梁巖　陳淮　羅小勇

摘 要：采用精細(xì)化有限元全過程分析方法，考慮混凝土碳化、鋼筋銹蝕及其引起的粘結(jié)滑移性能退化等多因素耦合作用，研究在一般大氣環(huán)境使用年限內(nèi)，耐久性退化對構(gòu)件抗震性能的影響規(guī)律和內(nèi)在機(jī)理.結(jié)果表明，一般大氣環(huán)境下，鋼筋混凝土構(gòu)件使用年限在30 a內(nèi)抗震性能變化不大.當(dāng)使用年限超過30 a后，抗震性能顯著退化.當(dāng)使用100 a時(shí)，承載力降低22.5%，剛度約退化33.5%，延性降低36.7%，耗能能力降低40.5%.建議在一般大氣環(huán)境下對鋼筋混凝土構(gòu)件進(jìn)行抗震設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)考慮隨使用年限的增長，耐久性退化對抗震性能的影響，從而保證結(jié)構(gòu)良好的抗震性能.

關(guān)鍵詞：鋼筋混凝土；耐久性；抗震；時(shí)變特征；一般大氣環(huán)境

中圖分類號：TU375 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1674-2974（2016）03-0104-09

鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)在設(shè)計(jì)使用年限內(nèi)，由于材料老化、不利環(huán)境及使用不當(dāng)?shù)纫蛩赜绊?，結(jié)構(gòu)常出現(xiàn)不同程度的損傷，這種損傷積累直接導(dǎo)致結(jié)構(gòu)耐久性降低、承載力下降、抗震性能退化[1].中國傳統(tǒng)設(shè)計(jì)考慮混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性不足，設(shè)計(jì)的安全度設(shè)置水平較低，留下了大量存在一定缺陷的結(jié)構(gòu)[2].一般大氣環(huán)境下，混凝土碳化及其引起的鋼筋銹蝕是造成結(jié)構(gòu)耐久性退化的主要因素.實(shí)際鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性具有時(shí)變特征，任其發(fā)展會由量變積累引起質(zhì)變，地震中完全有可能引起承載力不足，甚至導(dǎo)致結(jié)構(gòu)解體或倒塌.對于鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)問題更為突出的是許多結(jié)構(gòu)在處于嚴(yán)重腐蝕環(huán)境之中的同時(shí)又處于地震多發(fā)地帶[3].對耐久性退化鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)抗震性能的研究始于1988年Kyioshi等[4]通過噴灑鹽水的方法使混凝土梁中的鋼筋銹蝕，進(jìn)行低周反復(fù)荷載試驗(yàn)，結(jié)果表明，在循環(huán)荷載作用下，結(jié)構(gòu)承載力較無銹蝕時(shí)降低速度快.之后國內(nèi)外學(xué)者對鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)耐久性損傷后的抗震性能進(jìn)行了大量的研究[5-9]，Yu等 [10]通過試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，隨著腐蝕程度的增大，結(jié)構(gòu)失效模式由因縱向鋼筋屈服引起的彎曲破壞轉(zhuǎn)變?yōu)橛捎跈M向鋼筋斷裂引起的彎剪破壞.Inci[11]采用非線性靜力研究方法和非線性時(shí)間歷程分析方法分析不同銹蝕程度、鋼筋分布和不同地震強(qiáng)度對鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)抗震性能影響.

鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)在銹蝕與地震作用下的動(dòng)力響應(yīng)，直接影響結(jié)構(gòu)安全性和耐久性[12].Luisa等[13]指出鋼筋混凝土構(gòu)件承載能力和延性會隨著鋼筋的銹蝕率增大而減小，在某些情況下，也會導(dǎo)致結(jié)構(gòu)從塑性破壞轉(zhuǎn)變?yōu)榇嘈云茐?，這種作用對結(jié)構(gòu)尤其是地震區(qū)的結(jié)構(gòu)分析很有意義，這些區(qū)域延性特征和實(shí)際形成機(jī)理都是安全評估中的關(guān)鍵問題.目前，對耐久性退化鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)抗震性能的研究多考慮鋼筋銹蝕或混凝土碳化單一因素的影響，且未考慮鋼筋銹蝕后粘結(jié)滑移退化對抗震性能的影響，碳化對結(jié)構(gòu)抗震性能的影響研究也不盡合理，新建鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)也未考慮使用年限內(nèi)結(jié)構(gòu)耐久性損傷后抗震性能的時(shí)變特征，既有鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)可靠度評定時(shí)也應(yīng)考慮既有耐久性損傷及后續(xù)耐久性損傷的演化.本文通過足尺銹蝕鋼筋混凝土構(gòu)件低周反復(fù)荷載試驗(yàn)，驗(yàn)證有限元模型的準(zhǔn)確性，采用精細(xì)化有限元全過程分析方法，從混凝土碳化率和鋼筋銹蝕率的角度，考慮混凝土碳化、鋼筋銹蝕及其引起的粘結(jié)滑移性能退化等多因素耦合作用，研究一般大氣環(huán)境下使用年限內(nèi)，耐久性退化鋼筋混凝土構(gòu)件抗震性能時(shí)變特征.

1 一般大氣環(huán)境下混凝土碳化及鋼筋銹蝕

時(shí)變特征

2 鋼筋混凝土構(gòu)件抗震性能時(shí)變特征有限

元模型

2.1 有限元分析模型

采用ABAQUS有限元軟件進(jìn)行建模并對試件進(jìn)行模擬計(jì)算.混凝土選取塑性損傷本構(gòu)模型，采用C3D8R單元，鋼筋采用T3D2單元.鋼筋與混凝土聯(lián)結(jié)采用SPRING2彈簧單元，如圖2所示.彈簧單元1約束鋼筋單元節(jié)點(diǎn)與混凝土單元節(jié)點(diǎn)的水平位移，彈簧剛度由能量等值原理確定；彈簧單元2約束鋼筋單元節(jié)點(diǎn)與箍筋內(nèi)部混凝土單元節(jié)點(diǎn)的豎直位移，彈簧剛度取極大值.

為模擬箍筋對混凝土約束作用，將保護(hù)層與內(nèi)側(cè)混凝土分開建模，并選取不同的本構(gòu)關(guān)系，考慮到荷載作用下箍筋外側(cè)混凝土壓碎后剝落，不再承受荷載，而箍筋內(nèi)部混凝土由于受到約束作用局部壓碎后仍可參與后續(xù)受力，故在建立混凝土本構(gòu)關(guān)系時(shí)考慮箍筋的約束，將混凝土分為核心混凝土和非核心混凝土，核心混凝土考慮橫向約束作用對混凝土強(qiáng)度的提高.一般大氣環(huán)境下混凝土碳化深度通常未達(dá)到核心混凝土區(qū)域或?qū)诵幕炷羺^(qū)域影響較小，故考慮碳化對混凝土本構(gòu)關(guān)系的影響時(shí)，只考慮碳化對保護(hù)層非核心區(qū)域的影響.考慮到箍筋約束對混凝土受壓力學(xué)性能的影響，根據(jù)研究成果[16]，引入配箍特征值進(jìn)行修正.

已有研究中通常將碳化深度作為參數(shù)，但相同的碳化深度對截面面積不同混凝土結(jié)構(gòu)或構(gòu)件力學(xué)性能影響不同，采用碳化深度來表征碳化對混凝土性能的影響不能考慮構(gòu)件截面的尺寸效應(yīng).為了更合理描述混凝土碳化后力學(xué)性能變化規(guī)律，本文采用結(jié)構(gòu)或構(gòu)件的相對碳化面積，即碳化率來表示，如圖4所示.其中，碳化面積Ac與截面四周碳化深度b1，b3，h1及h3有關(guān)，截面總面積A=bh.在此定義混凝土碳化率（=Ac/A）為：混凝土結(jié)構(gòu)或構(gòu)件截面碳化混凝土面積Ac與混凝土總面積A的比值.

2.2 耐久性劣化材料本構(gòu)關(guān)系

根據(jù)第2節(jié)計(jì)算結(jié)構(gòu)使用年限分別為0，30，50，70和100 a時(shí)，鋼筋混凝土構(gòu)件保護(hù)層碳化深度分別為0，17.5，22.6，26.8和32 mm，相應(yīng)地保護(hù)層碳化率分別為0，61%，77%，90%和100%.箍筋內(nèi)側(cè)混凝土考慮箍筋約束作用對混凝土本構(gòu)關(guān)系的影響，箍筋外側(cè)混凝土僅考慮碳化對本構(gòu)關(guān)系的影響，本構(gòu)關(guān)系采用作者建立的重復(fù)荷載下碳化混凝土本構(gòu)關(guān)系模型[15]，見圖5.碳化對混凝土抗拉強(qiáng)度的影響，在目前研究成果中未見報(bào)道，為此本文假設(shè)碳化不影響混凝土抗拉強(qiáng)度.

使用年限分別為0，30，50，70及100 a時(shí)，箍筋銹蝕率分別為0，7.43%，21.16%，33.79%和50.66%；縱筋銹蝕率分別為0，0.1%，7.15%，13.94%和23.64%.由于箍筋保護(hù)層厚度小于縱筋保護(hù)層厚度且直徑較小，箍筋銹蝕速率大于縱筋銹蝕速率，約為縱筋銹蝕速率2倍.本構(gòu)關(guān)系采用文獻(xiàn)[17]建立的反復(fù)荷載下銹蝕鋼筋本構(gòu)關(guān)系模型.

2.3 試驗(yàn)驗(yàn)證

試驗(yàn)試件共6個(gè)，設(shè)計(jì)圖見圖6.各試件設(shè)計(jì)銹蝕率分別為0，3%，6%，9%，12%和15%，銹蝕試驗(yàn)及測試方法依據(jù)GB/T50082-2009《普通混凝土長期性能和耐久性試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》進(jìn)行，實(shí)測試件L-1，L-2，L-3，L-4，L-5，L-6銹蝕率分別為0，2.76%，5.47%，8.63%，9.81%和11.59%.混凝土設(shè)計(jì)等級為C30，實(shí)測立方體抗壓強(qiáng)度為31.4 MPa，試件中縱筋采用HRB335，直徑16 mm，對稱配置，箍筋采用HPB300，直徑8 mm，間距100 mm.

試驗(yàn)裝置采用MTS電液伺服試驗(yàn)機(jī)，按受彎構(gòu)件加載，加載裝置見圖7.

試件兩端部鉸接，中部施加豎直反復(fù)荷載.加載時(shí)首先采用荷載控制循環(huán)加載直至試件進(jìn)入屈服狀態(tài)，屈服后改用位移控制，荷載控制的初始荷載取計(jì)算開裂荷載的50%，位移控制循環(huán)等級均為試驗(yàn)屈服位移Δy，每級循環(huán)3次，直至試件發(fā)生破壞，加載機(jī)制見圖8.

詳細(xì)試驗(yàn)成果可參見文獻(xiàn)[15]，取試件中部一側(cè)進(jìn)行有限元分析.箍筋外側(cè)混凝土壓碎時(shí)剝落，不考慮其受壓恢復(fù)性能，但內(nèi)側(cè)混凝土壓碎后，由于箍筋約束作用而不至剝落，內(nèi)側(cè)混凝土受壓可以恢復(fù).

以試件L-1及L-5為例，有限元模型計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)對比見圖9及圖10.

通過對比分析可知，分析結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果基本吻合，但有限元模擬滯回曲線更加飽滿，再加載剛度初期偏大而后期偏小.這一方面是由于有限元計(jì)算中參數(shù)選取的復(fù)雜性，有限元參數(shù)選取的誤差及試驗(yàn)中的誤差都可能導(dǎo)致二者結(jié)果存在差異；另一方面，雖然本文采用彈簧單元模擬鋼筋與混凝土的粘結(jié)滑移性能，但簡化方法與真實(shí)情況有所差異.實(shí)際構(gòu)件加載過程中，鋼筋與混凝土的粘結(jié)強(qiáng)度隨滑移量的增大而增大，達(dá)到極限粘結(jié)強(qiáng)度后，隨滑移量的增大而減小，有限元模擬中采用能量法簡化為剛度不變的彈簧單元，未能很好模擬再加載初期粘結(jié)滑移滯回曲線的平滑段，即宏觀上表現(xiàn)為構(gòu)件滯回曲線的捏攏效應(yīng)，有限元計(jì)算曲線不如試驗(yàn)曲線明顯.有限元計(jì)算的滯回曲線與試驗(yàn)曲線總體上接近，卸載路徑及骨架曲線與試驗(yàn)吻合較好.對于工程應(yīng)用中的彈塑性分析，這樣的分析結(jié)果已經(jīng)能夠滿足要求.本文所述的有限元計(jì)算方法對于模擬銹蝕鋼筋混凝土構(gòu)件在低周反復(fù)荷載作用下的響應(yīng)有一定的準(zhǔn)確性和可參考性，可以利用此法進(jìn)行耐久性退化鋼筋混凝土構(gòu)件的抗震性能參數(shù)分析和退化規(guī)律分析.

3 銹蝕鋼筋混凝土構(gòu)件抗震性能時(shí)變特征

分析

3.1 承載力及剛度退化分析

隨著使用年限的增長，各試件滯回曲線見圖11.

由圖11可知，隨著構(gòu)件使用時(shí)間的增長，滯回環(huán)面積減小，飽滿程度降低，達(dá)到峰值荷載后承載力及剛度退化愈加明顯.各構(gòu)件骨架曲線見圖12.由圖12可知，構(gòu)件使用年限在30 a內(nèi)骨架曲線變化不大，使用時(shí)間對構(gòu)件剛度及承載力影響較??；當(dāng)使用年限超過30 a后，骨架曲線變化較大，由于鋼筋銹蝕，構(gòu)件剛度及承載力發(fā)生顯著退化.

隨著使用時(shí)間的延長，骨架曲線達(dá)到峰值荷載后平直段明顯變短，延性降低.使用年限內(nèi)各構(gòu)件力學(xué)性能及滯回性能見表1.

各構(gòu)件承載力衰減曲線見圖13.對承載力退化比計(jì)算值分析可知，承載力隨使用年限的增長，在30 a之前和30 a之后的退化速率明顯不同，退化規(guī)律采用分段式表示，見式（11）.

使用年限/a

由以上分析可知：構(gòu)件屈服前，剛度隨著變形增加迅速降低，屈服后，剛度下降速度減慢，當(dāng)變形達(dá)到峰值位移后，剛度趨于平穩(wěn)；隨著使用年限的增長，剛度退化在構(gòu)件從屈服至峰值狀態(tài)時(shí)更為明顯，達(dá)到峰值狀態(tài)后，構(gòu)件退化速率基本一致；另一方面，各構(gòu)件剛度隨使用年限的增長，30 a內(nèi)退化速率較小，30 a后剛度退化速率逐漸增大，當(dāng)使用100 a時(shí)，剛度約退化33.5%.

3.2 滯回性能退化分析

各構(gòu)件滯回性能見表1，其中彈性狀態(tài)耗能取最大位移為10 mm時(shí)滯回環(huán)面積，屈服耗能取屈服位移滯回環(huán)面積，極限耗能取極限狀態(tài)下滯回環(huán)面積.

使用年限內(nèi)各構(gòu)件延性及極限耗能性能隨時(shí)間的變化見圖16.

由圖17可知，若構(gòu)件在使用年限內(nèi)出現(xiàn)較為嚴(yán)重的坑蝕，則可能導(dǎo)致構(gòu)件抗彎強(qiáng)度大于抗剪強(qiáng)度，構(gòu)件首先達(dá)到其抗剪強(qiáng)度，在破壞模式轉(zhuǎn)換點(diǎn)之后，構(gòu)件發(fā)生剪切破壞，從而可能導(dǎo)致結(jié)構(gòu)在地震中發(fā)生脆性破壞，甚至突然倒塌.

綜合考慮一般大氣環(huán)境下鋼筋混凝土構(gòu)件抗震性能的演化規(guī)律，建議在一般大氣環(huán)境下鋼筋混凝土構(gòu)件抗震設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)考慮典型環(huán)境中構(gòu)件隨使用年限增長導(dǎo)致抗震性能的退化，從而保證結(jié)構(gòu)良好的抗震性能.

4 結(jié) 論

本文通過對一般大氣環(huán)境下耐久性退化鋼筋混凝土受彎構(gòu)件抗震性能演化規(guī)律的分析，主要結(jié)論如下：

1）隨著鋼筋銹蝕程度的增大，試件承載力、剛度及耗能性能逐漸降低.鋼筋銹蝕導(dǎo)致其屈服點(diǎn)逐漸消失，使得構(gòu)件屈服彎矩與極限彎矩接近，屈服區(qū)長度變短，構(gòu)件延性降低.

2）一般大氣環(huán)境下，混凝土碳化率隨使用年限增長逐漸增大，但碳化速率逐漸減小.鋼筋銹蝕開始后，其銹蝕率隨時(shí)間基本呈線性關(guān)系，隨使用年限增長，銹蝕程度逐漸增大，箍筋銹蝕速率大于縱筋銹蝕速率，約為其2倍.

3）一般大氣環(huán)境下，鋼筋混凝土受彎構(gòu)件使用年限在30 a內(nèi)，構(gòu)件抗震性能變化不大；當(dāng)使用年限超過30 a后，構(gòu)件剛度、承載力及滯回性能發(fā)生顯著退化.當(dāng)使用100 a時(shí)，一般大氣環(huán)境下承載力降低22.5%，剛度約退化33.5%，延性降低36.7%，耗能能力降低40.5%.

4）根據(jù)計(jì)算分析，給出了一般大氣環(huán)境下使用年限內(nèi)，受彎構(gòu)件承載力、剛度、延性及耗能性能退化規(guī)律計(jì)算式.綜合考慮一般大氣環(huán)境鋼筋混凝土構(gòu)件抗震性能的演化規(guī)律，建議對鋼筋混凝土構(gòu)件抗震設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)考慮典型環(huán)境中構(gòu)件隨使用年限增長導(dǎo)致抗震性能的退化，從而保證結(jié)構(gòu)良好的抗震性能，防止突然倒塌.

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