(2011)08—0010—05
Calculation method for flexural capacity of corroded RC beams reinforced concrete beams
wUOing．ZHUANG Yue
(College ofCivilEngineering andArchitecture，JiangsuUniversityofScience andTechnology，Zhenjiang 212003，China)
Abstract： Flexural carrying capacity of corroded reinforced concrete beams is modeled and calculated on the basis of the change of bond
strength between coroded steel and concrete．At lower degrees of corrosion level，bond strenIgth between steel and concrete doesn’t have great
changes with increasing degrees of corrosion，the mechanica1 behavior of the coroded RC beams iS the same as that of the non-coroded ones，
flexural carrying capacity of coroded RC beams can be calculated by conventional theory of the beam．When reduction of bond strength occurs
due to higher degrees of corosion，the mechanical behavior of the corroded RC beams lies in between that of the perfectly bonded and unbonded
beam．It is different from the traditional way in RC beams．the interaction between cross sections of beams should be considered．In the present pa—
per，the change ofbond strength between coroded steel and concrete is considered，and on the basis ofthe condition ofequilibrium of forces and
compatibility ofdeformations forwhole beams，a calculation method for flexural capacity，conceptually explicit and widely applicable，was pro—
posed，taking consideration ofboth corosion degree and reinforcem ent index．The results were useful to perfect the calculation m ethod ofthe flex—
ural bearing capacity ofcoroded reinforced concrete beams．
Keywords： coroded reinforced concretebeam；corodeddegree；flexuralbearing capacity；deteriorationmechanism
0 引言
随着混凝土内钢筋锈蚀会引起混凝土开裂、钢筋截面减小
并发生坑蚀、钢筋与混凝土间的黏结失效以及混凝土剥落，最终
导致钢筋混凝土梁的承载能力下降和刚度退化。而且，随着钢
筋锈蚀率的增加，梁的受力特征和破坏机理会随之改变。凶此
锈蚀钢筋}昆凝土梁的计算方法和一般钢筋混凝土梁有一定的
区别，确定其变化规律模型是结构耐久性评估和建筑物可靠性
鉴定的关键一环。
锈蚀钢筋混凝土梁承载力计算模型的建立是一个极为复
杂的问题。目前的研究主要是定性分析钢筋锈蚀对构件刚度、
强度和破坏形态等宏观力学性能¨．。]的影响。由于测试技术和手
段的限制，在承载力计算模型方面，大多数学者主要是通过两
种途径考虑黏结性能退化对承载力的影响：一是先按无锈蚀构
件计算承载力，然后乘以协同工作降低系数p ；二是对受拉钢
筋乘以协同工作降低系数，然后按现行规范公式计算 】。这两
种处理方法都是以试验研究结果为基础，以正常钢筋混凝土计
收稿日期：2011_J02_02
· l0 ·
算理论为前提，都没有很好解决由于黏结性能退化而引起的锈
蚀钢筋与混凝土相对滑移增大的问题，涉及到锈蚀钢筋混凝土
梁的应力应变特性、破坏机理、破坏模式及混凝土受压区高度
的变化等更深层次的研究较少尚未建立一个相对完善的锈蚀
梁承载力的计算理论和方法。
分析表明，钢筋锈蚀主要从三个方面影响梁的承载力：一是
钢筋坑蚀特点和截面损失导致其力学性能退化，从而引起梁的
承载力降低；二是受压区混凝土截面损伤造成梁的受弯承载力
降低；三是锈蚀引起钢筋与混凝土之问黏结性能退化导致二者
之间不能很好的协同工作，使受拉钢筋强度不能充分发挥，而且
黏结性能退化也会使混凝土受乐区高度减小，最后导致梁破坏
机理的改变。
本文运用理论力学、弹性力学基本理论，并立足于现行混
凝土结构计算理论，提出了较为实用的锈蚀梁承载力计算模型。
旨在研究钢筋锈蚀程度、混凝土劣化程度等因素对受腐蚀钢筋
?昆凝土梁承载力计算方法的影响，从而补充了受腐蚀钢筋}昆凝
土构件受力性能研究方面的不足，为受腐蚀钢筋混凝土构件安
全性评估及维修加固决策提供一个重要的理论依据。
1 正截面破坏的混凝土梁承载能力计算模型
1．1 锈蚀混凝土梁截面基本假定和截面破坏计算模型
在计算锈蚀钢筋混凝土梁的抗弯强度前，先来分析与锈蚀
梁相应的未锈蚀梁，从未锈蚀梁的计算理论出发，进而得到锈
蚀钢筋混凝土梁的理论计算分析方法。计算时采用如下假定：
(1)截面应变保持一致，即遵循平截面假定。
(2)钢筋的本构关系采用三折线模型，如图1(a)所示。
(3)受压混凝土的应力一应变曲线采用Hognestad的抛物线
形式：o-~-~ [28 (s妇。) 】。这里 为混凝土的抗压强度，如
图1(b)所示。
(a)钢筋的本构关系 (b)混凝土应力一应变曲线
图1 应力一应变曲线
(4)不考虑混凝土的抗拉强度。未锈蚀钢筋混凝土梁的受
力简图如图2所示。
Ibx
：二 ⋯ ’
⋯ 一一一
— L一
(b)
图2 梁的受力简图
『 X=0，aoC~bx=fiA。
1Σ 0，帆 h。一争)或慨 A h。一手) ¨
相对受压区高度：
s： 一 — =D 一 (2)
ho bhoa 。
1．2 锈蚀钢筋的力学性能
钢筋力学性能退化主要是由于钢筋截面减小和坑蚀的影
响。锈蚀钢筋的屈服强度、弹性模量的计算可运用式(3)～(6)。
屈服强度：
O ≤5％时 (1-0．029‘P) (3)
p≥5％时 (1．175-0．064‘P) (4)
弹性模量：
0％o≤5％时， (1-0．052·P)·E。 (5)
P≥5％时，E (0．895—0．031·P)· (6)
1．3 锈蚀钢筋截面损失和黏绔陛能
钢筋锈蚀会引起其自身截面损失和黏结性能退化。在发生
明显的黏结滑移破坏之前，梁中钢筋与混凝土问的受力机理的
改变不是很清楚，因此，这里用一个协同工作降低系数来考虑
发生黏结破坏以前的黏结退化的影响。即钢筋锈蚀产生的钢筋
截面损失和黏结性能两种因素的影响，通过纵向受拉钢筋等效
截面面积综合考虑[91，表示为：
A
， s A (7)
1
式中：A一——纵向受拉钢筋的等效截面面积；
— — 第i根受拉钢筋未锈蚀时的截面面积；
k ——第i根受拉钢筋协同工作系数。
主要考虑黏结性能退化的影响，由文献[14]可得：
= 一0．272 2w+1．043 8 (8)
式中：岛——第i根受拉钢筋截面面积的减少系数。
按沿钢筋圆周方向均匀锈蚀，不考虑靠近保护层一侧锈蚀
情况更严重的现象，按锈蚀率进行换算即可：
s 1 (9)
如果是双筋矩形截面，对于受压区锈蚀钢筋，它与受压区
混凝土共同受压变形，二者之间的相对滑移很少，故认为其间
的协同工作系数k~=-i．0，即：
A
，
。。 s A (10)
i= l
式中：A ． ——纵向受压钢筋的等效截面面积；
以— —第i根受压钢筋未锈蚀时的截面面积。
1．4 混凝土截面的几何损伤
文献[9—1O]对混凝土保护层开裂后的构件强度计算方法进
行了相关的研究，认为混凝土保护层胀裂脱落引起了构件截面
的几何损伤，可以由式(11)计算：
fhe=h一 (cl 2) ，．1、
I6 6一d(c3-}-C4) 1 1
式中：h、b——截面原有高度和宽度；
。、b。——锈胀后截面计算高度和计算宽度；
C 、122——截面高度方向的两侧保护层厚度；
c 、C4— — 截面宽度方向的两侧保护层厚度；
— — 几何损伤系数。
对于梁 当锈胀裂缝宽度ztJ≤3．0 mm时，or=0．15w；当 >
3．0 mm时，a=1．0t 。这里是针对锈蚀程度较小的情况，因此，取
a=0．15w。
1．5 锈蚀程度较小时梁正截面破坏的承载力计算模型
对于锈蚀程度相对较小的钢筋混凝土受弯构件，由于钢筋
与混凝土间的黏结性能退化不多，底部纵向钢筋与混凝土间的
锚固尚好，在弯矩作用下几乎不会产生相对滑移，因此认为其
破坏形式与未锈蚀时相似，发生适筋延性破坏而不会出现黏结
撕裂破坏。如图3所示。
P P
一一一一一一一j：一一一一一一 ／
／
。 亡
f ， 1
O O
图3 锈蚀程度较小梁的力学计算模型
这样，沿用普通钢筋混凝土的力学模型和计算模型，在考
虑锈蚀钢筋力学性能退化、黏结性能退化引起协同工作系数的
·l1·
f__●● 』
变化、混凝土截面损伤进行综合计算。
对于单筋矩形截面，根据平衡条件可以得到：
lr 1．1 X=O，
．
。A
，
1Σ ， 1 2’
如果是双筋矩形截面，则：
iΣ =0， A ．。 ，。』4 ．
1Σ 0，慨． h 一 1 。 ％) ’
式中： ——锈蚀钢筋混凝土梁正截面受弯承载力；
Ot ——受压区}昆凝土矩形应力图所取应力与?昆凝土抗压
强度设计值的比值；
— — 混凝土轴心抗压强度；
6 ——锈胀构件截面宽度；
— — 锈胀构件截面有效高度，hoc=h～as；
— — 保护层厚度；
— — 受压区等效矩形应力图高度；
— — 受拉和受压锈蚀钢筋名义屈服强度。
l
I I
， 0．5 。{I
认为锈蚀钢筋受压时的强度退化与受拉时相同，均按式(1 3)
计算。
代入相关系数后，得到锈蚀程度较小的梁计算模型。
单筋矩形截面：
M~7-O,5a 。f( J ⋯，
双筋矩形截面：
一o．s f( ⋯)
该模型是在正截面破坏形式基础上推导

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