CN112560153A - 一种纵筋锈蚀再生混凝土梁正截面承载力的计算方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种纵筋锈蚀再生混凝土梁正截面承载力的计算方法，包括纵筋锈蚀后再生混凝土梁的正截面开裂弯矩和正截面抗弯承载力的计算，通过引入再生混凝土梁纵筋锈蚀后截面抵抗矩系数和抗弯承载力纵筋锈蚀影响系数，对普通混凝土梁的正截面开裂弯矩和抗弯承载力的计算方法进行修正，对纵筋锈蚀再生混凝土梁在实际工程中的应用具有重要的应用价值。

Description

一种纵筋锈蚀再生混凝土梁正截面承载力的计算方法

技术领域

本发明属于再生混凝土领域，特别涉及了纵筋锈蚀再生混凝土梁正截面承载力的计算方法。

背景技术

当前，城镇化建设和基础设施建设正在快速发展，大量建筑不断拆除和改建，建筑被拆除后将产生大量的废弃混凝土，目前对于废弃混凝土采取的处理措施多为填埋处理，由于废弃混凝土难以降解，填埋处理无法解决根本问题，而且会造成严重的土体浪费和环境污染。再生混凝土是将废弃混凝土经过破碎、筛分、清洗、分级后作为部分或者全部粗骨料与水、水泥等配合而成的新混凝土。再生混凝土技术既能将废弃混凝土得到有效利用，同时也可大量减少天然砂石的使用量，高度契合绿色发展理念，其应用和发展将是解决当前城镇化进程中经济发展与环境保护相矛盾的重要措施，将有效提高国家发展质量，确保资源节约型、环境友好型社会的建设。

国内外已开展了大量有关再生混凝土方面的研究工作，主要围绕再生混凝土基本力学性能、再生混凝土耐久性和再生混凝土梁、柱构件等方面开展研究，其中针对再生混凝土梁研究正截面承载力计算方法的研究很少。在再生混凝土梁工作过程中，梁内纵筋会发生锈蚀，原有的再生混凝土梁正截面承载力计算方法已不适用于纵筋锈蚀的再生混凝土梁。针对纵筋锈蚀再生混凝土梁的受力特点，修正适用于纵筋锈蚀再生混凝土梁正截面承载力计算表达式是十分必要的，对纵筋锈蚀再生混凝土梁在实际工程中的应用具有重要的应用价值。

发明内容

为了解决上述背景技术提到的技术问题，本发明提出了一种纵筋锈蚀再生混凝土梁正截面承载力的计算方法，明显减小再生混凝土梁纵筋锈蚀后开裂弯矩和抗弯极限承载力计算值与实测值之间的差异。

为了实现上述技术目的，本发明的技术方案为：

一种纵筋锈蚀再生混凝土梁正截面承载力的计算方法，引入再生混凝土梁纵筋锈蚀后截面抵抗矩系数和抗弯承载力纵筋锈蚀影响系数，包括纵筋锈蚀后再生混凝土梁的正截面开裂弯矩和正截面抗弯承载力的计算。

进一步地，纵筋锈蚀再生混凝土梁是指利用再生混凝土粗骨料取代部分天然粗骨料，并且纵筋出现锈蚀的梁。

进一步地，所述天然粗骨料是指天然石料经破碎筛分得到的粒径不大于31mm，且符合颗粒级配的粗骨料。

进一步地，所述再生混凝土粗骨料是指由建筑拆除废弃物中混凝土构件破碎筛分得到的，粒径不大于26.5mm，且符合颗粒级配的粗骨料。

进一步地，纵筋锈蚀后再生混凝土梁的正截面开裂弯矩的计算过程如下：

(a)建立纵筋锈蚀后再生混凝土梁的正截面开裂弯矩计算基本假设，包括再生混凝土梁截面符合平截面假定；截面受拉边缘开裂时，受拉边缘混凝土产生塑性变形，其余混凝土处于弹性状态；再生混凝土受拉本构关系中极限应变ε_tu与峰值应变ε_to的关系为ε_tu＝1.5ε_t0，钢筋受拉本构关系为σ_s＝E_sε_s，其中σ_s为钢筋应力，E_s为钢筋弹性模量，ε_s为钢筋应变；

(b)计算受压区边缘混凝土应力σ_c：

上式中，x_c为中和轴至受压区边缘距离；h为梁截面高度；f_t为再生混凝土轴心抗拉强度；

(c)根据静力平衡条件，计算中和轴高度系数ξ_c和再生混凝土梁正截面开裂弯矩M_cr：

上式中，m为钢筋拉力与全截面混凝土抗拉力的比值，

σ_s为钢筋应力；A_s为受拉区钢筋面积；b为梁截面宽度；a_s截面边缘至受拉钢筋中心距离，γ为混凝土构件的截面抵抗矩塑性影响系数；W₀为换算截面受拉边缘的弹性抵抗矩；

(d)对再生混凝土轴心抗拉强度f_t和弹性模量E_c与立方体抗压强度f_cu的关系进行拟合：

(e)设再生混凝土梁纵筋锈蚀后截面抵抗矩系数为γ_Rcr，则纵筋锈蚀后再生混凝土梁的正截面开裂弯矩M_c′_r的表达式如下：

(f)通过正截面开裂荷载P_cr实测值和再生混凝土强度f_cu实测值计算得到γ_Rcr与纵筋锈蚀率ρ_L的关系，从而得到纵筋锈蚀后再生混凝土梁的正截面开裂弯矩。

进一步地，在步骤(a)中，所述基本假设包括再生混凝土梁截面符合平截面假定；截面受拉边缘开裂时，受拉边缘混凝土产生塑性变形，其余混凝土处于弹性状态；再生混凝土受拉本构关系中极限应变ε_tu与峰值应变ε_to的关系为ε_tu＝1.5ε_t0，钢筋受拉本构关系为σ_s＝E_sε_s，其中σ_s为钢筋应力，E_s为钢筋弹性模量，ε_s为钢筋应变。

进一步地，在步骤(f)中，γ_Rcr与纵筋锈蚀率ρ_L的关系如下：

γ_Rcr＝1.782-0.3ρ_L

据此得到纵筋锈蚀后再生混凝土梁的正截面开裂弯矩：

进一步地，纵筋锈蚀后再生混凝土梁的正截面抗弯承载力的计算过程如下：

(A)建立纵筋锈蚀后再生混凝土梁的正截面抗弯承载力计算基本假设；

(B)假设纵筋均匀锈蚀，则纵筋锈蚀后的几何关系如下：

上式中，d为纵筋锈蚀后直径；ω为铁密度；D为纵筋锈蚀前直径；L为单根钢筋长度；m_L为未锈蚀钢筋总质量；

(C)根据再生混凝土梁正截面静力平衡条件，得到纵筋锈蚀后再生混凝土梁的正截面抗弯承载力理论值M′_u的表达式：

上式中，f_y为钢筋抗拉强度设计值；h₀为梁截面有效高度；

(D)设抗弯承载力纵筋锈蚀影响系数为γ_L，则纵筋锈蚀后再生混凝土梁的正截面抗弯承载力实测值M_u与理论值M′_u的关系如下：

M_u＝γ_LM′_u

(E)通过拟合得到抗弯承载力纵筋锈蚀影响系数γ_L与纵筋锈蚀率ρ_L的关系，从而得到纵筋锈蚀后再生混凝土梁的正截面抗弯承载力实测值。

进一步地，在步骤(A)中，所述基本假设包括：

普通混凝土和再生混凝土轴心抗压强度均取f_c＝0.76f_cu，纵筋受拉本构关系为σ_s＝E_sε_s，极限拉应变为0.01，再生混凝土非均匀受压本构关系如下：

σ_c＝f_c 0.002≤σ_c≤0.0033

其中，ε_c为正截面混凝土压应变；ε₀为混凝土压应力达到f_c时的混凝土压应变。

进一步地，在步骤(E)中，抗弯承载力纵筋锈蚀影响系数γ_L与纵筋锈蚀率ρ_L的关系如下：

据此得到纵筋锈蚀后再生混凝土梁的正截面抗弯承载力实测值：

采用上述技术方案带来的有益效果：

再生混凝土梁中纵筋锈蚀后与锈蚀前相比钢筋截面积减小，性能发生变化，本发明通过引入再生混凝土梁纵筋锈蚀后截面抵抗矩系数以及抗弯承载力纵筋锈蚀影响系数，对普通混凝土梁的正截面开裂弯矩和抗弯承载力的计算方法进行修正，明显减小再生混凝土梁纵筋锈蚀后开裂弯矩和抗弯极限承载力计算值与实测值之间的差异，推动再生混凝土梁在实际工程中的推广应用。

附图说明

图1是实施例中采用的加速钢筋腐蚀装置示意图。

具体实施方式

以下将结合附图，对本发明的技术方案进行详细说明。

实施例1

试验浇筑2根再生混凝土梁，截面尺寸为200mm*300mm，梁长3300mm。再生混凝土粗骨料取代率为100％，再生混凝土梁保护层厚度为25mm，纵向钢比为1.15％。如图1所示，采用电化学方法加速钢的腐蚀，为了使NaCl溶液完全穿透钢材表面并损坏其钝化膜，将再生混凝土梁在5％浓度的NaCl溶液中浸泡在不锈钢水池中7天，在此期间定期测试溶液，以保持稳定的液位和溶液浓度。随后，将溶液高度调整到试样的一半(以确保足够的氧气)，然后插入直流调节电源。连接到螺纹钢的阳极暴露在横梁上方50毫米处，阴极连接到溶液中的不锈钢管。

为了验证本发明提出的纵筋锈蚀后再生混凝土梁的正截面开裂弯矩中各计算式的适用性，整理锈蚀再生混凝土梁试验数据如表1-2所示。由表3可知，验证结果是比较接近的，产生差距的原因是由于试验者不仅锈蚀了纵筋，还锈蚀了箍筋，且在浇筑的过程中掺入了粉煤灰，因此对结果产生了一定的影响。

表1 再生混凝土配合比

表2 钢筋力学性能

钢筋种类	直径	屈服强度	抗拉强度	弹性模量E(N/mm<sup>2</sup>)
					HPB300	8	250	315	2×10<sup>5</sup>
HRB400	12	500	670	2×10<sup>5</sup>
					HRB400	14	500	640	2×10<sup>5</sup>

表3 正截面开裂弯矩计算式验证

实施例2

试验共设计制作了两组钢筋再生混凝土梁共12根，截面尺寸为120mm×120mm×1800mm，混凝土强度设计等级为C30，再生混凝土粗骨料取代率为100％，钢筋再生混凝土保护层厚度20mm。第一组RCBD12，配筋率1.08％，钢筋直径12mm；第二组RCBD14，配筋率1.48％，钢筋直径14mm。钢筋锈蚀方法与实施例1相同。

为了验证所得计算公式适用性，整理锈蚀再生混凝土梁试验数据如表4所示。由表5可知，纵筋锈蚀再生混凝土梁抗弯承载力计算值与试验值基本一致。

表4 再生混凝土配合比

表5 正截面抗弯承载力计算式验证

实施例仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明保护范围之内。

Claims (10)

1.一种纵筋锈蚀再生混凝土梁正截面承载力的计算方法，其特征在于：引入再生混凝土梁纵筋锈蚀后截面抵抗矩系数和抗弯承载力纵筋锈蚀影响系数，包括纵筋锈蚀后再生混凝土梁的正截面开裂弯矩和正截面抗弯承载力的计算。

2.根据权利要求1所述纵筋锈蚀再生混凝土梁正截面承载力的计算方法，其特征在于：纵筋锈蚀再生混凝土梁是指利用再生混凝土粗骨料取代部分天然粗骨料，并且纵筋出现锈蚀的梁。

3.根据权利要求2所述纵筋锈蚀再生混凝土梁正截面承载力的计算方法，其特征在于：所述天然粗骨料是指天然石料经破碎筛分得到的粒径不大于31mm，且符合颗粒级配的粗骨料。

4.根据权利要求2所述纵筋锈蚀再生混凝土梁正截面承载力的计算方法，其特征在于：所述再生混凝土粗骨料是指由建筑拆除废弃物中混凝土构件破碎筛分得到的，粒径不大于26.5mm，且符合颗粒级配的粗骨料。

5.根据权利要求1所述纵筋锈蚀再生混凝土梁正截面承载力的计算方法，其特征在于：纵筋锈蚀后再生混凝土梁的正截面开裂弯矩的计算过程如下：

(a)建立纵筋锈蚀后再生混凝土梁的正截面开裂弯矩计算基本假设，包括再生混凝土梁截面符合平截面假定；截面受拉边缘开裂时，受拉边缘混凝土产生塑性变形，其余混凝土处于弹性状态；再生混凝土受拉本构关系中极限应变ε_tu与峰值应变ε_to的关系为ε_tu＝1.5ε_t0，钢筋受拉本构关系为σ_s＝E_sε_s，其中σ_s为钢筋应力，E_s为钢筋弹性模量，ε_s为钢筋应变；

(b)计算受压区边缘混凝土应力σ_c：

上式中，x_c为中和轴至受压区边缘距离；h为梁截面高度；f_t为再生混凝土轴心抗拉强度；

(c)根据静力平衡条件，计算中和轴高度系数ξ_c和再生混凝土梁正截面开裂弯矩M_cr：

上式中，m为钢筋拉力与全截面混凝土抗拉力的比值，

σ_s为钢筋应力；A_s为受拉区钢筋面积；b为梁截面宽度；a_s截面边缘至受拉钢筋中心距离，γ为混凝土构件的截面抵抗矩塑性影响系数；W₀为换算截面受拉边缘的弹性抵抗矩；

(d)对再生混凝土轴心抗拉强度f_t和弹性模量E_c与立方体抗压强度f_cu的关系进行拟合：

(e)设再生混凝土梁纵筋锈蚀后截面抵抗矩系数为γ_Rcr，则纵筋锈蚀后再生混凝土梁的正截面开裂弯矩M_c′_r的表达式如下：

(f)通过正截面开裂荷载P_cr实测值和再生混凝土强度f_cu实测值计算得到γ_Rcr与纵筋锈蚀率ρ_L的关系，从而得到纵筋锈蚀后再生混凝土梁的正截面开裂弯矩。

6.根据权利要求5所述纵筋锈蚀再生混凝土梁正截面承载力的计算方法，其特征在于：在步骤(a)中，所述基本假设包括再生混凝土梁截面符合平截面假定；截面受拉边缘开裂时，受拉边缘混凝土产生塑性变形，其余混凝土处于弹性状态；再生混凝土受拉本构关系中极限应变ε_tu与峰值应变ε_to的关系为ε_tu＝1.5ε_t0，钢筋受拉本构关系为σ_s＝E_sε_s，其中σ_s为钢筋应力，E_s为钢筋弹性模量，ε_s为钢筋应变。

7.根据权利要求5所述纵筋锈蚀再生混凝土梁正截面承载力的计算方法，其特征在于：在步骤(f)中，γ_Rcr与纵筋锈蚀率ρ_L的关系如下：

γ_Rcr＝1.782-0.3ρ_L

据此得到纵筋锈蚀后再生混凝土梁的正截面开裂弯矩：

8.根据权利要求5所述纵筋锈蚀再生混凝土梁正截面承载力的计算方法，其特征在于：纵筋锈蚀后再生混凝土梁的正截面抗弯承载力的计算过程如下：

(A)建立纵筋锈蚀后再生混凝土梁的正截面抗弯承载力计算基本假设；

(B)假设纵筋均匀锈蚀，则纵筋锈蚀后的几何关系如下：

上式中，d为纵筋锈蚀后直径；ω为铁密度；D为纵筋锈蚀前直径；L为单根钢筋长度；m_L为未锈蚀钢筋总质量；

(C)根据再生混凝土梁正截面静力平衡条件，得到纵筋锈蚀后再生混凝土梁的正截面抗弯承载力理论值M_u′的表达式：

上式中，f_y为钢筋抗拉强度设计值；h₀为梁截面有效高度；

(D)设抗弯承载力纵筋锈蚀影响系数为γ_L，则纵筋锈蚀后再生混凝土梁的正截面抗弯承载力实测值M_u与理论值M′_u的关系如下：

M_u＝γ_LM′_u

(E)通过拟合得到抗弯承载力纵筋锈蚀影响系数γ_L与纵筋锈蚀率ρ_L的关系，从而得到纵筋锈蚀后再生混凝土梁的正截面抗弯承载力实测值。

9.根据权利要求8所述纵筋锈蚀再生混凝土梁正截面承载力的计算方法，其特征在于：在步骤(A)中，所述基本假设包括：

普通混凝土和再生混凝土轴心抗压强度均取f_c＝0.76f_cu，纵筋受拉本构关系为σ_s＝E_sε_s，极限拉应变为0.01，再生混凝土非均匀受压本构关系如下：

σ_c＝f_c 0.002≤σ_c≤0.0033

其中，ε_c为正截面混凝土压应变；ε₀为混凝土压应力达到f_c时的混凝土压应变。

10.根据权利要求8所述纵筋锈蚀再生混凝土梁正截面承载力的计算方法，其特征在于：在步骤(E)中，抗弯承载力纵筋锈蚀影响系数γ_L与纵筋锈蚀率ρ_L的关系如下：

据此得到纵筋锈蚀后再生混凝土梁的正截面抗弯承载力实测值：

Images