钢筋混凝土构件耐久性的若干问题研究
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摘要
本文在充分分析研究国内外研究成果的基础上，共进行了有关钢筋混凝土耐久性的三个部分内容的研究：一是较系统地研究了受压区钢筋锈蚀后对钢筋混凝土结构性能影响；二是进行钢筋混凝土锈蚀破坏全过程模拟试验研究；三是提出运用复杂性科学的思维方式研究钢筋混凝土耐久性的初步构想。
首先是对钢筋混凝土受弯构件受压区钢筋锈蚀的影响进行了较系统的试验与理论研究，在研究受压区钢筋锈蚀影响方面共进行了三项试验，分别为对普通钢筋混凝土受弯构件受压区钢筋锈蚀的性能进行试验研究，证明了受压区混凝土在锈胀力与荷载产生的压应力共同作用下，构件性能会随钢筋锈蚀量的增加而损伤；对钢筋锈蚀对混凝土强度的影响进行试验研究，设计了直接测试钢筋锈蚀量与混凝土强度关系的试验，并通过试验成功地建立了钢筋锈蚀量与混凝土强度关系的经验公式；对预应力钢筋混凝土受弯构件受压非预应力钢筋锈蚀影响进行了试验研究，结果表明受压非预应力筋的锈蚀对预应力筋的应力值影响不大，但对刚度的影响较大。在试验研究的基础上提出截面受压区应力图形等基本假定，以此建立了截面分析的基本计算公式，并编制了专用计算程序PCCB，其计算结果与理论值进行了比较和验证，然后用于进行受压区钢筋锈蚀后受弯构件的承载力与正常使用性能的分析研究。试验与理论研究均表明，受压区钢筋锈蚀后对普通钢筋混凝土和预应力钢筋混凝土受弯构件的承载力影响均不大，但对构件的正常使用性能有较显著的影响，受压区钢筋锈蚀过程中，截面刚度有较显著的下降，挠度及受压区混凝土压应变随锈蚀量增加而增加，增加值与使用荷载大小有关；受弯构件的截面曲率所受影响最大，锈蚀后截面的极限曲率有明显的下降，在使用荷载作用下，截面曲率则随钢筋锈蚀量的增加而有较显著的增加；而预应力混凝土受弯构件的抗裂度会下降。
为了便于工程实际的应用和评价结构的损伤程度，本文在试验与分析研究基础上，提出截面损伤系数的概念和定义，分析了影响截面损伤系数的各种因素，得出截面损伤系数的具有三折线形式等一些重要性质，并提出了截面损伤系数的计算方法，其中较为简便的是简化计算表法。截面损伤系数除了能反映截面损伤的程度外，还能方便地用于计算锈蚀后截面刚度、梁的挠度等，具有很好
的实用价值。提出截面损伤系数及其计算应用方法是本文最主要的研究成果之
在前面取得的研究结果的基础上，本文初步提出受弯构件受压区钢筋锈蚀
后的动力损伤鉴定方法，导出简单情况下的理论公式，初步建立构件自振频率
与截面损伤系数之间的关系，从而可以通过监测结构在使用过程中的模态参数
来鉴定结构损伤或损伤程度，通过这样的测试还有可能间接测定混凝土中钢筋
锈蚀量，为结构的检测提供一中新方法，其关系是通过截面损伤系数来建立的，
进一步体现了截面损伤系数在本文的承上启下的地位与作用，使本文形成从试
验研究一一理论一一应用的系统性，提出截面损伤系数是本文在研究受压钢筋
锈蚀影响方面所解决的关键问题。
作为论文的第二部分内容，本文针对现有钢筋混凝土受弯构件试验方法不
能真实反映构件破坏过程的缺点，设计出对钢筋混凝土梁锈蚀破坏全过程进行
模拟的试验，该试验主要特点是考虑了荷载持续作用的影响，试验结果表明，
该方法能够真实地模拟出钢筋混凝土梁的锈蚀破坏过程，通过本试验可以得到
一些按传统试验方法所没有发现的特点，锈蚀破坏过程可划分为粘结滑移阶段、
锈蚀裂化阶段和锈蚀破坏阶段为三个阶段。锈蚀破坏型态有粘结锚固破坏、剪
切破坏和折断三种破坏型态。锈蚀破坏过程中的塑性性能与作用荷载有关，作
用荷载越接近极限荷载，梁破坏时的挠度越大，但钢筋的塑性性能越低。在全
梁均匀锈蚀量时，梁的破坏挠度一般比较大，接近于塑性破坏，但当只发生局
部锈蚀破坏时，梁的挠度很小，接近脆性破坏，这是钢筋锈蚀破坏过程中最危
险的情况。在实际工程中，如能保证不发生粘结锚固破坏型，则梁锈蚀破坏能
有较大的变形过程。
针对钢筋混凝土耐久性问题是一复杂性问题，作者在分析了其复杂性特点
后，提出引进复杂性科学的思维方式研究钢筋混凝土耐久性的初步构想，作为
本论文的第三部分内容。
最后进行了总结并提出需进一步研究的问题。本文的特色是实用性较强，对
受压区钢筋锈蚀后结构性能的研究成果达到实用的要求，研究手段以实验研究
为主，在实验方法上也有所创新。
Base on full analysis of research results over the world, this paper conducts three parts of study on durability of concrete: first, the influence on behavior of reinforced concrete structure with corroded steel bar in compressive area has been studied systematically; second, imitated test on the whole corrosion damage process of R.C. beam has been done; third, present an elementary idea of using complexity science thinking model to study durability of reinforced concrete.
First, influences on behavior of reinforced concrete structure with corroding bar in compressive area have been researched systematically mainly by experimental means. Three tests have been conducted. The research on behavior of general R.C. beam with corroded steel bar in compressive area shows that under the combined affect of rust expansive force and compressive stress, the concrete strength will reduce with the increase of rust rate, and that leads to damage of members. The test on direct measuring the relationship of bar rust rate and concrete strength has been presented, from which an experience formula has been erected successfully. Experimental investigation on influence of non-prestressed corroding steel bar in bending prestressed R.C. members has been done, it shows that the stress of prestressed steel bar varies only a little during non-prestressed steel bar corroding. On the basis of experiment, basic assuming include section's compressive stress block has been presented, base on that, basic sect
ion analyze formulas have been found and a program PCCB has been programmed, which results are compared with experiment, then it is used to analyze the load bearing capacity and normal usage behavior after bars corroded in compressive area of bending members. Experimental and treat study show that the influence on loading capacity of normal R.C. and prestressed R.C. by bar corrosion in compressive area is not great, but it has rather remarkable affect on the serviceability of them. During the corrosion course of bars in compressive area, the stiffness of section reduces rather sharply with the increasing of rust rate, and the flexibility and compressive strain of concrete become greater. Its amount has relation with acting load. The influence on sectional curvature of bending components is the greatest one, the ultimate curvature of corroding section decrease obviously, and the sectional curvature increases rather sharply with the increase of rust rate during the process of corrosion. The anti-cracking capac
ity of prestressed bending R.C. components may be damage.
For the convenience of engineering usage and damage evaluation of structure, this paper presents a concept of sectional damage coefficient on the foundation of experimental and treatment study. Factors on sectional damage coefficient have been analyzed to get some of important properties of it such as its curve shape of three folded linear with rust rate. Calculating methods of sectional damage coefficient have been presented. The rather easy one among them is the simplified calculating table method. Excepting reflecting the damage level, the sectional damage coefficient can be easily used to calculate section stiffness of corrosion section,
flexibility of beams etc. Consequently, it has a rather good usage value. To present such a coefficient and its calculating method is one of the most important results of this paper.
On the basis of the study results gotten yet, this paper presents primarily a dynamic damage check method with corroded bars in compressive area of bending components, that is to say structural damage can be evaluated by measuring the model parameters of structure in use. Theoretical formulas under simple state had been educed, including the relationship of self-vibration frequency and section damage coefficient. Because the relationship of corrosion amount and model parameters of structure has been fond through sectional damage coefficient, the corrosion amount of steel bar in concrete can also be gotten indirectly by this kind of measuring, which presents a n
首先是对钢筋混凝土受弯构件受压区钢筋锈蚀的影响进行了较系统的试验与理论研究，在研究受压区钢筋锈蚀影响方面共进行了三项试验，分别为对普通钢筋混凝土受弯构件受压区钢筋锈蚀的性能进行试验研究，证明了受压区混凝土在锈胀力与荷载产生的压应力共同作用下，构件性能会随钢筋锈蚀量的增加而损伤；对钢筋锈蚀对混凝土强度的影响进行试验研究，设计了直接测试钢筋锈蚀量与混凝土强度关系的试验，并通过试验成功地建立了钢筋锈蚀量与混凝土强度关系的经验公式；对预应力钢筋混凝土受弯构件受压非预应力钢筋锈蚀影响进行了试验研究，结果表明受压非预应力筋的锈蚀对预应力筋的应力值影响不大，但对刚度的影响较大。在试验研究的基础上提出截面受压区应力图形等基本假定，以此建立了截面分析的基本计算公式，并编制了专用计算程序PCCB，其计算结果与理论值进行了比较和验证，然后用于进行受压区钢筋锈蚀后受弯构件的承载力与正常使用性能的分析研究。试验与理论研究均表明，受压区钢筋锈蚀后对普通钢筋混凝土和预应力钢筋混凝土受弯构件的承载力影响均不大，但对构件的正常使用性能有较显著的影响，受压区钢筋锈蚀过程中，截面刚度有较显著的下降，挠度及受压区混凝土压应变随锈蚀量增加而增加，增加值与使用荷载大小有关；受弯构件的截面曲率所受影响最大，锈蚀后截面的极限曲率有明显的下降，在使用荷载作用下，截面曲率则随钢筋锈蚀量的增加而有较显著的增加；而预应力混凝土受弯构件的抗裂度会下降。
为了便于工程实际的应用和评价结构的损伤程度，本文在试验与分析研究基础上，提出截面损伤系数的概念和定义，分析了影响截面损伤系数的各种因素，得出截面损伤系数的具有三折线形式等一些重要性质，并提出了截面损伤系数的计算方法，其中较为简便的是简化计算表法。截面损伤系数除了能反映截面损伤的程度外，还能方便地用于计算锈蚀后截面刚度、梁的挠度等，具有很好
的实用价值。提出截面损伤系数及其计算应用方法是本文最主要的研究成果之
在前面取得的研究结果的基础上，本文初步提出受弯构件受压区钢筋锈蚀
后的动力损伤鉴定方法，导出简单情况下的理论公式，初步建立构件自振频率
与截面损伤系数之间的关系，从而可以通过监测结构在使用过程中的模态参数
来鉴定结构损伤或损伤程度，通过这样的测试还有可能间接测定混凝土中钢筋
锈蚀量，为结构的检测提供一中新方法，其关系是通过截面损伤系数来建立的，
进一步体现了截面损伤系数在本文的承上启下的地位与作用，使本文形成从试
验研究一一理论一一应用的系统性，提出截面损伤系数是本文在研究受压钢筋
锈蚀影响方面所解决的关键问题。
作为论文的第二部分内容，本文针对现有钢筋混凝土受弯构件试验方法不
能真实反映构件破坏过程的缺点，设计出对钢筋混凝土梁锈蚀破坏全过程进行
模拟的试验，该试验主要特点是考虑了荷载持续作用的影响，试验结果表明，
该方法能够真实地模拟出钢筋混凝土梁的锈蚀破坏过程，通过本试验可以得到
一些按传统试验方法所没有发现的特点，锈蚀破坏过程可划分为粘结滑移阶段、
锈蚀裂化阶段和锈蚀破坏阶段为三个阶段。锈蚀破坏型态有粘结锚固破坏、剪
切破坏和折断三种破坏型态。锈蚀破坏过程中的塑性性能与作用荷载有关，作
用荷载越接近极限荷载，梁破坏时的挠度越大，但钢筋的塑性性能越低。在全
梁均匀锈蚀量时，梁的破坏挠度一般比较大，接近于塑性破坏，但当只发生局
部锈蚀破坏时，梁的挠度很小，接近脆性破坏，这是钢筋锈蚀破坏过程中最危
险的情况。在实际工程中，如能保证不发生粘结锚固破坏型，则梁锈蚀破坏能
有较大的变形过程。
针对钢筋混凝土耐久性问题是一复杂性问题，作者在分析了其复杂性特点
后，提出引进复杂性科学的思维方式研究钢筋混凝土耐久性的初步构想，作为
本论文的第三部分内容。
最后进行了总结并提出需进一步研究的问题。本文的特色是实用性较强，对
受压区钢筋锈蚀后结构性能的研究成果达到实用的要求，研究手段以实验研究
为主，在实验方法上也有所创新。
Base on full analysis of research results over the world, this paper conducts three parts of study on durability of concrete: first, the influence on behavior of reinforced concrete structure with corroded steel bar in compressive area has been studied systematically; second, imitated test on the whole corrosion damage process of R.C. beam has been done; third, present an elementary idea of using complexity science thinking model to study durability of reinforced concrete.
First, influences on behavior of reinforced concrete structure with corroding bar in compressive area have been researched systematically mainly by experimental means. Three tests have been conducted. The research on behavior of general R.C. beam with corroded steel bar in compressive area shows that under the combined affect of rust expansive force and compressive stress, the concrete strength will reduce with the increase of rust rate, and that leads to damage of members. The test on direct measuring the relationship of bar rust rate and concrete strength has been presented, from which an experience formula has been erected successfully. Experimental investigation on influence of non-prestressed corroding steel bar in bending prestressed R.C. members has been done, it shows that the stress of prestressed steel bar varies only a little during non-prestressed steel bar corroding. On the basis of experiment, basic assuming include section's compressive stress block has been presented, base on that, basic sect
ion analyze formulas have been found and a program PCCB has been programmed, which results are compared with experiment, then it is used to analyze the load bearing capacity and normal usage behavior after bars corroded in compressive area of bending members. Experimental and treat study show that the influence on loading capacity of normal R.C. and prestressed R.C. by bar corrosion in compressive area is not great, but it has rather remarkable affect on the serviceability of them. During the corrosion course of bars in compressive area, the stiffness of section reduces rather sharply with the increasing of rust rate, and the flexibility and compressive strain of concrete become greater. Its amount has relation with acting load. The influence on sectional curvature of bending components is the greatest one, the ultimate curvature of corroding section decrease obviously, and the sectional curvature increases rather sharply with the increase of rust rate during the process of corrosion. The anti-cracking capac
ity of prestressed bending R.C. components may be damage.
For the convenience of engineering usage and damage evaluation of structure, this paper presents a concept of sectional damage coefficient on the foundation of experimental and treatment study. Factors on sectional damage coefficient have been analyzed to get some of important properties of it such as its curve shape of three folded linear with rust rate. Calculating methods of sectional damage coefficient have been presented. The rather easy one among them is the simplified calculating table method. Excepting reflecting the damage level, the sectional damage coefficient can be easily used to calculate section stiffness of corrosion section,
flexibility of beams etc. Consequently, it has a rather good usage value. To present such a coefficient and its calculating method is one of the most important results of this paper.
On the basis of the study results gotten yet, this paper presents primarily a dynamic damage check method with corroded bars in compressive area of bending components, that is to say structural damage can be evaluated by measuring the model parameters of structure in use. Theoretical formulas under simple state had been educed, including the relationship of self-vibration frequency and section damage coefficient. Because the relationship of corrosion amount and model parameters of structure has been fond through sectional damage coefficient, the corrosion amount of steel bar in concrete can also be gotten indirectly by this kind of measuring, which presents a n
引文
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