, 曹泽阳1, 刘伟杰2, 李鹏飞3 1. 北方工业大学 土木工程学院, 北京 100144;
2. 北京发研工程技术有限公司, 北京 100102;
3. 重庆交通大学 河海学院, 重庆 400074
收稿日期：2018-12-17
基金项目：国家自然科学基金资助项目（51709026）
作者简介：何世钦(1970-), 女, 副教授。E-mail:heshiqin@ncut.edu.cn
摘要：准确预测侵蚀环境下在役钢筋混凝土梁的长期变形规律是保障其结构长期性能与耐久性能的重要方面。通过不同荷载水平与氯盐腐蚀环境耦合作用下钢筋混凝土梁的长期变形试验，研究了腐蚀环境下梁长期挠度增长的规律，采用ACI209R预测模型分析梁试件的长期挠度，并与试验结果进行对比。结果表明：在荷载-氯盐腐蚀环境下，试验梁的挠度持续增长。初期增长较快，10 d后增长速率变慢，150 d后进一步变缓，300 d后由于腐蚀程度增大，挠度发展又出现增长加快趋势，耦合作用效果明显。荷载水平对腐蚀环境下混凝土构件的挠度变形影响明显，干湿交替环境使挠度发展出现波动趋势。由于ACI209R预测模型未考虑钢筋锈蚀的影响，其计算结果并不能与试验结果完全吻合。
关键词：钢筋混凝土梁长期荷载氯盐环境耦合作用长期挠度ACI 209R预测模型
Influence of long-term load and chlorine corrosion on reinforced concrete beam deflection
HE Shiqin1
, CAO Zeyang1, LIU Weijie2, LI Pengfei31.School of Civil Engineering, North China University of Technology, Beijing 100144, China;
2.Beijing Fayan Engineering Technology Co., Ltd., Beijing 100102, China;
3.School of River and Ocean Engineering, Chongqing Jiaotong University, Chongqing 400074, China
Abstract: This study predicts the long-term deformation of reinforced concrete (RC) beams in corrosive environments which is important for ensuring the long-term strength and durability of structures. The long-term deformation of RC beams was measured for the coupling action of the load level and chloride corrosion environment. The long-term deflection of the beams was compared with predictions of the ACI209R model. The results show that the beam deflection when affected by load-chloride corrosion can be divided into four stages:the deflection increased rapidly in the first 10 d, the growth rate slowed after 10 d, the growth rate further decreased after 150 d, and the deflection rate started to increase again after 300 d. Alternating dry and wet environments caused the deflection rates to go up and down. The load level has an evident influence on the RC beam deflection in the corrosive environment. The ACI209R prediction model does not accurately predict the test results because it does not consider the coupled effect of the reinforcement corrosion.
Key words: reinforced concrete beamslong-term loadchloride environmentcoupling effectlong-term deflectionACI209R prediction model
处于氯盐环境下的钢筋混凝土桥梁，在长期荷载作用下, 由于徐变等因素的影响，挠度会不断增大；同时，海水中氯离子的侵蚀以及冬季除冰盐的使用，使混凝土内钢筋加速锈蚀[1]。钢筋锈蚀削弱了混凝土和钢筋之间的粘结性能，构件刚度劣化，挠度变形进一步增大，从而对钢筋混凝土梁的长期使用性能产生影响，在远未达到结构设计使用年限时即丧失结构的安全性和耐久性。例如，主跨持续下挠已经成为困扰大跨径预应力混凝土连续梁桥设计、施工及养护的主要问题，跨中下挠会加剧箱梁底板腹板开裂，而箱梁梁体裂缝增多会使结构刚度降低、进一步加剧跨中下挠，严重影响桥梁正常使用及行车安全[2-3]。
针对荷载与氯盐腐蚀耦合作用下钢筋混凝土梁的劣化问题，研究主要集中于锈蚀钢筋混凝土梁力学性能；对持续荷载作用下梁的挠度变形研究大多采用电化学[4-7]或掺加氯盐[8]的方法进行钢筋加速锈蚀，试验持续时间较短，与自然环境下钢筋锈蚀不同，不能真实反映实际工程构件的状况。长期荷载作用下混凝土梁的挠度预测研究较多，作用环境为实验室恒定湿度或变化湿度[9]；目前少有长期荷载与腐蚀环境耦合作用下混凝土梁的挠度预测的研究资料，由于氯盐能够加速钢筋锈蚀，挠度增长也随之加快，准确预测腐蚀环境下钢筋混凝土构件的挠度增长规律是提高结构耐久性、增强结构长期性能的重要保障。
本文进行了钢筋混凝土梁的长期荷载-氯盐环境腐蚀耦合试验，为了更接近实际工程的钢筋锈蚀状况，钢筋的锈蚀试验采用氯盐长期浸泡方法研究梁的长期挠度增长的规律，并将试验结果与ACI209R预测模型计算结果进行比较。
1 试验概况1.1 试验梁及试验装置概况试验共采用11根钢筋混凝土梁，尺寸为b×h×l=120mm×150mm×2100mm，b为梁截面宽度，h为梁截面高度，l为梁的长度。梁底受拉钢筋采用两根直径为12mm的HRB400钢筋，架立钢筋采用两根直径为10mm的HRB335钢筋，在两个剪跨段内每隔100mm布置有直径为8mm的HRB335箍筋。为消除其他钢筋对试验梁挠度的影响，纯弯段内只布置受拉钢筋。混凝土保护层厚度为25mm。混凝土设计强度C30，28d强度为38MPa。试验梁尺寸及配筋如图 1所示。
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| 图 1 试验梁尺寸及配筋图(单位：mm) |
| 图选项 |
加载装置如图 2所示。将试验梁倒置，通过配重块实现反向加载，可调节配重块重量以满足不同荷载需要。试验梁的受拉区位于上部，便于观测试验过程中裂缝的发生和发展。在配重加载点处、支座和梁跨中布置百分表，以检测挠度增长情况。在试验梁的纯弯段上部粘有机玻璃槽，槽中放入3.5% NaCl溶液，以实现恒载作用下的氯盐腐蚀。当槽中长期有溶液浸泡时可以实现恒湿环境下的腐蚀；当需要干湿交替腐蚀时，干周期可以将槽中氯盐溶液抽出，湿周期将溶液放入槽中。
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| 图 2 试验装置 |
| 图选项 |
1.2 试验方案试验方案如表 1所示，试验梁A-1和A-2直接受弯破坏，用以确定这批试验梁的极限承载力Pu，得到2根梁的承载力分别为30.78kN和32.28kN，取平均值31.53kN为这批梁的极限承载力。设计了52% Pu和67% Pu 2种水平恒定荷载施加于试验梁上，腐蚀环境为氯盐溶液浸泡，包括120d干湿交替腐蚀、240d恒湿腐蚀、240d恒湿腐蚀后再进行120d干湿交替腐蚀3种加载环境。D-1梁为67% Pu荷载下在空气中加载120d的对比试验梁。
表 1 试验方案
| 梁编号 | 加载荷载 | 腐蚀环境 | 试验加载时间 |
| A-1 A-2 | 28 d后测定极限承载力 | ||
| B-1 B-2 B-3 | 52% Pu | 120 d干湿交替 240 d恒湿 240 d恒湿后120 d干湿交替 | 120 d 240 d 360 d |
| C-1 C-2 C-3 C-4 C-5 | 67% Pu | 120 d干湿交替 240 d恒湿 240 d恒湿后120 d干湿交替 | 120 d 240 d 360 d |
| D-1 | 67% Pu | 空气环境 | 120 d |
表选项
2 试验结果与分析2.1 试验梁挠度发展规律各试验梁的跨中挠度-时间曲线如图 3所示，图中初始挠度为配重加载后的瞬时挠度，52% Pu荷载下的试验梁在加载时的瞬时挠度达到4.36~5.40mm，67% Pu荷载下的试验梁在加载时的瞬时挠度达到6.26~7.34mm。从图中可以看出，各试验梁挠度增长速率在不同阶段差别明显，前10d左右挠度增长速率较快，之后挠度增长变缓。对于加载时间为120d的试验梁，由于腐蚀环境为干湿交替变化，到70d左右时，挠度呈现波动变化和总体增长的趋势。对于加载时间为240d和360d的试验梁，到150d左右后挠度增长速率进一步变缓。且加载时间为360d的试验梁的挠度在干湿交替阶段后期也呈现出波动变化规律。
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| 图 3 各试验梁跨中挠度-加载时间关系 |
| 图选项 |
2.2 腐蚀时间对梁挠度增长的影响由于钢筋混凝土材料的不均匀性，试验梁B-1、B-2、B-3在施加52% Pu荷载时的初始挠度均不相同，将各个时间测试的跨中挠度减去初始挠度，对挠度增长规律进行分析，如图 4a所示；同样，67%Pu荷载试验梁的挠度增长随时间的变化规律如图 4b所示。可以看出试验梁的挠度增长大致可以分为以下4个阶段。
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| 图 4 腐蚀时间对梁挠度增长影响曲线 |
| 图选项 |
第1阶段：从开始加载到10d左右的初始阶段，各试验梁挠度迅速增长。
第2阶段：曲线在10d左右处出现一个明显“拐点”，10d之后挠度增长明显变缓，直至150d左右, 是一个时间相对较长的阶段。干湿交替环境下的B-1、C-1试验梁，在70d左右后挠度出现波动增长，湿环境下挠度减小，干环境下挠度增大，主要是因为干湿交替环境会使相对湿度发生较大变化，当相对湿度越大时，混凝土的徐变越小，从而导致挠度减小[10]。
第3阶段：150d后试验梁挠度发展进一步变缓。
第4阶段：对于加载时间为360d的试验梁，到300d左右后其挠度发展又出现增长变快趋势。分析其原因，是因为加载后期试验梁裂缝宽度有所增长[11]，干湿交替环境使钢筋与空气和氯盐溶液反复接触，锈蚀速率进一步加快，导致了混凝土加速开裂，试验梁刚度减小，使得挠度增长速率变快。并且在干湿交替环境后期，试验梁挠度也出现波动趋势。
长期荷载作用下钢筋混凝土梁刚度随时间增长而降低，引起梁挠度增大。梁刚度降低的主要原因是受压区混凝土的收缩徐变、受拉区混凝土与钢筋之间的徐变滑移等；对于氯盐环境下的梁，当钢筋锈蚀使混凝土与钢筋的粘结性能降低、混凝土出现沿纵筋的锈胀裂缝时，也会使梁的刚度进一步降低，这种长期荷载与氯盐腐蚀耦合作用效应使得梁的挠度增长大于一般环境下的梁。本文的试验梁采用氯盐浸泡与干湿交替方式对钢筋进行腐蚀，钢筋锈蚀速度较慢，在试验过程中混凝土表面并未出现沿纵筋的锈胀裂缝，因此试验时间内短时耦合作用效应不明显；耦合效应表现在试验时间300d后，出现了挠度增长加快的趋势，表明此时钢筋锈蚀引起钢筋与混凝土粘结性能降低，梁刚度进一步退化。
2.3 荷载水平对挠度发展的影响相同腐蚀时间下试验梁挠度和加载时间曲线如图 5所示。
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| 图 5 荷载水平对试验梁挠度影响 |
| 图选项 |
腐蚀环境及腐蚀时间相同的试验梁，在不同荷载水平下，其挠度发展曲线的走势完全一致。试验过程中，任意加载时间点，67% Pu荷载下的试验梁，其挠度相应大于52% Pu荷载下的试验梁。对于经历干湿交替环境的试验梁，荷载水平对挠度的影响也体现在波动幅度上。67% Pu荷载下试验梁C-1的挠度波动幅度约为0.4mm，52% Pu荷载下的试验梁B-1的挠度波动幅度约为0.2mm。加载时间为360d的试验梁也有相似的规律。说明在腐蚀环境下，荷载水平对构件挠度变形有显著影响。
3 与ACI209R预测模型对比在钢筋混凝土结构的性能评估中，挠度是一个很重要的指标，挠度变形过大会影响结构的正常使用。目前我国《混凝土结构设计规范》[12]和美国房屋建筑混凝土结构规范(ACI318-05)规范[13]均给出了钢筋混凝土梁长期挠度的预测方法。孙海林等[14]对混凝土徐变和收缩引起的截面曲率增大系数进行分析，通过引进附加变形增大系数，得出适用于以受弯荷载为主的钢筋混凝土梁的长期变形计算方法。傅学怡等[15]通过钢筋混凝土梁截面长期应力应变分布规律，建立了预测梁初始及长期总变形的通用分析方法。本文以ACI209R预测模型[16]为例，将试验结果和计算结果进行对比。
3.1 ACI209R预测模型美国混凝土协会提出的ACI 209R预测模型，为钢筋混凝土构件在长期荷载作用下的变形预测提供了参考。由徐变引起的钢筋混凝土梁的挠度增长可以计算如下：
| ${\mathit{\Delta }_{\left( {t, {t_0}} \right)}} = {\xi _r}{\phi _{\left( {t, {t_0}} \right)}}{\mathit{\Delta }_i}.$ | (1) |
ξr的值计算如下：
| $\xi_{r}=0.85-0.45\left(A_{s}^{\prime} / A_{s}\right), \quad \xi_{r} \geqslant 0.4.$ | (2) |
徐变系数?(t, t0)是基于美国混凝土协会提出的一个混凝土试件徐变试验的双曲线函数模型：150mm×300mm的标准圆柱体试块，标准条件下养护7d或蒸汽养护1~3d后加载，模型的计算公式拟合了大量试验的平均值。该模型将影响混凝土构件徐变的因素分为环境因素和混凝土自身因素。环境因素包括加载龄期、环境相对湿度、构件尺寸等；混凝土自身因素包括混凝土塌落度、细集料含量和混凝土空气含量等。
t0时刻加载的混凝土徐变系数可表示为
| $\phi_{\left(t, t_{0}\right)}=\frac{t^{0.6}}{10+t^{0.6}} \phi_{(\infty)}.$ | (3) |
| $\phi_{(\infty)}=2.35 K_{1} K_{2} K_{3} K_{4} K_{5} K_{6}.$ | (4) |
| ${K_1} = 1.25t_0^{ - 0.118}.$ | (5) |
K2为环境相对湿度影响系数，计算如下：
| ${K_2} = 1.27 - 0.0067H.$ | (6) |
K3为构件平均厚度影响系数，计算如下：
| ${K_3} = 1.14 - 0.00092h$ | (7) |
K4为塌落度影响系数，计算如下：
| ${K_4} = 0.82 + 0.00264S.$ | (8) |
K5为细集料含量影响系数，计算如下：
| ${K_{\rm{5}}} = 0.8{\rm{8}} + 0.0024f.$ | (9) |
K6为空气含量影响系数，计算如下：
| ${K_{\rm{6}}} = 0.46 + 0.09\alpha .$ | (10) |
本试验中ACI 209R模型计算所采用的参数取值见表 2。因模型适用于恒定湿度条件下的混凝土徐变系数计算，故本文中计算所采用的相对湿度参数为平均相对湿度，取99%。
表 2 ACI 209R模型计算参数
| 参数 | 加载龄期/d | 环境相对湿度/% | 构件平均厚度/mm | 塌落度/mm | 细集料占比/% | 空气含量/% |
| 参数值 | 70 | 99 | 150 | 135 | 36 | 6 |
表选项
瞬时挠度Δi采用各荷载水平下试验梁加载瞬时挠度的平均值。52% Pu荷载下，各试验梁初始挠度平均值为5.04mm；67% Pu荷载下，各试验梁初始挠度平均值为6.80mm。
3.2 试验结果与ACI209R预测模型对比2种荷载水平下的试验结果与ACI209R模型计算结果对比分别如图 6和7所示。
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| 图 6 B组试验梁试验结果与ACI209模型计算结果对比 |
| 图选项 |
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| 图 7 C组试验梁试验结果与ACI209R模型计算结果对比 |
| 图选项 |
从图中可以看出，ACI209R模型计算结果在加载前期挠度增长较快，前25d左右大致处于线性增长阶段，之后发展速率逐渐变缓。对于干湿交替工况，因为计算模型中采用平均相对湿度的方法计算徐变系数, 无法模拟出混凝土在干湿交替环境中徐变增长-恢复的规律[9]，因此也无法模拟出挠度波动增长的发展规律。
对于荷载水平为52% Pu的B组试验梁，加载前10d，计算结果与试验结果大致相符，之后试验结果增长进入平缓期，增长挠度值略低于ACI209R模型计算结果。随后计算结果增长速率逐渐变缓，至250d左右时，计算结果与试验结果再次吻合。300d左右后，干湿交替环境下试验结果增长加快，超过计算结果。
对于荷载水平为67% Pu的C组试验梁，加载前10d，计算结果与试验结果大致相符，之后试验结果增长进入平缓期，增长挠度值低于ACI209R模型计算结果。且与B组试验梁相比，整体上计算结果与试验结果相差更多。
分析其原因：一是因为ACI209R预测模型中未考虑环境温度这一因素。环境温度是影响混凝土徐变的主要外部因素之一。一般来说，温度升高会使混凝土的黏性降低，也使其弹性模量降低，即弹性提高[10]。本文试验所在地为北京市，试验周期为2014年1月至2015年1月，试验后期实验室平均温度相对于中期下降10~12℃，因此试验后期试验梁挠度增长与计算结果相比有所降低。二是因为本试验中采用将试验梁倒置并通过氯盐溶液来模拟腐蚀环境，仅有纯弯段区域受到腐蚀，轻微的腐蚀程度有可能提高试验梁的抗弯性能。三是因为ACI209R预测模型对于湿度变化表现不敏感，干湿交替腐蚀环境使得相对湿度变化剧烈，对预测结果产生严重影响。
3.3 调整ACI209R预测模型针对ACI209R预测模型计算结果与试验结果相差较大，基于ACI209R预测模型的基础上，乘以折减系数K进行调整，使得调整后的结果与试验结果更加相符。
| ${\mathit{\Delta }_{\left( {t, {t_0}} \right)}} = K \cdot {\xi _r}{\phi _{\left( {t, {t_0}} \right)}}{\mathit{\Delta }_i}.$ | (11) |
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| 图 8 ACI209R模型调整结果与试验结果对比 |
| 图选项 |
调整后的ACI预测模型，其计算结果在前期与试验结果符合较好，表明此阶段梁挠度增长主要是由混凝土徐变引起梁刚度降低；当加载时间300d后，调整后的ACI预测模型计算的挠度增长趋于平缓，而试验结果则出现增长加快趋势，表明此阶段钢筋锈蚀引起刚度降低，而预测模型没有考虑这一因素，使预测结果与试验结果不同。
4 结论长期荷载与氯盐腐蚀环境下试验梁的挠度发展随加载时间和腐蚀发展而增加，前10d左右挠度增长速率较快，10d至150d挠度增长明显变缓，150d至300d挠度增长速率进一步变缓，300d左右后由于腐蚀程度增大挠度增长再次出现加快趋势；干湿交替环境下的试验梁由于相对湿度的变化，挠度增长出现波动变化和总体增长趋势。荷载水平对梁的挠度发展有一定影响，荷载水平较大的试验梁，其挠度大于同时刻承受荷载水平较小的试验梁；荷载水平对干湿交替环境试验梁挠度的影响在波动幅度上也有体现。ACI209R预测模型计算结果与试验结果并不能完全吻合，且无法模拟干湿交替环境下湿度改变而产生的挠度波动变化。前10d左右计算结果与试验结果大致相符，随后计算结果大于试验结果。调整后的模型计算结果在钢筋锈蚀较小时与试验结果吻合较好，随锈蚀程度增大计算结果小于试验结果。
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