非均匀锈蚀钢筋混凝土梁的力学性能研究

第 39 卷第 6 期2023 年12 月结构工程师
Structural Engineers Vol. 39 ， No. 6
Dec. 2023
非均匀锈蚀钢筋混凝土梁的力学性能研究
蒋欢军1，2孙国耀1，2，*段晨1，3
（1.同济大学土木工程防灾减灾全国重点实验室，上海 200092； 2.同济大学结构防灾减灾工程系，上海 200092；
3.广东省建筑设计研究院有限公司，广州 510010）
摘要由于环境的复杂性和材料的离散性，混凝土结构中钢筋的锈蚀往往是非均匀的，而高锈蚀区段的存在直接影响着结构的力学性能。

为研究纵向非均匀锈蚀钢筋混凝土简支梁的力学性能，使用
ABAQUS有限元软件建立了90个纵向非均匀锈蚀钢筋混凝土梁的精细有限元模型，重点分析了高锈蚀区钢筋锈蚀率差值、高锈蚀区长度和高锈蚀区位置3个参数对纵向非均匀锈蚀梁构件力学性能的影响。

结果表明：高锈蚀区钢筋锈蚀率差值和高锈蚀区长度对梁的承载力和极限变形能力影响显著。

高锈蚀区位置在梁上的变化易改变梁的破坏位置，引起梁破坏模式的转变。

研究成果可为锈蚀钢筋混凝土结构的抗震性能评估提供参考。

关键词锈蚀钢筋混凝土梁，非均匀锈蚀，有限元分析，力学性能
Mechanical Performance of Non-Uniformly Corroded
Reinforced Concrete Beams
JIANG　Huanjun1，2SUN　Guoyao1，2，*DUAN　Chen1，3
（1.State Key Laboratory of Disaster Reduction in Civil Engineering，Tongji University， Shanghai 200092， China；
2.Department of Disaster Mitigation for Structures，Tongji University， Shanghai 200092， China；
3.Architectural Design and Research Institute of Guangdong Province， Guangzhou 510010， China）
Abstract Due to the complexity of the environment and the discreteness of materials， the corrosion of steel bars in reinforced concrete structure is usually non-uniform. The high corrosion zone directly affects the performance of the structure. To study the mechanical performance of longitudinal non-uniformly corroded reinforced concrete simply supported beams，the finite element models of 90 RC beams were established by using ABAQUS. The effects of corrosion ratio difference，length and position of high corrosion zone on the mechanical performance of longitudinal non-uniformly corroded RC beams were analyzed. It is found that the corrosion ratio difference and the length of high corrosion zone have significant effects on the bearing capacity and ultimate deformation capacity of the beam. The change of the position of the high corrosion zone on the beam can easily change the failure location of the beam and cause the change of the failure mode. The research results can be utilized for the evaluation of seismic performance of corroded reinforced concrete structures. Keywords corroded RC beam， non-uniform corrosion， FEM， mechanical properties
收稿日期：2023-08-04
基金项目：国家自然科学基金资助项目（51978526）
作者简介：蒋欢军，男，教授，博士生导师，主要从事建筑结构抗震研究。

E-mail：****************.cn
*联系作者：孙国耀，男，博士研究生，研究方向为钢筋混凝土结构耐久性。

E-mail：********************.cn
·结构分析·结构工程师第 39 卷 第 6 期
0 引言
混凝土结构在其设计使用年限内，由于自身材料老化、不利环境因素及使用不当等原因，常出现不同程度的损伤，这种损伤积累会直接造成结构耐久性降低，导致承载力下降、抗震性能退化。

钢筋混凝土结构的耐久性研究涉及范围较广，钢筋锈蚀、冻融、碳化、硫酸盐侵蚀、碱-骨料反应等均包含在其中，其中钢筋锈蚀被公认为是引起耐久性不足的首要因素［1］。

我国以往结构设计对混凝土结构的耐久性考虑不足，设计的安全度设置水平较低，留下了大量存在一定缺陷的结构。

由于混凝土结构服役时间不断增加，服役环境复杂多变，结构中钢筋锈蚀程度日趋严重，且锈蚀的情况具有复杂性与不稳定性。

因此，对锈蚀钢筋混凝土结构抗震性能的研究极为重要，研究考虑钢筋锈蚀非均匀特性对其抗震性能的影响是其中的关键问题之一。

国内外学者针对锈蚀钢筋混凝土梁的力学性能开展了大量试验研究，为探究锈蚀钢筋混凝土梁的抗震性能提供了基础。

根据已有研究成果可知，钢筋锈蚀会导致钢筋混凝土构件材料性能退化，钢筋截面积减小，混凝土保护层锈胀开裂，钢筋和混凝土之间的粘结作用退化，造成构件的破坏模式发生变化，刚度和承载力降低，延性变差［2-5］。

目前大部分锈蚀混凝土构件和结构的力学性能研究针对的都是钢筋均匀锈蚀的情况，然而自然侵蚀环境下导致的钢筋锈蚀多为非均匀锈蚀，该方面的研究相对较少。

张伟平等［6］通过对比从实际工程中取回的自然锈蚀钢筋与实验通电加速锈蚀钢筋的锈蚀形态和性能，建立了两类钢筋性能之间的相关性。

Qiao等［7］和Du等［8］的研究表明，钢筋截面非均匀锈蚀时混凝土保护层的锈胀开裂会比均匀锈蚀更早出现，锈胀破坏模式也有所不同。

Fu等［9］的研究表明，钢筋截面非均匀锈蚀的钢筋混凝土梁在荷载作用下的变形能力、破坏模式与均匀锈蚀的构件不同。

目前钢筋的非均匀锈蚀对于混凝土结构力学性能的影响大多为锈蚀钢筋的本构关系以及混凝土锈胀开裂等材料层级的研究，考虑钢筋非均匀锈蚀的混凝土梁构件的力学性能研究较
少，且主要集中在钢筋截面非均匀锈蚀对梁力学性能影响这一方面。

实际工程结构中，由于混凝土材料的离散性和结构服役环境的复杂性，钢筋锈蚀通常是非均匀的，沿纵向钢筋不同区段的钢筋锈蚀率存在显著差异是非均匀锈蚀的一种典型现象［10-12］，高锈蚀率部位对混凝土梁构件力学性能的影响更大，因而研究钢筋纵向非均匀锈蚀对梁力学性能的影响十分必要。

本文以纵向非均匀锈蚀钢筋混凝土梁为对象，采用数值模拟的方法研究高锈蚀率区段的钢筋锈蚀率差值、长度和位置对钢筋混凝土梁承载能力和变形性能的影响。

1 纵向非均匀锈蚀钢筋混凝土梁模
型设计
本文根据《建筑抗震设计规范》（GB 50011—2010）［13］和《混凝土结构设计规范》（GB 50010—2010）［14］的相关规定，设计了90个纵向非均匀锈蚀钢筋混凝土简支梁模型。

变化的参数包括纵筋配筋特征值K，钢筋的平均锈蚀率η，高锈蚀率区段的长度L、位置p和高锈蚀率区段钢筋锈蚀率与钢筋平均锈蚀率的差值Dη。

梁内纵筋和箍筋的平均锈蚀率取值相同。

在梁内钢筋平均锈蚀率确定的前提下，沿梁纵向的一定范围内设置一个高锈蚀率区段，其余区段则为低锈蚀率区段（图1），高、低锈蚀区段内钢筋为均匀锈蚀，区段内底部纵筋、顶部纵筋和箍筋锈蚀率均相同。

梁纵筋配筋特征值由下式确定：
K=
f
y
(A
s
-A'
s
)
f
c
bh
b0
ξ
b
（1）
式中：A
s
和A'
s
分别为受拉钢筋和受压钢筋的面
积；f
y
与f
c
分别为钢筋的屈服强度与混凝土的抗
压强度；b为梁的截面宽度；h
b0
为梁的截面有效高
度；ξ
b
为梁的相对界限受压区高度。

对于以弯曲效应为主的钢筋混凝土简支梁，其延性受纵向受压以及受拉钢筋的配筋率影响较大，因此采用梁纵筋配筋特征值K来表征不同配筋率的梁。

钢筋混凝土梁的几何尺寸与配筋如图2所示。

梁中的纵筋牌号为HRB335，箍筋牌号为HPB300，混凝土强度等级为C30。

本文设计的梁纵筋配筋特征值K分别为0、0.2和0.4，对应图2中·
·19
Structural Engineers Vol. 39， No. 6
Structural Analysis
A 、
B 、
C 三种配筋截面。

在顶部纵筋配筋相同的
情况下，三个等级的梁底筋配筋率对应取值分别为0.56%、1.07%和1.61%。

基于实际工程中钢筋的锈蚀情况，梁内钢筋平均锈蚀率η取为5%、10%和15%三个等级。

以梁纵筋配筋特征值K 和梁内钢筋平均锈蚀率η作为参数，设计编号为SJ1~SJ9的9组梁模型，见表1。

每组模型中纵筋配筋特征值和钢筋平均锈蚀率保持一致，高锈蚀区的参数设置不同。

高锈蚀率区段在梁纵向上的位置p 有如图1所示的5种。

高锈蚀率区段长度L 分别取梁净跨长（3 600 mm ）的1/4、1/6和1/12，即900 mm 、600 mm 和300 mm 。

高锈蚀率区段钢筋锈蚀率与梁内钢筋平均锈蚀率的差值D η取为5%、10%和15%。

以SJ5组梁模型（K =0.2，η=10%）为例对钢筋纵向非均匀锈蚀设置参数的情况进行介绍，设置的参数见表2，表中ηhigh 和ηlow 分别指高锈蚀区和低锈蚀区区段内的钢筋平均锈蚀率。

另外设计了SJ0-1、SJ0-2和SJ0-3三根底筋配筋率分别为各个等级的钢筋未锈蚀的梁，作为每种配筋率下的参
考模型。

2 有限元模型与破坏模式判定
采用有限元分析程序ABAQUS 对纵向非均匀锈蚀钢筋混凝土梁进行数值建模，采用的锈蚀损伤模型参考文献［15］。

有限元模型如图3
所示。

图1　沿梁纵向高锈蚀区分布（单位：mm ）
Fig.1　Layout of high corrosion zone along longitudinal
direction of beam （Unit ：mm ）
图2　配筋截面及梁尺寸图（单位：mm ）
Fig.2　Reinforcement and dimensions of beam section
（Unit ：mm ）
表1 梁模型的截面配筋类型与钢筋平均锈蚀率Table 1　Reinforcement section type and steel
corrosion ratio
η
K 5%
10%15%
0SJ1SJ2SJ3
0.2SJ4SJ5SJ6
0.4SJ7SJ8SJ9
表2　
SJ5组梁高锈蚀区设置参数
Table 2　Parameters of high corrosion zone of beam-SJ5
编号SJ5-0SJ5-1SJ5-2SJ5-3SJ5-4SJ5-5SJ5-6SJ5-7SJ5-8SJ5-9
D η
5%
10%15%10%10%10%10%10%10%
L /mm
/
600600600300900600600600600
p
/111112345
ηhigh
10%15%20%25%20%20%20%20%20%20%
ηlow
10.00%9.00%8.00%7.00%9.09%6.67%8.00%8.00%8.00%
9.09%
图3　钢筋混凝土梁有限元模型
Fig.3　Finite element model of RC beam
·
·20
·结构分析·结构工程师第 39 卷 第 6 期混凝土采用八节点六面体线性缩减积分单元
C3D8R进行模拟。

混凝土受拉和受压应力-应变
关系采用《混凝土结构设计规范》（GB 50010—
2010）［14］建议的曲线。

钢筋锈蚀产生的锈蚀产物
会引起混凝土保护层胀裂，使混凝土强度降低。

本文采用文献［16］提出的锈蚀损伤后的保护层混
凝土强度退化模型，该模型认为混凝土保护层强
度折减与导致其纵向开裂的横向拉应变均值相
关，采用下式表达：
f* c =
f
c
1+Kε
1
ε
c0
（2）
式中：f*
c
为钢筋锈蚀后混凝土保护层的抗压强度；
f
c
为钢筋未锈蚀时混凝土保护层的抗压强度；K为
与钢筋直径和粗糙度有关的系数，一般取0.1；ε
c0为混凝土达到峰值应力时的压应变；ε
1
为垂直于混凝土开裂方向的平均拉应变。

钢筋采用线性梁单元B31进行模拟。

锈蚀钢筋的材料本构模型采用文献［17］提出的模型，该模型可以描述钢筋在自然锈蚀情况下的力学性能，采用式（3）—式（5）表述：
A
c =(1-η)A
0（3）
f yc =
(1-1.049η)
1-η
f
y0（4）
ε
suc
=e-2.501ηε
su0
（5）
式中：η为钢筋锈蚀率；A
c
为锈蚀钢筋的横截面面
积；A
0为未锈蚀钢筋的横截面面积；f
yc
为锈蚀钢筋
的屈服强度；f
y0为未锈蚀钢筋的屈服强度；ε
suc
为
锈蚀钢筋的极限应变；ε
su0
为未锈蚀钢筋的极限应变。

钢筋和混凝土之间的粘结-滑移采用CARTESIAN连接单元进行模拟。

锈蚀钢筋和混凝土之间的粘结-滑移关系采用下式表述：
τ(s)=βτ
(s)（6）
式中：τ
(s)为未锈蚀钢筋与混凝土之间的粘结-滑移关系，选用《混凝土结构设计规范》（GB 50010—2010）［14］建议的粘结-滑移本构关系；β为锈蚀钢筋和混凝土之间的粘结强度降低系数，选用文献［18］提出的模型，该模型基于大量试验数据，采用如下公式表述：
β=ì
í
î
1(η≤1.5%)
1.192e-11.7η(η>1.5%)
（7）
按照上述建模方法，对文献［19］的4根锈蚀钢筋混凝土梁进行相应的有限元建模和静力推覆
分析。

有限元模拟结果与试验得到的荷载-位移骨架曲线对比如图4所示，两者比较一致。

因此认为本文的建模方法可以较准确地模拟锈蚀钢筋混凝土梁的力学性能，可以采用本建模方法对锈蚀钢筋混凝土梁进行参数分析。

对所设计的93根梁进行单调加载后，从计算结果中提取出梁的承载力、破坏模式和极限变形能力进行分析。

通过对比有限元计算结果中混凝土与钢筋的应力、应变以及连接单元的相对力与相对位移，发现梁主要有两种破坏模式：一种为受拉纵筋先屈服，之后受压区混凝土达到极限压应变或受拉纵筋断裂，箍筋未屈服的弯曲破坏；另一种为受拉纵筋先屈服，随后箍筋也屈服，最后混凝土达到极限压应变或受拉纵筋断裂的弯剪破坏。

由于设计试件时已在配筋上采取了措施，故模拟中未出现剪切破坏。

考虑到要防止试件出现剪切破坏，通过对比计算结果中混凝土与钢筋的应变、连接单元的相对力与相对位移及提取的梁荷载-位移曲线，定义了三种梁的最终极限破坏状态：承载力下降15%；底部受拉纵筋断裂；核心区受压混凝土压碎。

若梁在加载过程中达到任一个最终极限破坏状态，则认为此时梁发生破坏，此时的变形定义为极限变形，用作变形能力研究的主要指标。

提取各组梁的荷载-位移曲线，其中具有代表性的SJ5组梁的计算结果如图5所示。

从图中可以看出，荷载-位移曲线变化较为复杂，各个参数对梁的承载力、变形性能和破坏模式都有显著的影响，因此需要针对单一参数进行数值模拟结果
的分析。

图4　荷载-位移曲线对比
Fig.4　Comparison of load-displacement curves between
test and numerical results
·
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Structural Engineers Vol. 39， No. 6
Structural Analysis
3 纵向非均匀锈蚀对梁力学性能的
影响
根据有限元模拟结果，分别分析高锈蚀区段的钢筋锈蚀率差值、长度与位置这三个因素对梁承载力、变形性能和破坏模式的影响。

以中等配筋率（1.07%）、中等平均锈蚀率（10%）的SJ5组梁为例，来说明钢筋的非均匀锈蚀对梁力学性能的影响。

图6为均匀锈蚀梁与未锈蚀梁荷载-位移曲线的对比结果。

从图中可知，平均锈蚀率为10%的均匀锈蚀梁与未锈蚀梁相比，承载力下降了12%，极限变形能力下降了8%，钢筋锈蚀对梁的力学性能有较显著影响。

下文分析中均以均匀锈
蚀梁作为对照梁进行比较。

3.1　高锈蚀区锈蚀率差值的影响　
图7为高锈蚀区位置和长度相同，高锈蚀区锈蚀率不同的梁与均匀锈蚀梁的荷载-位移曲线对比。

图中的纵向非均匀锈蚀梁高锈蚀区位置均为位置1，长度均为600 mm ，锈蚀率差值分别为5%、10%和15%。

随着高锈蚀区钢筋锈蚀率差值D η的升高，梁的承载力与极限变形能力均降低。

以高锈蚀区锈蚀率为25%的梁（SJ5-3）为例，其与均匀锈蚀的梁相比，承载能力下降约17%，极限变
形能力下降39%。

这是由于构件的最大弯矩出现在高锈蚀区内，该区段内钢筋的材料性能退化、截面积减小，粘结性能退化，高锈蚀区段控制着非均匀锈蚀梁的承载力和极限变形能力。

因此即使在梁的整体锈蚀率相同的情况下，高锈蚀区的锈蚀率差值会显著影响非均匀锈蚀梁的力学性能。

从均匀锈蚀到高锈蚀区钢筋锈蚀率差值D η为5%时，破坏模式从弯剪破坏变为弯曲破坏；随着高锈蚀区钢筋锈蚀率差值D η继续升高，破坏模式仍为弯曲破坏，不发生变化。

图8为η取10%时，高锈蚀区钢筋锈蚀率差值D η对不同K 值梁承载能力的影响。

图中的纵向非均匀锈蚀梁高锈蚀区位置均为位置1，长度均为600 mm 。

由图可见，在各K 值下，D η越大，梁
的承载力越低，且二者的关系基本呈线性。

图9为K 值为0.2时，高锈蚀区钢筋锈蚀率差值D η对不同η值梁承载力的影响。

图中的梁高锈蚀区位
置均为位置1，长度均为600 mm 。

由图可见，对于η相同的各组构件，随着D η的增加，梁的承载力近
似线性减小。

图5　SJ5组梁荷载-位移曲线
Fig.5　Load -
displacement curves of Group SJ5
图6　均匀锈蚀梁与未锈蚀梁荷载-位移曲线
Fig.6　Load -displacement curves of uniformly corroded
beam and uncorroded beam
图7　不同高锈蚀区锈蚀率梁荷载-位移曲线
Fig.7　Load -displacement curves of beams with different
corrosion ratios in high corrosion zone
·
·22
·结构分析·
结构工程师第 39 卷 第 6 期
图10为η取10%时，高锈蚀区钢筋锈蚀率差值D η对不同K 值梁极限变形能力的影响。

图中的梁高锈蚀区位置均为位置1，长度均为600 mm 。

由图可见，当K 值较小时，D η越大，梁的极限变形越
小，二者的关系接近线性关系；当K 值为0.4时，随着D η增大，梁的极限变形会先增大，之后保持减小的趋势。

图11为不同K 值下，高锈蚀区钢筋锈蚀率差值D η对不同η值梁极限变形能力的影响。

图中的梁高锈蚀区位置均为位置1，长度均为600 mm 。

由图可以看出，K 值较小时，
D η同梁的极限变形能力之间的关系接近线性；当K 值为0.4时，梁的极限变形随着D η先增大，之后呈减小趋势。

K 值为0.4的梁受拉纵筋配筋率较高，混凝土压应力较大，延性较差。

其中D η为5%的纵向非均匀锈蚀梁相对于均匀锈蚀梁，混凝土和钢筋之间的粘结作用减
弱，混凝土的压应力减小，梁延性提升。

图12和图
13分别为K =0.4，
D η分别为0%和5%的梁SJ8-0和SJ8-1在相同位移（SJ8-0的极限位移）时的受压损伤云图。

可以看到此位移下SJ8-1的混凝土损伤明显小于SJ8-0，SJ8-1
尚未达到极限位移。

图8　不同K 值下高锈蚀区锈蚀率差值对梁承载力的影响
Fig.8　Influence of corrosion ratio difference of high corrosion zone on bearing capacity of beams under
different K
values
图9　不同η值下高锈蚀区锈蚀率差值对梁承载力的影响
Fig.9　Influence of corrosion ratio difference of high
corrosion zone on bearing capacity of beams
under different η
values
图10　不同K 值下高锈蚀区锈蚀率差值对梁极限变形能力的影响
Fig.10　Influence of the corrosion ratio difference of high corrosion zone on ultimate deformation capacity of beams
under different K
values 图11　不同K 值下高锈蚀区锈蚀率差值对不同η值梁极限变形能力的影响
Fig.11　Influence of corrosion ratio difference of high
corrosion zone on ultimate deformation capacity of beams
under different η values ·
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Structural Engineers Vol. 39， No. 6
Structural Analysis
3.2　高锈蚀区长度的影响　
图14为高锈蚀区位置和钢筋锈蚀率差值相同，高锈蚀区长度不同的梁与均匀锈蚀梁的荷载-位移曲线对比。

图中的非均匀锈蚀梁高锈蚀区位置均为位置1，锈蚀率差值为10%，长度分别为300 mm 、600 mm 和900 mm 。

从均匀锈蚀到高锈蚀区长度300 mm ，梁的承载力明显下降，破坏模
式从弯剪破坏变为弯曲破坏，极限变形能力显著降低；随着高锈蚀区的长度L 变长，梁的承载力变化不明显，破坏模式仍为弯曲破坏，梁极限变形能力逐渐增加。

造成梁变形能力增加的主要原因是高锈蚀区长度对沿钢筋纵向的粘结作用的改变，高锈蚀区的长度L 更长造成粘结作用退化长度更长，梁达到破坏时的粘结滑移变形增大，极限变形增大，从而增加了梁的极限变形能力。

高锈蚀区长度为900 mm 的梁（SJ5-5）承载力与均匀锈蚀的梁相比下降了12%；高锈蚀区长度为300 mm 的梁（SJ5-4）的极限变形能力与均匀锈蚀的梁相比下降了45%。

图15为η取10%时，高锈蚀区长度L 对不同K 值梁承载能力的影响。

图中的非均匀锈蚀梁高
锈蚀区位置均为位置1，高锈蚀区钢筋锈蚀率差值为10%。

由图可见，基本在各K 值下，随着L 的增长，承载力会先发生明显的下降，之后变化趋于平缓，二者的关系呈双折线关系。

图16为K 值为0.2时，高锈蚀区长度L 对不同η值梁承载
能力的影响。

图中的梁高锈蚀区位置均为位置1，高锈蚀区钢筋锈蚀率差值为10%。

与上文类似，基本在各η值下，随着L 的增长，承载力会先
发生明显的下降，之后变化趋于平缓，二者的关系呈双折线关系。

从均匀锈蚀到高锈蚀区长度较短的非均匀锈蚀，跨中截面的锈蚀率明显增加，因此承载力会发生显著的下降；而随着锈蚀区段长度的变化，不同K 值和平均锈蚀率的梁，其高、低锈蚀区分别由于非均匀锈蚀造成的粘结作用提升和降低的程度不定，承载力的变化
也是基本趋于平缓。

图12　SJ8-0混凝土受压损伤云图
Fig.12　Nephogram of concrete compressive damage of SJ8-
图13　SJ8-1混凝土受压损伤云图
Fig.13　Nephogram of concrete compressive damage of SJ8-
1
图14　不同高锈蚀区长度梁荷载-位移曲线
Fig.14　Load -displacement curves of beams with different
lengths of high corrosion zone
图15　不同K 值下高锈蚀区长度对梁承载力的影响
Fig.15　Influence of length of high corrosion zone on bearing
capacity of beams under different K values
·
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·结构分析·
结构工程师第 39 卷 第 6 期
图17为平均锈蚀率η取10%时，高锈蚀区长度L 对不同K 值梁极限变形能力的影响。

图中的梁高锈蚀区位置均为位置1，高锈蚀区钢筋锈蚀率差值为10%。

由图可见，在各K 值下，随着L 的增长，极限变形会先发生明显的下降，之后保持上升趋势，二者的关系呈双折线关系。

图18为K 值为0.2时，高锈蚀区长度L 对不同η值梁极限变形能力的影响。

图中的梁高锈蚀区位置均为位置1，高锈蚀区钢筋锈蚀率差值为10%。

高锈蚀区长度L 同极限变形之间呈双折线关系。

从均匀锈蚀到高锈蚀区长度较短的非均匀锈蚀，跨中截面的锈蚀率显著增加，因此极限变形能力也会发生显著的下降；而随着锈蚀区段长度的增长，更长的粘结作用退化使梁破坏时粘结滑移变形增大，极限变形变大。

3.3　高锈蚀区位置的影响　
同高锈蚀区长度和高锈蚀区钢筋锈蚀率差值的影响不同，高锈蚀区位置对纵向非均匀锈蚀梁力学性能的影响更为复杂，高锈蚀区位置的变化会显著影响非均匀锈蚀梁的破坏模式，进而导致其承载力和变形性能的变化较为复杂。

下面分别对梁SJ5-0、SJ5-2和SJ5-9的破坏模式进行简述。

其中，SJ5-0为均匀锈蚀梁，SJ5-2和SJ5-9为高锈蚀区钢筋锈蚀率差值D η为10%，高锈蚀区长度L 为600 mm ，锈蚀位置分别为位置1
和位置5的非均匀锈蚀梁。

均匀锈蚀梁（SJ5-0）的破坏模式为弯剪破坏。

对于跨中存在高锈蚀区的非均匀锈蚀梁SJ5-2，梁的破坏模式转变为弯曲破坏。

从SJ5-0到SJ5-2破坏模式的转变是由于高锈蚀区钢筋锈蚀率的升高，使得保护层混凝土锈胀更加严重，抗压强度降低；且跨中位置是简支梁最大弯矩所在的位置，因此受压区混凝土达到极限压应变，非均匀锈蚀梁发生破坏。

对于在位置5存在高锈蚀区的非均匀锈蚀梁SJ5-9，梁的破坏模式又变回弯剪破坏。

从SJ5-2到SJ5-9破坏模式的转变是因为高锈蚀区在梁上从跨中向端部移动时，由于箍筋的削弱，梁发生破坏的区域会随高锈蚀区从跨中向端部转移，
且破坏模式向弯剪破坏变化。

通过上文的分析可知，均匀锈蚀与高锈蚀区位置不同的非均匀锈蚀梁，破坏模式存在显著的变化。

而这种变化会导致梁的承载力和极限变形能力的变化较为复杂。

图19
为高锈蚀区钢筋锈图16　不同η值下高锈蚀区长度对梁承载力的影响
Fig.16　Influence of length of high corrosion zone on bearing
capacity of beams under different η
values
图17　不同K 值下高锈蚀区长度对梁极限变形能力的影响
Fig.17　Influence of length of high corrosion zone on
ultimate deformation capacity of beams under
different K
values
图18　不同η值下高锈蚀区长度对梁极限变形能力的影响Fig.18　Influence of length of high corrosion zone on ultimate deformation capacity of beams under different η values
·
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Structural Engineers Vol. 39， No. 6
Structural Analysis
蚀率差值D η为10%，高锈蚀区长度L 为600 mm ，高锈蚀区位置不同的梁与均匀锈蚀梁的荷载-位移曲线对比。

由于高锈蚀区位置不同造成梁破坏模式的变化，图中的荷载-位移曲线也存在显著的不同，且高锈蚀区位置对承载力的影响不甚明显，主要是对破坏模式和极限变形能力有着较为复杂的影响。

4 结 论
本文采用数值模拟的方法对纵向非均匀锈蚀钢筋混凝土简支梁进行了受力性能分析，可以得到如下主要结论：
（1） 高锈蚀率区段钢筋锈蚀率差值越高，梁的承载力越低，两者的关系基本呈线性；在K 值较低的梁中，随着锈蚀率差值的升高，梁的极限变形能力降低且两者关系接近线性。

（2） 随着高锈蚀区段的长度增长，梁的承载力先发生明显的下降，之后变化趋于平缓，二者呈双折线关系；极限变形能力会发生明显的下降，之后保持上升趋势，二者也呈双折线关系。

影响极限变形能力的主要因素是高锈蚀区粘结作用退化在钢筋纵向中的积累。

（3） 高锈蚀区位置的变化会显著影响非均匀锈蚀梁的破坏模式，当高锈蚀区在梁上从跨中向端部移动时，梁发生破坏的区域会随高锈蚀区从跨中向端部转移，且破坏模式从弯曲破坏向弯剪破坏变化。

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图19　不同高锈蚀区位置梁荷载-位移曲线
Fig.19　Load -displacement curves of beams with different
positions of high corrosion zone
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