桥梁作为线路的咽喉要道，对于保证公路交通的安全营运起着重要的作用，是关系社会和经济协调发展的生命线工程。桥梁建设的快速发展，巨大的资金投入，及其在经济社会中的显著作用，使得人们对桥梁的健康状况越来越重视。随着对钢筋锈蚀桥梁维修加固投入的增加，以及既有桥梁倒塌事故的不断出现，钢筋锈蚀桥梁的受力性能受到了日益重视，许多研究人员在这方面积极展开了研究工作。袁迎曙、吴庆等^{[1, 2]}进行了加速锈蚀钢筋试件和钢筋混凝土构件的力学性能试验研究，提出锈蚀钢筋的力学性能退化以及锈蚀钢筋与混凝土黏结性能退化是导致钢筋混凝土锈蚀梁的结构性能退化的主要因素；混凝土内钢筋锈蚀表面特征的不同对钢筋力学性能退化有一定影响；采用人工气候环境加速试验方法可以有效模拟自然气候环境中不均匀锈蚀引起的钢筋力学性能的改变，并在试验结果分析基础上建立与锈蚀率相关的钢筋本构关系模型。孙彬、牛荻涛等^[3]通过锈后无黏结钢筋混凝土受弯构件模拟试验与有限元分析，提出了基于截面配筋指标的锈后无黏结混凝土梁受拉钢筋强度利用系数，并综合考虑钢筋锈蚀程度和截面配筋指标的影响，建立了一般锈蚀混凝土梁钢筋强度利用系数计算公式。卫军等^[4]通过弹性力学理论建立了锈胀力计算模型，推导出了保护层胀裂时刻钢筋锈蚀深度的计算表达式，建立了钢筋表面摩擦系数计算公式；并在综合考虑锈胀力作用及钢筋表面状况变化对黏结强度影响的基础上，提出了光圆钢筋黏结应力计算模型。金伟良等^[5]从理论上推导了钢筋应力、钢筋与混凝土的黏结应力以及钢筋与混凝土的相对滑移之间的相互关系，并根据试验数据给出了随不同位置变化的钢筋与混凝土黏结应力和相对滑移关系。赵建昌等^[6]将锈蚀钢筋混凝土梁视为由锈蚀钢筋和混凝土组成的组合梁，引入锈蚀钢筋和混凝土之间的黏结-滑移本构关系，推导出了以纵向受拉钢筋拉力表达的锈蚀梁非线性微分方程；在此基础上给出了考虑黏结滑移的锈蚀梁非线性解析解和截面协同工作系数理论表达式。J. Cairns等^[7]对3种加速腐蚀条件下获得的试件进行研究，考虑了环境状态、锈蚀量及锈蚀产物膨胀的约束刚度等主要因素，发现当混凝土表面裂缝宽度小于1 mm时，锈蚀产物不会影响钢筋与混凝土界面的摩擦特性。Congqi Fang等^[8]通过拉拔试验和有限元分析研究了不同锈蚀程度对钢筋与周围混凝土黏结性能的影响，并将结果进行了对比。Torres-Acosta等^[9]进行了锈蚀钢筋混凝土梁的受力性能试验研究，通过采用人工模拟环境和电化学方法引起受弯试件的钢筋锈蚀，仔细考察了各种锈蚀机制对钢筋锈蚀程度的影响，并通过三点受弯静载试验分析了钢筋锈蚀表征参数与受弯试件承载力的相关性。王庆霖等^[10]进行了1根对比梁与7根模拟试验梁的试验研究，分析了不同部位、不同无黏结区段长度对构件性能的影响。张建仁等^[11]进行了一座服役超过40 a，最大钢筋锈蚀率达到12.1%的钢筋混凝土简支梁桥的整桥破坏性试验，系统考察了锈蚀钢筋混凝土桥梁结构的承载能力和工作性能。

关于钢筋锈蚀结构的已有成果中，多为针对配有变形钢筋的混凝土结构，针对配有光圆钢筋结构展开的试验研究很少，而许多建于较早时期的桥梁结构大量采用了光圆钢筋，随着时间的推移这些桥梁出现了由钢筋锈蚀引起的不同程度的结构性能退化，严重威胁了人民的生命财产安全。因此，研究光圆钢筋锈蚀引起的混凝土结构性能退化规律有着重要的现实意义。本文针对在早期桥梁中广泛采用的光圆钢筋，对光圆钢筋锈蚀的受弯构件性能进行了试验研究。

1 试验方案 1.1 试件设计

本文研究目的为分析不同光圆钢筋直径、不同锈蚀率的受弯构件性能退化规律，试件混凝土设计强度为C30，所有试件一次浇注，实测28 d立方体抗压强度为39.84 MPa。所有试件采用同一尺寸，截面尺寸为240×300 mm，全长2 400 mm，净跨2 100 mm。采用两点对称加载，两个加载点位于净跨长度的三分点位置处，剪跨段与纯弯段长度均为700 mm。试件底部受拉区配有两根纵向主筋，主筋直径为试验参数，如图 1及表 1所示，箍筋Φ8@100 mm，架立筋为2Φ12钢筋。

图 1 试件尺寸及配筋(单位：mm) Fig. 1 Dimensions and reinforcement of specimen (unit: mm)

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本文原计划进行24根试件的试验研究，试验参数包括钢筋锈蚀率、钢筋直径和保护层厚度，以考察不同锈蚀率、不同钢筋直径对试件受力性能的影响，以及不同保护层厚度对钢筋锈蚀的影响。试件参数设计如表 1所示，钢筋锈蚀率考虑6个水平：0，1％，3％，6％，10％，15％；钢筋直径考虑3种水平：18，20，22，钢筋材料性能见表 2，但试件制作过程中LB4，5，8出现质量问题，因此最终试验试件数量为21根。

试验中采用电化学锈蚀方法对试件钢筋进行快速锈蚀，根据法拉第原理的计算结果对钢筋锈蚀率进行控制。使用环氧树脂密封钢筋与导线连接处以保证电流仅通过钢筋；采用电流计定期监测电流强度，根据铁元素锈蚀反应与通电量之间的关系，在锈蚀过程中调整电流强度、通电时间来控制试件的钢筋锈蚀率达到设计锈蚀率。锈蚀后的试件如图 2所示。

图 2 经过快速锈蚀的锈蚀试件 Fig. 2 Specimens corroded by accelerated corrosion

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本文试验采用四点弯曲加载，变形测量为在试件两端支座处，两加载点处以及跨中处分别布置振弦式位移传感器，测量试件在荷载作用下的竖向变形。试验加载及测量如图 3所示。

图 3 加载及测量装置 Fig. 3 Loading and measuring devices

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试件混凝土应变测量布置为在试件纯弯段顶部受压区布置5个100×3 mm规格电阻应变片，在试件跨中侧面沿截面高度间隔均匀粘贴6个50×3 mm规格应变片，测量沿截面高度的应变分布，为避免裂缝对电阻应变片的影响，还在试件另外一侧沿截面高度均匀布置4个千分表，试件跨中底部受拉区粘贴4个100×3 mm规格应变片。

钢筋应变测量布置为受拉钢筋上粘贴4个5×3 mm 规格应变片，位置全部在纯弯段内。具体应变测量布置如图 4所示。

图 4 应变量测布置(单位：mm) Fig. 4 Layout of strain gages(unit:mm)

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表 3列出了本文试验的主要试验结果，如前所述，试件LB-4、5及8在制作过程中出现损坏，故未进行静载试验。所有试件的破坏模式均为受压区混凝土压碎破坏，表 3中屈服荷载为试件中作为主筋的光圆钢筋屈服时对应的荷载，极限荷载为试件破坏时对应的荷载。图 5描绘了配不同直径光圆钢筋试件的荷载-挠度曲线，图 6描绘了各试件的承载性能(屈服荷载、极限荷载)与锈蚀率之间的对应关系，以比较不同锈蚀率下锈蚀光圆钢筋混凝土梁的受力性能。

图 5 荷载挠度曲线 Fig. 5 Loading-deflection curves

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图 6 试件锈蚀率－承载力对应关系 Fig. 6 Corrosion ratio vs. load bearing capacity of specimens

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已有的关于锈蚀变形钢筋混凝土梁的试验研究成果表明：钢筋锈蚀率较小时，对受弯构件承载能力影响很小，部分构件甚至由于锈胀物增大了钢筋-混凝土之间的黏结而出现承载力提高的现象；锈蚀率较大时，钢筋锈蚀将显著削弱受弯构件的承载能力。从表 3的试验结果和图 5的荷载挠度图形可以看出，锈蚀光圆钢筋混凝土梁的承载性能呈现出相似的规律：锈蚀率较小时，对试件承载性能的影响较不显著，个别试件(LB-7)的承载能力甚至有提高；随着锈蚀率的增加，试件的承载能力逐渐明显降低，图 6的钢筋锈蚀率－试件荷载的关系图也清晰反映了这一点。

另外，从图 6中可以看出，相同的锈蚀率变化，试件屈服荷载的退化程度与极限荷载非常接近，锈蚀率与屈服荷载、极限荷载间的对应分布图形也较为一致。这说明在本文试验设置的锈蚀率水平下，未锈试件与锈蚀试件、不同锈蚀率试件之间屈服荷载与极限荷载的比值(屈强比)差异不大。

本文试验设置了钢筋直径参数，以考察锈蚀率相同时不同钢筋直径对锈蚀试件受力性能退化的影响。表 4给出了锈蚀率相近条件下配筋直径不同试件的承载力变化。从锈蚀试件屈服荷载、极限荷载与未锈蚀对比试件的比较来看，配有不同直径光圆钢筋的受弯构件在锈蚀率相同时，其承载能力退化相当接近。将试验结果与作者另外完成的锈蚀变形钢筋混凝土梁试验研究相比较^[12]，锈蚀光圆钢筋表现出了与变形钢筋相一致的特性，即相同锈蚀率作用下小直径钢筋的承载力下降略大于较大直径钢筋。

2.3 截面性能比较

表 5给出了钢筋锈蚀率与钢筋屈服时对应的纯弯段受压边缘混凝土压应变之间的相关性。从表中结果可以看出，随着钢筋锈蚀率增大，受压混凝土的平均屈服时应变略有降低，在作者完成的锈蚀变形钢筋混凝土梁试验研究中也出现了类似的现象^[12]。这应是由于钢筋截面的削弱与屈服强度的降低使得钢筋屈服时所需要的混凝土合压力减小，最大压应变也随之降低。另一方面，严重钢筋锈蚀导致的钢筋-混凝土黏结削弱将使得中和轴上升，混凝土受压应变增大。本文试验中两种相反机制作用下混凝土压应变表现为略有减小，表明试验中钢筋本身的削弱占主导地位。另外试验结果反映，随着锈蚀率增大，混凝土平均应变与最大应变差距增加，沿构件长度的应变分布不均匀性增大。

许多文献指出：造成锈蚀结构承载力降低的原因主要为钢筋锈蚀造成钢筋的截面积减小,钢筋的实际屈服强度与极限强度降低,以及钢筋与结构混凝土之间黏结退化从而造成共同工作性能下降。研究人员也提出了许多考虑钢筋－混凝土协同工作系数的承载力计算公式，以反映黏结退化对结构承载能力的影响。

从理论上分析，钢筋与混凝土之间黏结退化甚至丧失时，钢筋与混凝土之间的变形协调受到破坏，钢筋应变增长将滞后于相同位置的混凝土应变增长，致使中和轴向受压区移动，大部分的混凝土截面退出受压，最终混凝土边缘压应变达到极限而被压碎，此时混凝土受压面积小于黏结完好的构件，从而混凝土的强度利用不充分，因此黏结退化构件的承载能力低于黏结完好构件。但对于锈蚀构件，由于锈蚀造成了钢筋截面积减小，屈服及极限强度降低，所需要的混凝土受压面积本就小于未锈构件。从截面性能分析，如果钢筋在混凝土压碎之前达到屈服，即使中和轴上移造成受压面积减小，截面内力平衡仍然成立，钢筋强度仍然得到充分发挥。相较于相同截面积、抗拉强度的未锈构件，由于中和轴上移造成了截面内力臂增大，钢筋达到屈服的锈蚀构件的屈服荷载甚至应略高于未锈蚀构件。因此，在钢筋达到屈服的条件下，锈蚀构件即使锈蚀率较大，钢筋－混凝土间黏结受到严重削弱，这种黏结退化对构件承载能力下降所起的作用应该非常小，锈蚀钢筋混凝土构件承载力退化主要由钢筋截面积减小及强度降低引起。试验中锈蚀试件的钢筋大多达到屈服。

3.2 构件屈强比影响分析

已有研究成果指出，钢筋锈蚀率增大时，构件逐渐向无黏结构件转变，破坏形式逐渐转变为脆性破坏。从无黏结构件的受力性能可知，由于钢筋、混凝土间黏结退化的影响，结构受力至破坏的过程中钢筋屈服临界点与混凝土压碎临界点之间的差距逐渐缩小，结构屈服荷载与极限荷载应逐渐接近。

表 6给出了试验中各试件屈服荷载与极限荷载(混凝土压碎)的比值。观察表中数据可以发现，配筋2Φ18的试件表现出如预期的变化趋势：随着锈蚀率的增大，屈服荷载与极限荷载的比值也不断提高；但配筋为2Φ20与2Φ22的试件所表现出来的变化规律则较为相反：随着锈蚀率的增大试件屈强比却逐渐降低。仔细比较试验结果，可以发现配筋为2Φ18的试件其锈蚀率由于快速锈蚀控制的关系，除试件LB 21锈蚀率较大外，大部分均锈蚀率较小，与配筋为2Φ20,2Φ22的试件相比锈蚀率分布较不均匀，且分布区间重叠较少。而锈蚀构件与无黏结构件不同的是锈蚀钢筋的截面积减小、强度降低均将对构件性能造成影响，因此本文试验结果表明：不能简单认为随锈蚀率增大锈蚀构件性能必然接近无黏结构件，锈蚀率的不同使得构件性能变化趋势表现出一定程度的差异，对于随锈蚀率增大黏结退化对构件屈强比等承载性能的影响还有必要进一步研究。

根据本文的试验研究，得到如下结论：

(1)光圆钢筋锈蚀对受弯构件的承载能力存在影响：锈蚀率较小时，钢筋锈蚀对构件承载能力影响不大；锈蚀率较大时，钢筋锈蚀显著降低了构件的承载能力。

(2)锈蚀率相近时，光圆钢筋直径对受弯构件承载性能退化程度的影响较不显著，钢筋直径较小的试件其承载力降低略大于钢筋直径较大的试件。

(3)在本文设定锈蚀率作用下，试件屈服荷载对应的混凝土压应变随锈蚀率增大略有降低；随着锈蚀率增大，混凝土平均应变与最大应变差距增加，沿构件长度的应变分布不均匀性增大。

(4)钢筋达到屈服状态的条件下，由于锈蚀引起的钢筋、混凝土间黏结退化对构件承载能力没有显著影响。

(5)试验中随着锈蚀率的增大，配Φ18光圆钢筋的试件其屈强比不断提高，但配Φ20和Φ22光圆钢筋的受弯构件其屈强比逐渐减小。这有可能是由于锈蚀沿钢筋的分布不同所致，作者将开展进一步研究。