钢筋锈蚀是钢筋混凝土（Reinforced Concrete, RC）结构最主要的劣化因素，锈蚀不但减小钢筋截面积，而且生成膨胀性锈蚀产物导致混凝土保护层胀裂，改变钢筋混凝土粘结性能。良好的粘结是钢筋混凝土协同工作的基础，因此明晰锈蚀钢筋混凝土的粘结-滑移关系对腐蚀RC构件/结构性能评估至关重要。近日，港航院俞小彤博士与瑞典查尔姆斯理工大学（Chalmers University of Technology）Karin Lundgren教授团队共同开展自然腐蚀条件下RC梁内钢筋粘结-滑移关系的研究，并取得突破性进展。
以往，学者们大多对钢筋进行加速锈蚀，随后开展拉拔试验，分析不同锈蚀程度的钢筋与混凝土的粘结-滑移关系。然而实验室加速锈蚀的研究结果能否预测自然腐蚀条件下钢筋混凝土粘结特性尚存争议。在RC构件/结构承载过程中，钢筋屈服后由于泊松效应会发生环向颈缩，大大降低粘结力，该现象难以在常规的拉拔试验中反映。尽管腐蚀RC梁、柱等构件承载性能演化有大量研究，但由于缺乏精细的测量手段，未能深入认识构件内部钢筋的行为发展，缺少钢筋粘结-滑移关系的反演分析方法。
俞小彤博士与Karin Lundgren教授团队依托瑞典一座服役80年的RC桥梁（Gullspång Bridge），现场选取桥梁的边梁进行三点弯曲等试验，分析荷载-挠度曲线、钢筋锈蚀与屈服形态。研究发现自然腐蚀RC梁极限挠度由端部粘结性能决定，钢筋屈服具有不对称性（图1），并提出了不对称因子（a=Δl/0.5l）量化不对称程度。
图1.不对称的钢筋屈服
采用DIANA有限元软件对试验梁的受弯过程进行非线性分析，为了反映屈服对粘结的影响，创新性地赋予钢筋屈服段与未屈服段2类粘结-滑移本构形式（图2），准确地再现了试验梁的抗弯承载特性，包括荷载-挠度曲线、开裂模式与宽度、钢筋屈服位置与长度（图3）。在此基础上，作者对9个粘结-滑移参数的敏感性及在反演过程中的确定方法进行研究，提出了RC梁内钢筋粘结-滑移关系的反演方法。
（a）未屈服段 （b）屈服段
图2.RC梁内钢筋粘结—滑移本构形式
（1）荷载—挠度曲线对比
（a）试验梁外侧面（digital image correlation 测量） （b）试验梁内侧面
（c）模拟梁外侧面 （d）模拟梁内侧面
（2）试验梁与模拟梁开裂模式与宽度对比
（3）钢筋屈服位置与长度对比
（黑色虚线为钢筋实测屈服位置，绿色虚线为钢筋屈服应力）
图3. 模拟梁准确再现试验梁弯曲特性
为探明腐蚀梁表观损伤程度，钢筋锈蚀程度、浇筑位置对自然腐蚀钢筋粘结性能的影响，根据提出的反演分析方法，确定9根试验梁中共18根受拉钢筋的粘结-滑移关系并分析（图4）。对于钢筋未屈服部位，粘结强度越高，相应的残余粘结强度也越高，但滑移平台长度减小。保护层混凝土剥落损伤会降低残余粘结强度，而开裂损伤几乎无影响。最有趣的发现是，不对称的钢筋屈服会导致一端的粘结长度显著减小，决定了RC梁极限承载能力。为节约计算时间，许多研究基于对称性假定仅模拟半梁，但这会高估粘结长度，导致粘结失效破坏提前发生，因此不对称的钢筋屈服在RC结构承载分析中需要更多关注。
（a）顶部浇筑，未锈蚀 （b）顶部浇筑，锈蚀
（c）底部浇筑，未锈蚀 （d）底部浇筑，锈蚀
图4. 混凝土梁内钢筋粘结-滑移关系
（虚线为试验加载中钢筋未屈服，数字为实测的钢筋锈蚀率）
研究工作由中国中央高校基本科研业务费项目、瑞典科学研究委员会、瑞典交通部等提供经费支持。相关成果以“Numerical assessment of bond-slip relationships for naturally corroded plain reinforcement bars in concrete beams”为题于7月15日发表于《Engineering Structures》。论文第一单位是河海大学港口海岸与近海工程学院。第一作者是俞小彤博士，其所在的近海工程钢筋混凝土结构腐蚀防护与修复技术团队是江苏省“六大人才高峰”创新人才团队，长期致力于海洋环境腐蚀机制、钢筋混凝土材料/构件性能劣化、结构高效修复技术等研究。