二級注冊建筑師

為了幫助參加2011年二級注冊建筑師考試的各位考生更好的復習建筑設計這部分課程，在此特地編輯整理出2011年二級注冊建筑師建筑設計相關知識點，希望各位同學可以在2011年注冊建筑師考試中取得優(yōu)異的成績！

1 引言

鋼筋混凝土結構是目前應用較廣的結構形式之一。隨著建筑物的老化和環(huán)境污染的加重，鋼筋混凝土結構耐久性問題越來越引起國內外廣大研究者的關注。在第二屆國際混凝土耐久性會議上，Mehta教授指出："當今世界混凝土破壞原因，按遞減順序是：鋼筋腐蝕、凍害、物理化學作用"。他明確地將"鋼筋腐蝕"排在影響混凝土耐久性因素的首位。而來自海洋環(huán)境的氯鹽和用于化冰雪的除冰鹽，又是造成鋼筋腐蝕的主要原因。美國1984年報道，僅就橋梁而言，57.5萬座鋼筋混凝土橋，一半以上出現(xiàn)鋼筋腐蝕破壞，40%承載力不足和必須修復與加固處理，當年的修復費為54億美元;1988年報道，鋼筋混凝土腐蝕破壞的修復費，一年要2500億美元，其中橋梁修復費為1550億美元(是這些橋初建費用的4倍)。加拿大早期大量使用除冰鹽，使鋼筋混凝土橋梁等破壞嚴重。歐洲、澳大利亞、海灣國家等，都有以氯鹽為主的鋼筋腐蝕破壞問題，其中英國修復費為每年50億英鎊。韓國曾發(fā)生一系列建筑物破壞、倒塌事件，其中很多也與"鹽害"有關。在我國已經發(fā)現(xiàn)許多海港碼頭的混凝土梁、板使用不到10年已普遍出現(xiàn)順筋銹脹開裂、剝落。北京、天津的許多立交橋，因為冷天撒鹽化冰雪也日益暴露出嚴重的鋼筋腐蝕問題，不得不斥巨資修復。

2 鋼筋的的腐蝕機理

鋼筋的腐蝕過程是一個電化學反應過程。

混凝土孔隙中的水分通常以飽和的氫氧化鈣溶液形式存在，其中還含有一些氫氧化鈉和氫氧化鉀，PH值約為12.5。在這樣強堿性的環(huán)境中，鋼筋表面形成鈍化膜，它是厚度為20-60?的水化氧化物(nFe2O3·mH2O)，阻止鋼筋進一步腐蝕。因此，施工質量良好、沒有裂縫的鋼筋混凝土結構，即使處在海洋環(huán)境中，鋼筋基本上也能不發(fā)生腐蝕。但是，當由于各種原因，鋼筋表面的鈍化膜受到破壞，成為活化態(tài)時，鋼筋就容易腐蝕。

呈活化態(tài)的鋼筋表面所進行的腐蝕反應的電化學機理是，當鋼筋表面有水分存在時，就發(fā)生鐵電離的陽極反應和溶解態(tài)氧還原的陰極反應，相互以等速度進行。其反應式如下：

陽極反應

Fe - 2e → Fe2+

陰極反應

O2 + 2H2O + 4e → 4OH-

腐蝕過程的全反應是陽極反應和陰極反應的組合，在鋼筋表面析出氫氧化亞鐵，該化合物被溶解氧化后生成氫氧化鐵Fe(OH)3，并進一步生成nFe2O3·mH2O(紅銹)，一部分氧化不完全的變成Fe3O4(黑銹)，在鋼筋表面形成銹層。紅銹體積可大到原來體積的四倍，黑銹體積可大到原來的二倍。鐵銹體積膨脹，對周圍混凝土產生壓力，將使混凝土沿鋼筋方向開裂，進而使保護層成片脫落，而裂縫及保護層的剝落又進一步導致更劇烈的腐蝕。

3 受腐蝕鋼筋混凝土結構性能研究的現(xiàn)狀

3.1 研究方法

目前，對受腐蝕鋼筋混凝土結構的研究方法主要是試驗研究和有限元分析。試驗研究中，腐蝕試件的模擬一是通過試驗室試驗，包括快速腐蝕試驗(電化學腐蝕、加氯鹽腐蝕等)和鹽霧試驗;二是長期自然暴露試驗;三是替換構件法。有限元分析中，大多采用鋼筋混凝土非線性有限元方法對受腐蝕鋼筋混凝土構件進行非線性模擬。

電化學快速腐蝕試驗通常是將試件浸入一定濃度的NaCl溶液中，用外部電源通以恒電流，混凝土中的鋼筋做陽極，不銹鋼做陰極，通過控制電流密度的大小和通電時間來控制鋼筋的腐蝕量。在混凝土中摻加氯鹽的快速腐蝕試驗一般是在澆注混凝土試件時，在混凝土拌合物中加入一定比例的氯鹽(如CaCl2)，然后在自然條件下放置，或是施加一定大小的電流進行加速腐蝕。鹽霧室中的腐蝕試驗是用來模擬氯化物在混凝土試件中的滲透，一般將試件放置在一個密閉的鹽霧室中，鹽霧室上部的四個角部各有一個噴霧口，鹽霧室中還可以進行干濕交替、溫度變化等。長期自然暴露試驗是將鋼筋混凝土試件放置在各種自然侵蝕環(huán)境，如大氣環(huán)境、海洋環(huán)境、化工環(huán)境中，試驗的周期較長，但能夠較真實地反映實際情況。替換構件法是對長期處于腐蝕環(huán)境下的、實際工程中的鋼筋混凝土構件從工作現(xiàn)場拆下來，進行各種力學性能試驗。

自然腐蝕的復雜條件需要在試驗室用簡單但具有代表性的方法模擬，如何在試驗室更好地模擬真實的腐蝕環(huán)境對構件的作用，在較短的時間里達到結構在一定時期后的腐蝕狀態(tài)，對試驗結果的可靠性非常重要。

3.2 受腐蝕鋼筋混凝土構件的抗彎性能

鋼筋腐蝕通常會改變正常配筋混凝土梁的破壞類型，完好梁一般為彎曲破壞，而受腐蝕梁很多情況下為剪切破壞[4]。受腐蝕梁在鋼筋屈服前，受力裂縫不明顯，裂縫高度很低，一旦出現(xiàn)高度較高的明顯的受力裂縫，這時鋼筋已經屈服，構件即將破壞。有試驗表明[11]，鋼筋腐蝕后，當壓區(qū)腐蝕縱向裂縫寬度大于2mm時，在鋼筋剛剛屈服的上部混凝土會出現(xiàn)被壓碎的現(xiàn)象，破壞形態(tài)處于超筋梁和適筋梁的界限破壞狀態(tài)。而當受拉鋼筋腐蝕量大到一定程度時，構件會由適筋梁變?yōu)樯俳盍?。不管是出現(xiàn)超筋梁的破壞還是少筋梁的破壞，結構的破壞形態(tài)都是從有預兆的塑性破壞變?yōu)闊o預兆的脆性破壞。

隨著縱筋腐蝕量的增加，鋼筋混凝土梁的強度和剛度都在下降。鋼筋腐蝕還增加了鋼筋混凝土梁在使用荷載下的撓度和裂縫寬度。受腐蝕梁的抗彎強度下降主要有以下原因：鋼筋腐蝕引起鋼筋截面積減小;鋼筋腐蝕引起鋼筋名義屈服強度(由屈服荷載除以公稱面積得到)減小;鋼筋腐蝕引起鋼筋和混凝土的粘結力下降，使得破壞區(qū)段內混凝土和鋼筋的平均應變大于正常構件，不能充分地進行應力應變重分布，而導致鋼筋與混凝土協(xié)同工作系數(shù)降低。只考慮腐蝕后鋼筋截面積減小的計算彎曲強度與相應梁的試驗彎曲強度差別較大，說明鋼筋和混凝土的粘結強度降低是受腐蝕梁抗彎強度降低的主要影響因素。由于粘結力降低使得構件強度降低系數(shù)處于正常構件和無粘結構件之間。

對受腐蝕的壓彎構件[11][14]，大偏壓構件的橫向受力裂縫到達縱向腐蝕裂縫位置后不象正常構件那樣有規(guī)律地向上發(fā)展，裂縫分布很不均勻，裂縫間距大于正常構件，受力裂縫也相應增大。隨著鋼筋腐蝕量增加，開裂荷載與極限荷載的比值略有增加，屈服荷載與極限荷載的比值比較接近，即受拉鋼筋達到屈服后受壓混凝土很快達到極限壓應變，構件破壞。說明受腐蝕構件的延性明顯降低，脆性明顯增加。小偏壓受腐蝕構件的承載力和剛度均有較大的降低，在同級荷載作用下的鋼筋和混凝土的應變和側向撓度均明顯大于正常構件，拉區(qū)混凝土裂縫發(fā)展不明顯，脆性也明顯增加。

3.3 受腐蝕鋼筋混凝土構件的抗剪性能

由于混凝土構件中箍筋位于縱筋外邊，其保護層總是比縱筋小，因此一般箍筋首先腐蝕，其腐蝕程度往往比縱筋嚴重，特別是在箍筋與縱筋交接處。而箍筋不僅直接影響鋼筋混凝土構件的抗剪性能，而且受腐蝕的箍筋不能有效地約束混凝土，從而對構件的承載力有間接影響。

目前，對受腐蝕混凝土構件斜截面的研究并不多見。文獻[4]指出箍筋的局部腐蝕與梁的損傷有很大關系，因而影響承載能力。文獻[5]對暴露鋼筋的混凝土梁的剪切強度進行了研究。

3.4 受腐蝕鋼筋混凝土結構中鋼筋和混凝土的粘結性能

受腐蝕鋼筋混凝土構件性能劣化的一個主要原因就是粘結性能的退化。有些環(huán)境下鋼筋的腐蝕不是均勻腐蝕，而是局部腐蝕，對鋼筋與混凝土的粘結性能影響更大。

國內外研究者對腐蝕構件的粘結性能進行了大量的試驗研究。一般采用拔出試件和梁試件[7][8]，也有用鋼筋刻痕來模擬坑蝕[9]，還有用暴露的鋼筋來模擬粘結破壞[5][6]。

在模擬鋼筋表面局部腐蝕的拔出試驗中，極限粘結強度在鋼筋腐蝕達到某一個程度(試驗給出值是1%[8])之前有所增加，但隨著腐蝕進一步增加，極限粘結強度不斷降低直到可以忽略不計。在模擬鋼筋表面相對均勻腐蝕的梁試驗中，極限粘結強度也在鋼筋腐蝕達到某一個程度(試驗給出值是0.5%[8])之前有所增加，而后隨著腐蝕量的增加而降低，但降低得非常緩慢。兩種試驗都顯示自由端的滑移值隨著縱向裂縫的開展而迅速降低，表明鋼筋約束突然喪失，標志著粘結破壞發(fā)生的臨界滑移量受鋼筋表面狀況和約束程度的極大影響。

極限粘結強度在鋼筋腐蝕初期的增加，可以解釋為腐蝕所引起的體積膨脹使鋼筋和混凝土之間的握裹力增加，從而使鋼筋和混凝土間的粘結力不但沒有下降反而有所上升。然而，在鋼筋腐蝕后期開裂階段隨著腐蝕量的增加，特別是在局部腐蝕情況下，粘結性能將會受到鋼筋肋嚴重退化、鋼筋表面片狀腐蝕、金屬滑移及縱向裂縫加寬造成混凝土約束作用降低等因素的影響，從而降低。

粘結性能退化的機理是：1、鋼筋的腐蝕產物是一層結構疏松的氧化物，在鋼筋與混凝土之間形成一層疏松隔離層，明顯地改變了鋼筋與混凝土的接觸表面，從而降低了鋼筋與混凝土之間的粘接作用。2、鋼筋的腐蝕產物比被腐蝕的鋼材占據(jù)更大的體積，從而對包圍在鋼筋周圍的混凝土產生徑向膨脹力，當徑向膨脹力達到一定程度時，會引起混凝土開裂。混凝土開裂導致混凝土對鋼筋的約束作用減弱?；炷灵_裂時的鋼筋腐蝕量與鋼筋直徑、保護層厚度、混凝土強度、鋼筋種類和鋼筋位置等因素有關[12]。3、變形鋼筋腐蝕后，鋼筋變形肋將

（責任編輯：中大編輯）

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