《Journal of Building Engineering》：Experimental and Numerical Study on the Effects of Rebar Corrosion on the Flexural Behavior of High-Performance Concrete Beams with a Relatively High Reinforcement Ratio
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高强混凝土梁在腐蚀作用下的力学性能退化及数值模型研究。通过加速腐蚀实验发现，腐蚀导致刚度下降9-11%，弯矩承载能力损失10-16%，能量吸收降低51-62%，并引发11%腐蚀时的脆性破坏。基于粘结退化修正的CEB-FIB模型与混凝土损伤塑性有限元分析有效预测了腐蚀损伤机制。
尼卢法尔·加赞法里（Niloufar Ghazanfari）|格奥尔格·赖哈德（Georg Reichard）|穆罕默德·雷扎·瓦基利（Mohammad Reza Vakili）|穆罕默德·谢卡奇（Mohammad Shekarchi）
美国弗吉尼亚理工大学迈尔斯-劳森建筑学院（Virginia Tech, Myers-Lawson School of Construction, USA）
摘要
由于钢筋腐蚀导致钢筋混凝土（RC）结构过早劣化是一个全球性的重大问题，这影响了结构的完整性和长期耐久性。腐蚀产生的锈蚀膨胀会导致混凝土开裂和剥落，削弱钢筋与混凝土之间的粘结力，并破坏力的传递机制。本研究对高性能钢筋混凝土（HPC-RC）梁在较高钢筋配比（超过2.0%）下的腐蚀效应进行了综合的实验-数值分析。根据ACI规范制作了七根实验室规模的梁（尺寸为150 × 210 × 1300毫米），其中六根梁经历了加速腐蚀，直至钢筋质量损失达到约15%。实验结果表明，刚度响应并非单调变化：早期腐蚀会略微提高抗弯刚度（在钢筋质量损失6.88%时增加约2%），这归因于裂缝抑制效应和局部约束作用。随着腐蚀程度的增加，刚度逐渐下降9-11%，抗弯能力降低10-16%，能量吸收能力也大幅减少（51-62%）。此外，即使在约11%的中等腐蚀水平下，腐蚀也会促进钢筋过早断裂，表现出脆性破坏行为，这与传统RC系统的延性响应形成对比。为了揭示主要的粘结力退化机制，还进行了拔出试验，并利用试验得到的粘结应力-滑移关系对CEB-FIB粘结应力-滑移模型进行了修正。采用考虑混凝土损伤塑性的有限元框架和修正后的粘结模型，能够很好地模拟实验结果，从而可靠地预测HPC-RC梁在腐蚀作用下的劣化和破坏机制。
引言
钢筋腐蚀是钢筋混凝土（RC）结构中最关键的耐久性问题之一，会损害结构完整性并造成巨大的经济损失。根据美国国家腐蚀工程师协会（NACE）国际组织2013年的研究，全球每年因腐蚀造成的损失高达2.5万亿美元，占全球国内生产总值（GDP）的3.4%1, 2, 3。腐蚀对RC结构的长期性能有显著影响，尤其是在沿海地区或受除冰盐影响的公路桥梁中，这些因素会导致严重的结构损坏。尽管混凝土的碱性环境具有一定的防护作用，但钢筋的腐蚀仍然对RC结构的安全性和使用寿命构成严重威胁4, 5, 6。钢筋腐蚀还会通过降低刚度和粘结性能，进而削弱RC构件的抗震性能，从而降低能量耗散能力。因此，深入理解腐蚀引起的破坏机制并开发有效的修复策略对于提高抗震性能和防止地震中的灾难性事故至关重要7, 8。
钢筋腐蚀的经济影响包括直接成本和间接后果，后者往往远超初始材料损失。直接成本包括结构修复和重建、实施防护措施（如涂层系统、电流阴极保护及防腐处理），以及购买先进的耐腐蚀钢筋材料。间接成本通常更高，包括运营和服务中断、结构承载能力下降、使用寿命缩短、防火性能降低、基础设施更换周期加快，以及因采用更高安全系数和防护设计而产生的额外费用9, 10, 11, 12。根据美国联邦公路管理局（FHWA）2002年的报告，美国公路桥梁每年的直接腐蚀成本估计在64.3亿至101.5亿美元之间，平均为82.9亿美元。生命周期分析表明，间接成本（如交通延误和生产力损失）可能高达直接成本的十倍以上13。最近的几起重大基础设施事故凸显了钢筋混凝土系统因腐蚀而劣化的严重后果。例如，2021年佛罗里达州瑟夫赛德（Surfside）的Champlain Towers South大厦倒塌导致98人死亡，其主要原因是钢筋严重腐蚀；2018年意大利热那亚的Ponte Morandi斜拉桥倒塌造成43人死亡，也与预应力混凝土和结构钢缆的腐蚀有关14。这些事故强调了理解RC结构中腐蚀劣化机制的重要性。在许多实际应用中，高配比抗弯钢筋的钢筋混凝土梁被用于承受重载的结构构件，如桥梁梁、高层建筑中的转换梁以及在几何或使用限制条件下设计的结构部件，这些部位需要增加钢筋含量以实现所需的抗弯能力。因此，研究这类高配比钢筋构件的耐久性和腐蚀行为具有重要的实际意义。以下背景综述了关于腐蚀机制、粘结力退化和抗弯性能的先前研究，为本文提供了理论基础，并指出了推动本次研究的关键知识空白。
方法
RC结构中的自然腐蚀过程通常需要数十年时间，这使得在实际研究时间内难以全面研究这一现象。为此，人们开发并广泛采用了加速腐蚀技术，这些技术已成为理解劣化机制和评估防护措施的重要工具49。目前仍在继续研究加速腐蚀过程与自然腐蚀过程之间的关系
抗弯强度测试结果
对照梁（NCB）：对照梁的抗弯能力为192.6千牛顿，四点弯曲静态加载下的极限挠度（Δu）为11.35毫米。在负载达到49.1千牛顿时开始出现初始裂缝，标志着混凝土的抗拉强度丧失。此后，随着负载的增加，裂缝数量逐渐增多。在不同的极限位移百分比下记录了裂缝分布情况。图13展示了裂缝的扩展情况
结论
本研究的实验和数值分析揭示了腐蚀对高配比钢筋混凝土（HPC-RC）梁结构性能的不利影响。
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测量结果表明，腐蚀进程受到结构应力状态和裂缝条件的显著影响。尽管使用了加速腐蚀技术来控制目标质量损失，但梁的自重等因素仍对腐蚀过程产生影响
作者贡献声明
穆罕默德·雷扎·瓦基利（Mohammad Reza Vakili）：验证、数据分析。尼卢法尔·加赞法里（Niloufar Ghazanfari）：撰写初稿、进行正式分析、数据整理。格奥尔格·赖哈德（Georg Reichard）：审稿与编辑、数据可视化。穆罕默德·谢卡奇（Mohammad Shekarchi）：监督工作、资源协调
未引用参考文献
52.; 55.; 56.; 57.; 58.; 59.; 68.
利益冲突声明
? 作者声明他们没有已知的可能影响本文研究的财务利益或个人关系。
