钢筋混凝土结构长期暴露在具有腐蚀介质的恶劣环境中，在氯离子的侵蚀下，不仅使得钢筋有效面积减小和力学性能劣化，还将导致混凝土保护层开裂，最终导致混凝土梁耐久性能的降低^[1,2]。在实际工程中，锈蚀是在结构承受荷载的过程中发生的，在我国超载现象普遍存在^[3,4]，超载运营对于桥梁结构的承载性能和耐久性都有着不可忽视的劣化影响^[5,6]，因此研究超载与腐蚀耦合作用对桥梁结构的影响具有现实意义。

针对荷载与腐蚀共同作用对于钢筋混凝土结构性能的影响，国内外学者进行了大量的研究^{[7,8,9,10,11]}。已有研究发现，当施加荷载等级较小时(试验施加荷载最大为极限承载力的12%)，腐蚀等级对于RC梁性能的影响起主要作用^[9,10,11]。且当钢筋锈蚀率较小时，可以通过抗弯强度来估计钢筋的锈蚀程度^[12,13]，当锈蚀率增大时，可以通过锈蚀区裂缝宽度去估计钢筋的锈蚀程度。当施加荷载等级增大时^[8](施加荷载最大为极限承载力的65%)，荷载对于钢筋锈蚀及RC梁极限承载能力的降低有促进作用。但以往的研究中未考虑超载状态，荷载等级较低，裂缝的发展缓慢，并不能完全模拟工程实际。鉴于我国绝大多数桥梁结构处于超载运营状态，需要考虑超载与腐蚀共同作用对结构使用性能的影响，但目前针对二者共同作用对结构性能影响的研究还处于起步阶段。

本研究进行了五组钢筋混凝土梁的试验(分别为参考组、正常使用状态、超载一级、超载二级一组、超载二级二组)，通过施加持续荷载和通电加速腐蚀，模拟了正常使用状态及超载状态与腐蚀共同作用对RC梁中钢筋的锈蚀率、挠度及剩余承载力的影响。 1 问题的提出

(1)随着我国公路交通流量的逐年增大，超载已严重威胁在役桥梁的安全耐久性。目前大多数研究通过调查交通流量，筛选车辆类型，通过确定实际装载质量与额定装载质量的比值来定义超载。已有研究存在以下问题：①研究对象为车辆，以装载率作为超载标准，所谓的超载其实指的是超限^[14]。②由于车辆的类型不同，额定装载质量存在差异，超载标准无法统一。因此要想得到超载对桥梁结构的影响，必须以结构作为研究对象，在此基础上建立统一的超载标准界限。

(2)钢筋混凝土受弯构件正截面工作三个阶段如图 1所示，图中II阶段末用IIa表示，经计算此时的承载力为极限承载力的95%，此时纵向钢筋屈服，在荷载作用下，RC梁的刚度会急剧减小，挠度迅速增加，结构即将破坏，但在实际工程中，由于此时荷载很大，车辆即使超限运输，也未必可以达到此荷载等级，因此超载状况发生在RC梁第三工作阶段的概率很小，不具有代表性。故并不适合以IIa所对应的荷载值作为超载的界限值。

图 1 RC梁工作示意图 Fig. 1 Schematic diagram of working of reinforced concrete beam

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(3)对于混凝土结构裂缝问题，国内外学者进行了大量的理论和试验研究，提出了不同裂缝宽度计算理论和公式。影响混凝土结构裂缝宽度的因素有很多，其中荷载作用是导致混凝土开裂的常见因素之一，根据规范^[14]中关于裂缝宽度的计算公式知，当钢筋的应力增大时，裂缝宽度随之增大，裂缝的存在使氯离子的渗透系数显著增大，从而加快了氯离子在混凝土中的传输速度，裂缝表面的氯离子沿垂直于裂缝表面的深处方向渗透，裂缝处钢筋的氯离子积累较快、较多，钢筋处于活化状态，钢筋的电化学腐蚀进行。但RC梁裂缝的产生与发展随机性较大，最大裂缝宽度数据较为离散，故不宜作为超载限值标准。挠度的大小反映着结构刚度的强弱，因此本文以挠度限值对应的荷载值(为极限承载力的55%)作为超载与正常使用等级的界限值，超过此荷载等级即视为超载。 2 试验设计 2.1 试件设计

如图 2所示，试件采用2 000 mm×250 mm×150 mm 的梁试件，纵向受拉钢筋采用2φ22 mm，架立钢筋为2φ10 mm，箍筋为φ8@100 mm。混凝土保护层厚度为30 mm。纵向钢筋端部至支座处用环氧树脂包裹，避免其发生锈蚀。

图 2 梁截面尺寸及配筋图(单位：mm) Fig. 2 Cross-sectional dimensions and reinforcement of concrete beam (unit: mm)

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试件分为五组(每组两根试件)第一组为参考组；第二组模拟正常使用状态；第三组模拟超载Ⅰ级；第四组模拟超载Ⅱ级；第五组模拟不同耦合作用时间对结构的影响。各组试验条件见表 1。

试验过程中使用千斤顶通过分配梁对梁体进行加载，荷载水平分为三级分别为50%，65%，80%。荷载大小通过传感器和测力仪来控制。梁的计算跨径为1 800 mm，将梁体浸入浓度为5%的NaCl溶液中，在试验过程中，每隔一段时间测定溶液的PH值，将溶液的PH值调整在7~8，由于水分蒸发等原因，每隔一段时间还需测定NaCl溶液的浓度，并将其稳定在5%左右。试验装置如图 3所示。

图 3 加载设备装置图 Fig. 3 Loading device

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为了加速钢筋的锈蚀，采用外加直流电的方法加速钢筋锈蚀。将受拉钢筋作为阳极接入直流电路，不锈钢板作为阴极，形成闭合回路。电源采用直流稳压电源，最大输出电压为25 V，最大输出电流为2.5 A。根据法拉第定律，通过计算钢筋的理论锈蚀量来估算钢筋的通电的时间和钢筋的锈蚀程度。 2.4 加载及试验过程

先将试验梁在浓度为5%的NaCl溶液中浸泡2 d，然后用千斤顶对试验梁施加预定等级的荷载，同时接通直流电。在试验过程中，监测腐蚀电流及持续荷载的大小，发现电流及荷载数值发生变化，及时调整保证其恒定。在达到预定腐蚀时间后，关闭电源，卸除荷载，将梁体从溶液中取出，检查裂缝位置及形态等，然后进行三分点弯曲加载破坏试验，测定梁的剩余承载力。 2.5 钢筋锈蚀率的测定

试验前用盐酸溶液清洗钢筋后，用清水漂洗，用石灰水中和，最后再用清水清洗。待洗净的钢筋干后，用电子天枰称量钢筋的质量，作为钢筋的初始质量。在试件进行完极限承载力试验后，将受拉钢筋从混凝土中取出，清除钢筋表面的砂浆和锈蚀产物，用上述同样的方法清洗钢筋，称量钢筋的质量。锈蚀前后钢筋的质量差即为钢筋的损失量，以此确定钢筋的锈蚀率。 3 试验结果分析 3.1 荷载对锈蚀率的影响

图 4给出了不同工况下受拉钢筋的锈蚀率，由锈蚀率增长趋势可以看出钢筋的腐蚀速度随荷载的增加而加快。在超载一级状态下梁的锈蚀率比正常使用状态下梁的锈蚀率高出50%，超载二级梁的锈蚀率比超载一级高74%，锈蚀率随施加荷载等级的提高而增大。实际工程中绝大多数钢筋混凝土结构都是带裂缝工作的，在持续荷载作用下，裂缝保持张开状态，氧气和水得以顺利进入梁体内部对钢筋进行持续腐蚀。当荷载增大时，裂缝的宽度增大，裂缝的数量增加，钢筋的锈蚀会进一步加剧。由此可见，荷载对钢筋的锈蚀率有着明显的影响。

图 4 不同工况下钢筋的锈蚀率 Fig. 4 Corrosion rates under different working conditions

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图 5给出了部分受拉钢筋的锈蚀形态。从图 5锈蚀的外观看，随着荷载等级的增加，腐蚀时间不同，钢筋的锈蚀程度不同，外观形态也有所不同。以往研究认为局部锈蚀通常发生在自然腐蚀的情况下，在施加外加电流的加速锈蚀时，钢筋一般发生均匀腐蚀。然后试验后检查钢筋，发现在荷载作用下，受热钢筋将同时发生均匀锈蚀与局部锈蚀。

图 5 锈蚀后的钢筋 Fig. 5 Corroded reinforcement

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锈蚀梁的荷载挠度曲线如图 6所示，图中竖虚线表示由参考梁确定的挠度限值为3 mm，横虚线表示达到挠度限值时的荷载值。规范^[14]中规定在Ⅰ类和Ⅱ类环境中RC梁的最大裂缝宽度为0.2 mm，试验中发现，当参考梁裂缝宽度达到0.2 mm时，挠度值分别为3.93 mm,3.1 mm，已经超过规范规定的挠度限值l/600(3 mm)，因此挠度比裂缝更适宜作为超载界限，由图 6可知：

(1)从施加持续荷载曲线的整体变化趋势可以发现，在荷载和氯离子共同作用下，编号为1RC梁的工作过程没有发生明显的变化，但随着施加荷载等级的增加，曲线的斜率不断减小，从CL80-15-2梁的挠度曲线可以看出，承载力突然下降，钢筋提前屈服，混凝土未被压碎，破坏形态发生改变。

(2)在RC梁工作的前期(RC梁处于弹性阶段)，CL50-10与CL65-10和CL80-10的挠度值十分接近。当挠度达到规范规定的限值时(=3 mm)，CL50-10处的平均荷载为114 kN，CL65-10处的平均荷载为110.3 kN，CL80-10处的平均荷载为102.6 kN，CL80-15处的荷载为92 kN，表明超载状态下挠度的增加明显快于正常使用状态，且超载荷载越大，挠度增长越快。通过分析其腐蚀机理可知，产生这种现象的原因是：钢筋表面的氧化膜被氯离子侵蚀而受到破坏，破坏的表面与未破坏的表面分别形成电化学反应的阴极和阳极，由于阳极面积比阴极面积小得多，阳极电流密度很大，进一步腐蚀以破坏的钢筋截面，导致受拉钢筋有效面积减小，因此RC梁刚度降低。

图 6 荷载-挠度曲线 Fig. 6 Load-deflection curves

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(3)在RC梁工作后期，屈服荷载显著降低，CL65-10相对于CL50-10延性比减小2.4%(选每组梁的平均值作比较)，CL80-10相对于CL50-10延性比减小13.15%，延性性能在荷载作用下显著降低。当荷载等级增加时，钢筋的锈蚀率增加，在锈蚀作用下带肋钢筋的直径减小，钢筋与混凝土黏结力减小，因此RC梁的黏结性能降低，延性比下降。同时，CL80-15-1相对于CL80-10延性比减小5.63%，说明作用时间对延性性能的降低影响较小。表 2给出了不同工况下RC梁的锈蚀率和延性比。

超载状态下的梁与正常使用状态下的梁的极限承载力及参考梁的极限承载力如表 3所示，同时表中给出了梁弯曲强度减小的计算值及梁的破坏形态。极限承载力的减小是相对于2片参考梁极限承载力的平均值(214.35 kN)的。承载力变化规律与刚度和延性比类似，随着施加荷载等级的增加，梁的极限承载力降低，当施加荷载为极限荷载的50%时，梁的极限弯矩约为参考梁极限弯矩的92.1%；当施加荷载为极限荷载的65%时，梁的极限弯矩约为参考梁极限弯矩的87.5%；当施加荷载为极限荷载的80%时，梁的极限弯矩约为参考梁极限弯矩的82.7%；当施加荷载为极限荷载的80%且作用时间为15 d时，梁的极限弯矩急剧下降，仅为参考梁极限弯矩的76.7%。这与文献^[15]结论有些出入，其原因为文献^[15]施加荷载等级较小，最大荷载仅为极限承载力的12%，因此荷载对结构本身承载力的影响较小。

在腐蚀条件相同时，荷载对于RC梁承载力有着明显影响，在正常使用状态下，由于荷载作用较小，钢筋的锈蚀率较小，极限承载力的降低并不明显，但随着荷载等级的增加，钢筋的锈蚀率增大，钢筋有效面积减小，力学性能劣化，钢筋与混凝土之间的黏结性能退化。试验过程中发现，施加的荷载等级越高，梁的竖向裂缝越稀疏，裂缝的宽度越大，中性轴上移速度越快。试验梁CL80-15-2破坏时，受拉钢筋提前屈服，受压区混凝土未被压碎，梁由弯曲破坏向少筋破坏发展。 4 结论

(1) 随着施加荷载等级的增加，梁底纵向裂缝宽度增加，在超载一级状态下梁的锈蚀率比正常使用状态下梁的锈蚀率高出50%，超载二级梁的锈蚀率比超载一级梁高74%，这说明在腐蚀条件相同时，荷载作用加速了钢筋锈蚀。

(2) 在荷载与氯离子共同作用下，RC梁的工作性能发生了劣化。在RC梁工作前期刚度退化并不明显，挠度值非常接近，当梁进入非弹性阶段后，刚度退化加剧，挠度增长速度加快，且随着施加荷载等级的增加，劣化的速度加快。在RC梁工作后期，屈服荷载显著降低，超载一级相对于正常使用状态延性比减小2.7%，超载二级相对于正常使用状态延性比减小13.15%，说明荷载的增长可使RC梁的延性性能显著降低。作用15 d的梁相对于作用10 d的梁延性比减小5.63%，表明作用时间对于延性性能的劣化影响较小。

(3)锈蚀后钢筋混凝土的破坏形态由典型的弯曲破坏转变为弯曲-黏结破坏，随着超载等级的增大，梁体的剩余承载力明显降低，当超载荷载达到极限荷载的80%时，剩余承载力仅为极限承载力的76.7%，且当荷载等级较高时，中性轴上移速度加快，破坏集中于某一处竖向裂缝，钢筋可能会提前屈服，破坏模式由适筋破坏转变为少筋破坏。