鋼筋銹蝕是鋼筋混凝土（Reinforced Concrete, RC）結構最主要的劣化因素，銹蝕不但減小鋼筋截面積，而且生成膨脹性銹蝕產物導致混凝土保護層脹裂，改變鋼筋混凝土粘結性能。良好的粘結是鋼筋混凝土協同工作的基礎，因此明晰銹蝕鋼筋混凝土的粘結-滑移關系對腐蝕RC構件/結構性能評估至關重要。

近日，河海大學港航院俞小彤博士與瑞典查爾姆斯理工大學（Chalmers University of Technology）Karin Lundgren教授團隊共同開展自然腐蝕條件下RC梁內鋼筋粘結-滑移關系的研究，并取得突破性進展。

以往，學者們大多對鋼筋進行加速銹蝕，隨后開展拉拔試驗，分析不同銹蝕程度的鋼筋與混凝土的粘結-滑移關系。然而實驗室加速銹蝕的研究結果能否預測自然腐蝕條件下鋼筋混凝土粘結特性尚存爭議。在RC構件/結構承載過程中，鋼筋屈服后由于泊松效應會發生環向頸縮，大大降低粘結力，該現象難以在常規的拉拔試驗中反映。盡管腐蝕RC梁、柱等構件承載性能演化有大量研究，但由于缺乏精細的測量手段，未能深入認識構件內部鋼筋的行為發展，缺少鋼筋粘結-滑移關系的反演分析方法。

俞小彤博士與Karin Lundgren教授團隊依托瑞典一座服役80年的RC橋梁（Gullsp?ng Bridge），現場選取橋梁的邊梁進行三點彎曲等試驗，分析荷載-撓度曲線、鋼筋銹蝕與屈服形態。研究發現自然腐蝕RC梁極限撓度由端部粘結性能決定，鋼筋屈服具有不對稱性（圖1），并提出了不對稱因子（a=Δl/0.5l）量化不對稱程度。

圖1 不對稱的鋼筋屈服

采用DIANA有限元軟件對試驗梁的受彎過程進行非線性分析，為了反映屈服對粘結的影響，創新性地賦予鋼筋屈服段與未屈服段2類粘結-滑移本構形式（圖2），準確地再現了試驗梁的抗彎承載特性，包括荷載-撓度曲線、開裂模式與寬度、鋼筋屈服位置與長度（圖3）。在此基礎上，對9個粘結-滑移參數的敏感性及在反演過程中的確定方法進行研究，提出了RC梁內鋼筋粘結-滑移關系的反演方法。

（a）未屈服段 （b）屈服段

圖2 RC梁內鋼筋粘結-滑移本構形式

（1）荷載-撓度曲線對比

（a）試驗梁外側面 （digital image correlation 測量） （b）試驗梁內側面 

（c）模擬梁外側面 （d）模擬梁內側面

（2）試驗梁與模擬梁開裂模式與寬度對比

（3）鋼筋屈服位置與長度對比（黑色虛線為鋼筋實測屈服位置，綠色虛線為鋼筋屈服應力）

圖3 模擬梁準確再現試驗梁彎曲特性

為探明腐蝕梁表觀損傷程度，鋼筋銹蝕程度、澆筑位置對自然腐蝕鋼筋粘結性能的影響，根據提出的反演分析方法，確定9根試驗梁中共18根受拉鋼筋的粘結-滑移關系并分析（圖4）。對于鋼筋未屈服部位，粘結強度越高，相應的殘余粘結強度也越高，但滑移平臺長度減小。保護層混凝土剝落損傷會降低殘余粘結強度，而開裂損傷幾乎無影響。

最有趣的發現是，不對稱的鋼筋屈服會導致一端的粘結長度顯著減小，決定了RC梁極限承載能力。為節約計算時間，許多研究基于對稱性假定僅模擬半梁，但這會高估粘結長度，導致粘結失效破壞提前發生，因此不對稱的鋼筋屈服在RC結構承載分析中需要更多關注。

（a）頂部澆筑，未銹蝕 （b）頂部澆筑，銹蝕

（c）底部澆筑，未銹蝕 （d）底部澆筑，銹蝕

圖4 混凝土梁內鋼筋粘結-滑移關系 （虛線為試驗加載中鋼筋未屈服，數字為實測的鋼筋銹蝕率）

該研究工作由中國中央高校基本科研業務費項目、瑞典科學研究委員會、瑞典交通部等提供經費支持。相關成果以“Numerical assessment of bond-slip relationships for naturally corroded plain reinforcement bars in concrete beams”為題于近期發表于《Engineering Structures》。論文第一單位是河海大學港口海岸與近海工程學院。第一作者是俞小彤博士，其所在的近海工程鋼筋混凝土結構腐蝕防護與修復技術團隊是江蘇省“六大人才高峰”創新人才團隊，長期致力于海洋環境腐蝕機制、鋼筋混凝土材料/構件性能劣化、結構高效修復技術等研究。

論文DOI：10.1016/j.engstruct.2021.112309

論文網址：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0141029621004594