钢筋锈蚀是导致混凝土结构受力性能降低的重要影响因素．一般情况下，混凝土呈碱性，钢筋表面生成钝化膜．但是，当遭受氯离子侵蚀时，钢筋表面的钝化膜被破坏，继而钢筋发生锈蚀．锈蚀会导致钢筋截面面积减小[1]，混凝土与钢筋的黏结性能退化[2]，混凝土出现顺筋裂缝，保护层脱落等，使混凝土结构受力性能降低，甚至导致混凝土结构破坏[3-4]．对此，大量研究者对锈蚀钢筋力学性能[5-7]、锈胀机理[8-9]、锈蚀钢筋混凝土结构力学性能[10-11]等进行了相关研究．钢筋混凝土柱作为混凝土结构中的主要竖向承重及抗侧构件，其力学性能对结构抗震性能具有重要影响．在地震作用下，对于高轴压比的钢筋混凝土柱，如果配箍率不足或者箍筋间距(或纵向钢筋约束间距)过大，随着核心混凝土膨胀及塑性铰区保护层脱离，那么受压纵向钢筋容易发生屈曲失稳[12-13]．纵筋压屈降低了其承受竖向荷载的能力，使压力额外向核心混凝土转移，加上纵筋自身横向变形过大，将可能迫使箍筋应变增大，甚至导致箍筋拉断．在钢筋混凝土柱中纵向钢筋锈蚀后，其长细比会变大[14]，间接使纵向钢筋约束间距增大，可能导致钢筋混凝土柱中纵筋过早屈曲失稳，严重影响钢筋混凝土柱的力学性能．因此，为了科学合理地评估锈蚀钢筋混凝土柱的安全性，研究锈蚀钢筋的压屈行为及压屈应力-应变本构关系模型非常重要．本研究通过对216根锈蚀钢筋进行压屈试验，分析长细比与锈蚀率对锈蚀钢筋压屈行为的影响，建立了锈蚀钢筋压屈应力-应变本构关系模型．1 试验概述试验设计了216个HRB400钢筋(变形钢筋)试件，每6个试件为一组．直径考虑12，16和20 mm，长细比(L/D)考虑5，10，15，17，21和28，理论锈蚀率考虑5%，10%，20%和40%．每组6个试件同时固定在设计的圆形木板上，在钢筋周围覆盖铜网作为阴极．将其浸入质量分数为5%的NaCl溶液中进行通电加速锈蚀，电流密度为1 500 μA/cm2，通电时间按照法拉第定律进行计算．达到设计锈蚀时间时，取出锈蚀钢筋，按长细比要求截取试件，对试件进行酸洗及称重；采用游标卡尺测量每个试件的锈坑深度、宽度和长度．采用300 kN压屈稳定试验系统对试件进行压屈试验，通过弓形引伸计测量试件的变形，荷载和变形值均通过DH3816采集系统自动采集．2 钢筋锈蚀特征分析试件的质量锈蚀率在0.00%~47.50%之间，同时可以看出锈蚀后钢筋表面出现明显的网眼状锈坑，沿钢筋长度方向锈坑的深度不同．采用钢筋直径来表征截面锈蚀率沿长度方向的变化，典型试件的直径(D)沿钢筋长度(L)变化如图1所示．从图1可以看出：沿钢筋长度方向锈蚀程度不同，锈坑呈随机性分布．三种钢筋的最大截面锈蚀率高于质量锈蚀率，对于直径为12 mm的试件，质量锈蚀率为23.12%，截面锈蚀率在16.67%~32.92%之间；对于直径为16 mm的试件，质量锈蚀率为9.72%，截面锈蚀率在4.38%~15.94%之间；对于直径为20 mm的试件，质量锈蚀率为9.17%，截面锈蚀率在5.00%~17.25%之间；钢筋的锈蚀表现出明显的不均匀性和随机性．10.13245/j.hust.210618.F001图1锈蚀钢筋截面直径分布1—锈蚀前；2—锈蚀后．锈蚀钢筋的最大截面锈蚀率及其对应的位置直接影响其压屈性能，锈坑位置在中部影响最为显著，因此量测试件中部0.6L标距范围内的最大截面锈蚀率，量测结果与质量锈蚀率的关系如图2所示．由图2可以看出：随着质量锈蚀率的增大，标距内最大截面锈蚀率增大，两者之间表现出很好的相关性，可以通过测量质量锈蚀率来求标距内的最大截面锈蚀率ηs,max，两者的关系表达式为ηs,max=1.151η, (1)式中：η为质量锈蚀率，η=[(m0-ms)/m0]×100%，m0和ms分别为钢筋未锈蚀时质量和锈蚀后质量；ηs,max=[(A0-As,min)/A0]×100%，A0和As,min分别为未锈蚀钢筋截面直径和锈蚀后钢筋最小截面直径．10.13245/j.hust.210618.F002图2质量锈蚀率-最大截面锈蚀率3 锈蚀钢筋压屈性能分析3.1　破坏形态对216个试件进行压屈试验，其中有效试件为207个，锈蚀钢筋压屈的典型破坏形态如图3所示．根据破坏的位置可分为两种破坏：第一种破坏发生在试件的中部，如图3(a)所示，试件中部首先形成塑性铰，随后钢筋受压破坏，未锈蚀、锈蚀较均匀、长细比较小的试件表现出这种破坏形态；第二种破坏发生在偏离试件中部的一段距离范围内，如图3(b)所示，其主要由于不均匀锈蚀或锈坑导致钢筋出现缺陷，这种缺陷将诱导钢筋的屈曲方向，并且会导致荷载偏心，坑蚀严重时会导致塑性铰向危险截面处偏移，显著降低钢筋压屈强度．10.13245/j.hust.210618.F003图3钢筋压屈的典型破坏形态3.2　名义压屈应力-应变曲线长细比相同情况下，不同质量锈蚀率对钢筋等效名义压屈应力-应变曲线的影响规律如图4所示，横纵坐标均作归一化处理，σ/fy与ε/εy分别为等效名义压屈应力与等效名义应变，fy与εy分别为未锈蚀钢筋的抗拉屈服应力及其对应的应变．从图4中可以看出：随着长细比的增大，钢筋的等效名义压屈应力-应变曲线形态发生显著变化，大致可以分为以下三类．10.13245/j.hust.210618.F004图4钢筋等效名义压屈应力-应变曲线第Ⅰ类曲线．长细比为5的钢筋为这种曲线，如图4(a)所示，曲线可分为两段：第一段从加载至钢筋压屈，名义压屈应力随名义应变线性增长；第二段从钢筋压屈至破坏，随着名义应变的增加，名义压屈应力不再增加，未表现出应力强化行为．随着质量锈蚀率的增加，第一阶段的斜率略有减小，模量降低，名义压屈强度降低．第Ⅱ类曲线．长细比为10和15的钢筋为这种曲线，如图4(b)和(c)所示．在钢筋压屈前，名义压屈应力随名义应变线性增长，与第Ⅰ类曲线相似；在钢筋压屈后，随名义应变的增加，名义压屈应力逐渐降低．随着质量锈蚀率的增加，第一阶段的斜率略有减小，模量降低，名义压屈强度降低．第Ⅲ类曲线．长细比为17，21和28的钢筋为这类曲线，如图4(d)～(f)所示．在钢筋压屈前，与第Ⅰ类和第Ⅱ类曲线相似；在钢筋压屈后，随名义应变的增加，名义压屈应力显著降低．随着质量锈蚀率的增加，第一阶段的斜率降低程度较小，名义压屈强度降低程度减小，说明当长细比超过某一值时，长细比是影响名义压屈强度的主要因素．由于锈蚀理论值与试验值的差异，试验未获得不同长细比、相同质量锈蚀率的试件，因此图5仅给出长细比对未锈蚀钢筋等效名义压屈应力-应变曲线的影响规律．从图5可以看出：随着长细比的增大，压屈后其曲线逐渐变陡峭，延性变差；当长细比较小时，长细比对钢筋名义压屈强度的影响不明显，长细比增大到一定程度后，随着长细比的增加，钢筋名义压屈强度呈降低趋势．10.13245/j.hust.210618.F005图5未锈蚀钢筋等效名义压屈应力-应变曲线1—L/D=5；2—L/D=10；3—L/D=15；4—L/D=17；5—L/D=21；6—L/D=28．3.3　名义压屈应力-应变本构关系模型根据三类锈蚀钢筋等效名义压屈应力-应变关系曲线的特征，其相应的物理模型如图6所示．10.13245/j.hust.210618.F006图6锈蚀钢筋压屈物理模型根据统计分析，图6所示的锈蚀钢筋等效名义压屈应力-应变本构关系模型可采用统一的方程来描述σ/fy=α(ε/εy)    (ε/εy≤εcb/εy);(σcb/fy)(0.8βε/εy-εcb/εy+0.2)    (ε/εyεcb/εy), (2)式中：εcb=σcb/(αEs)为锈蚀钢筋压屈应变，Es=fy/εy为未锈蚀钢筋的弹性模量，α为锈蚀影响系数；β为长细比影响系数．α和β计算公式分别为：α=1-1.834η; (3)β=1    (L/D≤5),0.983L/D-5    (L/D5). (4)根据式(2)～(4)计算得到的曲线与试验曲线对比如图7所示，从图7可以看出计算曲线与试验曲线符合较好．10.13245/j.hust.210618.F007图7计算曲线与试验曲线对比1—试验曲线；2—计算曲线．3.4　名义压屈强度由于试验未获得相同质量锈蚀率、不同长细比的试件，因此图8仅给出不同长细比对未锈蚀钢筋名义压屈强度的影响规律．从图8中可以看出：当长细比≤15时，长细比对名义压屈强度影响不大；当长细比15时，长细比对名义压屈强度影响显著．10.13245/j.hust.210618.F008图8不同长细比对未锈蚀钢筋名义压屈强度的影响相同长细比、不同质量锈蚀率对钢筋名义压屈强度的影响如图9所示，从图9可以看出：在长细比相同情况下，随着质量锈蚀率的增大，名义压屈强度均呈降低趋势．10.13245/j.hust.210618.F009图9质量锈蚀率对锈蚀钢筋等效名义压屈强度的影响综合分析长细比和质量锈蚀率对锈蚀钢筋名义压屈强度的影响规律，其名义压屈强度可表示为σcb/fy=1-1.602η    (L/D≤15);0.969L/D-15(1-1.602η)    (L/D15). (5)利用式(5)求出锈蚀钢筋的名义压屈强度，其计算值与本研究试验值比较如图10所示，图中：σcb为试验值；σcb'为计算值．同时采用文献[14-15]的试验结果进一步验证式(5)，结果如图11所示．从图10和图11中可以看出计算值与本研究和文献[14-15]试验值均符合较好．10.13245/j.hust.210618.F010图10计算值与本研究试验值比较10.13245/j.hust.210618.F011图11计算值与文献[14-15]试验值比较4 结语a. 锈蚀钢筋等效名义应力-应变曲线可分为三类，根据三类曲线特征，建立了锈蚀钢筋等效名义压屈应力-应变本构关系统一模型，模型反映了长细比与质量锈蚀率的影响．b. 当长细比相同时，随着质量锈蚀率的增大，名义压屈强度逐渐降低；当质量锈蚀率相同，长细比≤15时，长细比对名义压屈强度影响不大；当长细比15时，长细比对名义压屈强度影响显著．c. 提出了考虑长细比与质量锈蚀率影响的锈蚀钢筋名义压屈强度计算公式，计算值与本研究和文献试验结果符合均较好．