冷玲倻，梁文文，黃志勇

(1.江西科技學(xué)院城市建設(shè)學(xué)院，江西 南昌 330098；2.廣西大學(xué)土木建筑工程學(xué)院，廣西 南寧 530004)

1 引言

建筑建設(shè)都需要滿足安全性的要求，按照結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范建設(shè)，但有些建筑在構(gòu)建過(guò)程中沒(méi)有對(duì)結(jié)構(gòu)的耐久性進(jìn)行考慮，在自然環(huán)境作用下以及使用年限的增長(zhǎng)，鋼筋混凝土?xí)霈F(xiàn)混凝土碳化和鋼筋銹蝕等現(xiàn)象，降低了建筑結(jié)構(gòu)的整體性能[1]。導(dǎo)致銹蝕損傷的混凝土結(jié)構(gòu)在地震作用下容易出現(xiàn)破壞現(xiàn)象。建筑結(jié)構(gòu)中的承載構(gòu)件主要包括梁和鋼筋混凝土，在一定程度上主要承載構(gòu)件的抗震能力直接決定著整體建筑的抗震定能[2]，因此對(duì)銹蝕損傷混凝土結(jié)構(gòu)的抗震性能進(jìn)行分析具有重要意義。

劉小娟[3]等人采用ABAQUS軟件建立混凝土有限元模型，根據(jù)有限元模型對(duì)構(gòu)件進(jìn)行彈塑性和靜力推覆分析，獲得構(gòu)件在地震作用下的損傷情況。邵田東[4]等人采用PERFROM-3D軟件在纖維模型理論的基礎(chǔ)上建立混凝土有限元模型對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)的阻尼進(jìn)行計(jì)算，根據(jù)計(jì)算結(jié)果構(gòu)建彈性動(dòng)力時(shí)程分析方程，完成抗震數(shù)值模擬。苑溦[5]等人對(duì)混凝土的銹蝕損傷進(jìn)行考慮，在Opensees軟件的基礎(chǔ)上建立有限元纖維模型，對(duì)銹蝕損傷混凝土進(jìn)行延性分析，獲取混凝土的性能劣化機(jī)制和腐蝕損傷機(jī)制，完成抗震性能模擬。在上述方法的基礎(chǔ)上，提出銹蝕損傷混凝土結(jié)構(gòu)抗震性能數(shù)值模擬方法。

2 銹蝕損傷混凝土本構(gòu)分析

2.1 受壓屈曲性能分析

混凝土結(jié)構(gòu)在地震作用下保護(hù)層會(huì)出現(xiàn)脫落問(wèn)題，導(dǎo)致在箍筋間距范圍內(nèi)縱向受力受壓屈曲，在短時(shí)間內(nèi)建筑邊緣的混凝土增大的現(xiàn)象即為受壓屈曲效應(yīng)[6，7]。

設(shè)x代表的是鋼筋的平均銹蝕深度，其計(jì)算公式如下

(1)

式中，Qcor代表的是鋼筋對(duì)應(yīng)的平均截面損失率。

設(shè)s代表的是箍筋間距，用μp表示無(wú)量綱受壓屈曲參數(shù)，其計(jì)算公式為

(2)

式中，fyc，cor代表的是鋼筋出現(xiàn)銹蝕損傷時(shí)的受壓屈服應(yīng)力，可通過(guò)下式計(jì)算得到

fyc，cor=fyc-βfycQcor

(3)

式中，fyc描述的是鋼筋沒(méi)有出現(xiàn)銹蝕損傷時(shí)對(duì)應(yīng)的屈服強(qiáng)度；參數(shù)β受鋼筋細(xì)長(zhǎng)比的影響，為經(jīng)驗(yàn)系數(shù)，其表達(dá)式如下

(4)

鋼筋受壓屈曲本構(gòu)關(guān)系可通過(guò)無(wú)量綱應(yīng)力-應(yīng)變坐標(biāo)系得以描述，用η=σ/fyc，cor表示鋼筋的無(wú)量綱應(yīng)力，用ξ=ε/εyc，cor表示鋼筋的無(wú)量綱應(yīng)變，其中，ε為鋼筋應(yīng)變，εyc，cor為鋼筋出現(xiàn)銹蝕損傷時(shí)的應(yīng)變。在受壓屈曲效應(yīng)下，通過(guò)下式表示鋼筋的本構(gòu)關(guān)系

(5)

2.2 混凝土保護(hù)層本構(gòu)分析

鋼筋銹蝕的過(guò)程在物理層面上可以表示為材料體積膨脹的過(guò)程，此時(shí)損傷在鋼筋上不斷積累，混凝土保護(hù)層在體積膨脹的過(guò)程中會(huì)出現(xiàn)剝落或開(kāi)裂的現(xiàn)象[8，9]。通過(guò)下式計(jì)算混凝土保護(hù)層出現(xiàn)銹蝕損傷后的受壓強(qiáng)度f(wàn)cc，cor

fcc，cor=fcc/(1+ε1K/εco)

(6)

式中，fcc描述的是混凝土未出現(xiàn)鐵銹損傷時(shí)對(duì)應(yīng)的受壓強(qiáng)度；εco代表的是混凝土沒(méi)出現(xiàn)損傷時(shí)的應(yīng)變；系數(shù)K與鋼筋直徑和粗糙度相關(guān)；ε1代表的是混凝土開(kāi)裂后對(duì)應(yīng)的平均拉伸應(yīng)變，其表達(dá)式如下

ε1=bf/bo-1

(7)

式中，bf代表的是構(gòu)件在損傷開(kāi)裂狀態(tài)下的截面寬度；bo代表的是構(gòu)件在未損傷狀態(tài)下對(duì)應(yīng)的初始截面寬度。通過(guò)下式描述截面在銹蝕損傷前后的變化情況

wcrnbars=bf-bo

(8)

式中，nbars代表的是鋼筋在受壓區(qū)內(nèi)存在的數(shù)量；wcr=2πvrsx-2πx描述的是裂縫總寬度，其中vrs代表的是銹蝕損傷狀態(tài)下鋼筋對(duì)應(yīng)的膨脹系數(shù)。

2.3 黏結(jié)滑移分析

針對(duì)混凝土與銹蝕鋼筋之間存在的黏結(jié)滑移效應(yīng)，銹蝕損失混凝土結(jié)構(gòu)抗震性數(shù)值模擬方法采用黏結(jié)滑移模型進(jìn)行分析[10，11]?；炷梁弯摻钪g存在的黏結(jié)滑移性能受保護(hù)層混凝土和箍筋約束效應(yīng)的影響。在CEB-FIP規(guī)范中黏結(jié)滑移存在“未約束”和“完全約束”兩個(gè)極端狀態(tài)?？v向受力的鋼筋在實(shí)際工程結(jié)構(gòu)中通常介于兩個(gè)極限狀態(tài)之間，屬于“部分約束”狀態(tài)?？v向受力鋼筋在銹蝕鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)中的約束狀態(tài)通常受鋼筋銹蝕率的影響，用τb表示部分約束狀態(tài)的差值，可通過(guò)下式計(jì)算得到

τb=τb，unconf-kcorτb，unconf+kcorτb，conf

(9)

式中，參數(shù)kcor通常由實(shí)際情況決定；參數(shù)τb，unconf、τb，conf可通過(guò)CEB-FIP規(guī)則計(jì)算得到。

根據(jù)滑移軸方向混凝土-鋼筋黏結(jié)滑移本構(gòu)關(guān)系的位移量Δs=8.1x獲得最終的本構(gòu)關(guān)系。

3 有限元模型

銹蝕損傷混凝土結(jié)構(gòu)抗震性能數(shù)值模擬方法采用ANSYS軟件[12，13]構(gòu)建有限元模型，有限元模型的加載方式如圖1所示。

圖1 加載制度曲線

1)鋼筋單元

對(duì)混凝土在地震作用下的受力特點(diǎn)進(jìn)行分析，采用三維桿單元Link8軟件根據(jù)受力分析結(jié)果在有限元模型中構(gòu)建鋼筋單元，有限元模型中的單元都對(duì)應(yīng)兩個(gè)節(jié)點(diǎn)，每個(gè)節(jié)點(diǎn)在x、y、z方向中都存在三個(gè)不同的位移自由度，在數(shù)值模擬過(guò)程中單向壓縮和單向拉伸主要由節(jié)點(diǎn)單元承受。

2)混凝土單元

八節(jié)點(diǎn)實(shí)體單元Solid65Z在ANSYS軟件中可以構(gòu)建分離式和整體式有限元模型，對(duì)混凝土在數(shù)值模擬過(guò)程中的壓碎和開(kāi)裂進(jìn)行模擬。在數(shù)值模擬過(guò)程中不對(duì)混凝土的壓碎進(jìn)行考慮，采用位移-荷載曲線對(duì)混凝土在數(shù)值模擬過(guò)程中的軟化進(jìn)行分析，并通過(guò)彌散裂縫模型[14，15]對(duì)混凝土的開(kāi)裂情況進(jìn)行分析。

3)加載方式

采用單側(cè)靜力推覆分析[16]根據(jù)加載制度獲得有限元模型的位移-荷載曲線，并通過(guò)R.PARK法對(duì)混凝土構(gòu)件的屈服位移進(jìn)行計(jì)算，采用位移控制加載方式對(duì)柱子的滯回曲線進(jìn)行模擬，將屈服位移設(shè)置為有限元模型的初始位移。

4 抗震性能數(shù)值模擬

為了分析銹蝕環(huán)境下?lián)p傷混凝土結(jié)構(gòu)抗震性能，在圖2所示的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)進(jìn)行抗震測(cè)試。

應(yīng)用于購(gòu)物中心、連鎖品牌店、通信營(yíng)業(yè)廳、超市等線下零售場(chǎng)景。幫助企業(yè)統(tǒng)計(jì)消費(fèi)者人數(shù)、把握消費(fèi)者屬性、了解消費(fèi)行為，為企業(yè)經(jīng)營(yíng)管理者決策提供大數(shù)據(jù)支持。

圖2 實(shí)驗(yàn)測(cè)試平臺(tái)

運(yùn)用該平臺(tái)對(duì)受銹蝕的混凝土結(jié)構(gòu)施加壓力，模擬地震作用力，將模擬結(jié)果輸入至采用ANSYS軟件中進(jìn)行處理，分析混凝土結(jié)構(gòu)抗震性能。

4.1 參數(shù)設(shè)置

經(jīng)調(diào)查發(fā)現(xiàn)，受力鋼筋周?chē)嬖诘幕炷廉?dāng)鋼筋界面損失率為20%時(shí)已經(jīng)開(kāi)始脫落，因此，銹蝕損傷混凝土結(jié)構(gòu)抗震性能數(shù)值模擬方法進(jìn)行數(shù)值模擬時(shí)，將鋼筋截面損失率設(shè)置為20%以內(nèi)，具體參數(shù)如表1所示。

表1 銹蝕鋼筋混凝土參數(shù)

銹蝕鋼筋在數(shù)值模擬分析過(guò)程中的力學(xué)性能如表2所示。

表2 縱筋在不同銹蝕率條件下的參數(shù)

4.2 性能分析

1)銹蝕率與混凝土結(jié)構(gòu)抗震性能的關(guān)系

獲得不同鋼筋銹蝕率條件下有限元模型的滯回曲線，如圖3-圖5所示。

圖3 未銹蝕和5%銹蝕率的滯回曲線

圖4 7%銹蝕率和10%銹蝕率的滯回曲線

圖5 15%銹蝕率和20%銹蝕率的滯回曲線

分析圖3、圖4和圖5可知，未發(fā)生銹蝕損傷的柱子與發(fā)生銹蝕損傷的柱子相比，其曲線呈弓形，較為飽滿，表明該混凝土鋼筋的抗震性能較高，曲線逐漸變?yōu)榉磗型，表明柱子在混凝土結(jié)構(gòu)中的抗震性能變?nèi)酢?/p>

2)柱子承載力與銹蝕率之間的關(guān)系

結(jié)合圖3、圖4和圖5獲得每圈滯回環(huán)峰值在不同銹蝕率下的荷載下降規(guī)律，如表3和表4所示。

表3 正向荷載變化

表4 負(fù)向荷載變化

分析表3和表4中的數(shù)據(jù)可知，柱子承載力與銹蝕率之間成反比關(guān)系，與后幾圈的峰值承載力相比，第一圈的峰值承載力較小，造成這種現(xiàn)象的主要原因是柱子在加載初期產(chǎn)生的損傷較小，降低了其承載力。

3)銹蝕率與承載力之間的關(guān)系

混凝土試件的各項(xiàng)力學(xué)性能在受力過(guò)程中的變化情況均可通過(guò)骨架曲線得以反映，通過(guò)骨架曲線可以衡量混凝土結(jié)構(gòu)或構(gòu)件的抗震性能，不同銹蝕率下混凝土滯回曲線峰值點(diǎn)構(gòu)成的骨架線如圖6所示。

圖6 柱子骨架曲線

對(duì)圖6進(jìn)行分析可知：

銹蝕率與承載力之間成反比關(guān)系，隨著銹蝕率的增加承載力逐漸減小，表明銹蝕率對(duì)承載力會(huì)產(chǎn)生較大的影響，承載力的下降幅度與銹蝕率之間成正比關(guān)系，承載力的下降幅度隨著銹蝕率的增加不斷增加。從線性段開(kāi)始，柱子損傷程度逐漸增加，進(jìn)入非線性強(qiáng)化段，表明構(gòu)件隨著損傷程度的增大逐漸達(dá)到峰值荷載，構(gòu)件的延性隨著骨架曲線斜率的降低而減小，表明此時(shí)構(gòu)件的變形能力變?nèi)酢?/p>

4)剛度退化分析

混凝土裂縫在反復(fù)荷載作用下不斷加大，構(gòu)件剛度在荷載作用下出現(xiàn)退化，在加載過(guò)程中針對(duì)構(gòu)件的剛度退化特性，銹蝕損傷混凝土結(jié)構(gòu)抗震性能數(shù)值模擬方法通過(guò)割線剛度進(jìn)行表示，用Ki表示第i級(jí)加載時(shí)構(gòu)件的割線剛度，可通過(guò)下式計(jì)算得到

(10)

根據(jù)上述公式獲得柱子在不同銹蝕率下的剛度退化結(jié)果，如圖7所示。

圖7 剛度退化結(jié)果

分析圖7可知，在試件加載初期銹蝕柱子的剛度在短時(shí)間內(nèi)衰減，試件剛度在加載中期和后期的衰減速度變慢，出現(xiàn)銹蝕損傷柱子對(duì)應(yīng)的剛度與未出現(xiàn)銹蝕損傷的柱子相比，其剛度在短時(shí)間內(nèi)不斷下降，剛度在達(dá)到極限荷載以后的衰減變?yōu)槠骄?。出現(xiàn)銹蝕的柱子剛度與未出現(xiàn)銹蝕的柱子剛度相比，衰減速度隨著銹蝕程度的增加不斷加快，表明當(dāng)柱子剛度的退化在不同銹蝕率下呈現(xiàn)非線性。

5 結(jié)束語(yǔ)

在長(zhǎng)期使用過(guò)程中鋼筋混凝土?xí)霈F(xiàn)材料劣化的現(xiàn)象包括混凝土碳化和鋼筋銹蝕等，當(dāng)材料出現(xiàn)劣化現(xiàn)象時(shí)其結(jié)構(gòu)性能變差。在土木工程領(lǐng)域中鋼筋混凝土的結(jié)構(gòu)耐久性是專(zhuān)家和學(xué)者研究的熱點(diǎn)，在鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)中，鋼筋銹蝕是主要原因，容易導(dǎo)致結(jié)構(gòu)耐久性失效，鋼筋銹蝕是土木工程中常見(jiàn)的問(wèn)題，鋼筋銹蝕容易降低混凝土結(jié)構(gòu)的整體性能，在地震作用下導(dǎo)致混凝土整體結(jié)構(gòu)被破壞，因此對(duì)銹蝕損傷混凝土結(jié)構(gòu)的抗震性能進(jìn)行分析，可以提高整體結(jié)構(gòu)的抗震性和穩(wěn)定性，具有重要意義。