1、第 53 卷 第 5 期2023 年 3 月上建 筑 结 构Building StructureVol.53 No.5Mar.2023DOI:10.19701/j.jzjg.20211285国家自然科学基金项目(51878108),国家自然基金重点基金资助项目(52032011),辽宁省重点研发计划指导计划项目(2019JH8/10100091),辽宁省教育厅科学科学研究面上项目(LJKZ1177)。第第一一作作者者:蔡榜文,硕士研究生,主要从事核电厂抗连续倒塌研究,Email:1651638984 。通通信信作作者者:裴强,博士,教授,硕士生导师,主要从事工程抗震研究,Email:pqiem
2、 。单轴循环加载海水腐蚀下的 SMA 加固钢筋混凝土柱轴压性能研究蔡榜文1,裴 强1,崔 迪2,李维红1(1 大连大学建筑工程学院,大连 116622;2 大连交通大学土木工程学院,大连 116028)摘要:采用单向循环加载对钢筋混凝土柱受人工海水盐溶液腐蚀后进行形状记忆合金(SMA)加固,研究其受力性能。试验结果表明:试件经盐溶液腐蚀后,SMA 加固试件的刚度、延性得到了较大的提升,而承载力提升不大,且随着盐溶液浓度的增加,其刚度、延性以及承载力提升幅度在减小甚至无明显变化,说明 SMA 丝加固对试件遭受一定浓度盐溶液腐蚀具有抵抗作用。盐溶液浓度的增加会降低钢筋混凝土柱的承载力、刚度和延性,
3、随着盐溶液浓度的增加,承载力降低幅度增大,耗能性能降低幅度变小。盐溶液浓度为 15%时,SMA 加固试件的耗能性能比未腐蚀未加固试件高约 4 倍,表明 SMA 加固能很好地改善试件的耗能性能。关键词:钢筋混凝土柱;海水腐蚀;力学性能;轴压性能;形状记忆合金;循环加载 中图分类号:TU375.3 文献标志码:A文章编号:1002-848X(2023)05-0063-05引用本文 蔡榜文,裴强,崔迪,等.单轴循环加载海水腐蚀下的 SMA 加固钢筋混凝土柱轴压性能研究J.建筑结构,2023,53(5):63-67,40.CAI Bangwen,PEI Qiang,CUI Di,et al.Study
4、 on axial compression performance of seawater corroded reinforced concrete columns strengthened by SMA reinforced by uniaxial cyclic loadingJ.Building Structure,2023,53(5):63-67,40.Study on axial compression performance of seawater corroded reinforced concrete columns strengthened by SMA reinforced
5、by uniaxial cyclic loading CAI Bangwen1,PEI Qiang1,CUI Di2,LI Weihong1(1 College of Architectural Engineering,Dalian University,Dalian 116622,China;2 School of Civil Engineering,Dalian Jiaotong University,Dalian 116028,China)Abstract:Unidirectional cyclic loading was used to perform shape memory all
6、oy(SMA)reinforcement and study its mechanical properties.The test results show that after the specimens is corroded by salt solution,the rigidity and ductility of the specimen is greatly improved by the reinforcemengt of SMA,but the bearing capacity has not improved much,and with the increase of the
7、 salt solution concentration,its lifting range of rigidity,ductility and bearing capacity is reduced or even has no obvious change,indicating that the SMA wire reinforcement has a resistance to corrosion of the speciment subjected to a certain concentration of salt solution.The increase of the salt
8、solution concentration will reduce the bearing capacity,rigidity and ductility of the reinforced concrete column.With the increase of the salt solution concentration,the reduction of the bearing capacity will increase and the reduction of the energy consumption will be smaller.When the salt solution
9、 concentration is 15%,the energy consumption performance of the SMA reinforced specimen is about 4 times higher than that of the uncorroded unreinforced specimen,indicating that SMA reinforcement can well improve the energy dissipation performance of the specimen.Keywords:reinforced concrete column;
10、seawater corrosion;mechanical property;axial compression performance;shape memory alloy;cyclic loading 0引言 钢筋混凝土结构综合了混凝土和钢筋的优点,具有承载力大、耐火性强、整体性能好等特点,是近海岸跨海桥梁等基础设施的主体结构。实践表明,虽然混凝土保护层对钢筋起到一定的保护作用,但在海水的物理或化学侵蚀作用下,钢筋混凝土结构的耐久性仍存在问题。海水中氯离子的侵蚀是引起结构力学性能下降的主要因素,氯离子等高浓度建 筑 结 构2023 年腐蚀介质穿过混凝土的孔隙,渗透到混凝土的保护层里,会加剧
11、钢筋和混凝土劣化程度,进而引起结构整体力学性能下降1。有研究表明,在大气、淡水、海水三种腐蚀环境与循环荷载共同作用下,混凝土梁的耐久性均有所降低,且随着循环荷载次数的增加,其耐久性降低程度亦显著增加2-3。在水平往复荷载作用下,钢筋混凝土桥墩中箍筋和纵筋受到腐蚀后其抗弯能力和延性均有所降低,抗震性能降幅最大4。经酸雨腐蚀后钢筋混凝土柱的强度有所下降,承载力显著降低5-6。长期腐蚀环境会影响 GFRP-钢混合配筋混凝土构件的抗弯性能,显著降低了 GFRP 筋和钢筋的抗拉强度、黏结性能以及承载能力7。盐碱冻融环境下,混凝土的质量和弹性模量损失严重,且受到严重腐蚀破坏8-9;同时,钢管混凝土的刚度、
12、延性以及承载力也会显著降低10-12。加固是解决钢筋混凝土柱耐久性问题的重要途径,常用的方法有:增大截面法、粘贴纤维布(FRP)法、体外预应力法。前两种方法在近海环境中施工难度大,而体外预应力法在结构表面采用施加了预应力的钢丝、钢绞线等金属材料进行加固,可在不增加截面的基础上,限制混凝土开裂,进而延缓腐蚀离子的渗透,阻碍钢筋在海洋环境下的锈蚀。形状记忆合金(shape memory alloy,SMA)作为一种新型智能材料,具有超弹性、耐久性好以及形状记忆效应、自恢复、抗疲劳等优点,已被广泛应用于建筑工程领域。经 SMA 加固的钢筋混凝土柱,其承载力13-14、变形能力和轴向力学性能15均有显
13、著提高。在钢筋混凝土梁、柱中内置 SMA 筋,可以较好地提高梁柱的变形能力和承载能力16-18。与薄壁钢管加固钢筋混凝土柱相比,SMA 能够较好地改善柱的耗能性能,提高了试件的轴压性能19。然而,以上大多数研究成果主要集中在单一腐蚀及对混凝土柱单调加载,数据和结论尚存在局限性。实际近海岸工程在受到海水侵蚀的同时,桥墩还会长期受到不同载重车辆竖向往复荷载以及可能的超设计基准竖向地震作用的复合作用,进一步增大了桥梁结构在运行过程发生破坏的风险。基于此,为了保证桥梁在海水等恶劣侵蚀环境及往复动力荷载作用下的运行安全,本文通过配置不同浓度的盐溶液来对试件进行不同程度的腐蚀,对腐蚀后的钢筋混凝土柱采用
14、SMA 丝进行加固,进而研究加固后钢筋混凝土柱在单轴往复荷载作用下的力学性能及加固效果,为遭受海水侵蚀后在役近海岸工程的加固设计提供参考。1试验概况1.1 试件设计及制作 为了研究 SMA 丝对经不同腐蚀时间后的钢筋混凝土柱加固效果,设计并制作了 7 个相同尺寸且混凝土等级均为 C50 的试件。其中包括1 个未经腐蚀和加固的对比试件,3 个经浓度分别为 15%、20%、25%盐溶液浸泡 30d 后未加固的腐蚀试件,以及 3 个经浓度分别为 15%、20%、25%盐溶液浸泡30d 后采用 SMA 丝加固的试件,对比分析了不同情况下各个试件的力学性能,进而揭示 SMA 丝的加固效果。具体的试件设计
15、及工况见表 1。表 1 试件设计及加固腐蚀工况试件编号是否加固加固方式SMA 间距/mm 盐溶液浓度/%C1W-1未加固0C2W-1未加固15C3S-1加固SMA2015C4W-1未加固20C5S-1加固SMA2020C6W-1未加固25C7S-1加固SMA2025所有试件均采用圆形截面钢筋混凝土柱,直径150mm,高 300mm,混凝土强度等级 C50,保护层厚度 5mm;纵筋采用 4 根直径 12mm 的 HRB400 级钢筋;螺旋箍筋采用直径 6mm 的 HRB400 级钢筋,试件详细构造如图 1 所示。图 1 试验柱的尺寸图1.2 材料性能 根据金属材料 拉伸试验 第 1 部分:室温试
16、验方法(GB/T 228.12010)中的相关规定对钢筋拉伸的力学性能进行测试,结果见表 2,SMA 丝力学性能见表 3。表 2 钢筋力学性能钢筋类型直径/mm屈服强度fy/MPa抗拉强度fu/MPa弹性模量Es/(105MPa)屈服应变y/(10-6)纵筋螺旋筋126415.19364.85604.93546.882.072.072 0061 763表 3 SMA 丝力学性能合金材料密度/(kg.m-3)弹性模量/GPa抗拉强度/MPa屈服强度/MPa恢复应变/%Ni-Ti 合金7 80065.86103954.346第 53 卷 第 5 期 蔡榜文,等.单轴循环加载海水腐蚀下的 SMA 加固钢筋混凝土柱轴压性能研究 试验中,人工海水盐溶液的浓度是根据天然海水中各种不同成分的含量进行配置的,天然海水成分如表 4 所示。表 4 天然海水各成分含量成分NaClMgCl2MgSO47H2O CaSO42H2OCaCO3浓度/(g/L)212.511.542.430.1为了加速腐蚀过程,缩短试验周期,根据文献20建议增加浓度的方法,采用 10 倍、13 倍及 17倍天然海水浓度作为人工海水进
