锈蚀钢筋混凝土构件恢复力模型研究现状

锈蚀钢筋混凝土构件恢复力模型研究现状

摘要：现役结构在长期的使用过程中，由于坏境等因素的影响，必将产生一定程度的损伤，其中最常见的是钢筋锈蚀，使结构的抗震性能产生退化。我国是一个地震多发国家，研究现役结构的抗震性能评估显得非常迫切。在结构地震反应分析中,结构恢复力模型及其参数的取值是一项十分关键的基础工作,对计算结果有重要的影响,具有重要的理论意义与实用价值.笔者将归纳总结锈蚀钢筋混凝土构件恢复力模型的发展状况 ,为恢复力模型的研究提出一些建议。

关键词：锈蚀；钢筋混凝土构件；恢复力模型

1.钢筋混凝土恢复力模型研究现状

由于钢筋混凝土结构在大震作用下将进入非线性状态 ,其内力和变形、 混凝土的裂缝和钢筋的屈服都是往复变化的.为了进行地震进程中构件受力性能全过程的动力分析 ,必须建立反复荷载作用下结构或构件的恢复力与变形的关系曲线 ,即恢复力模型。

钢筋混凝土结构实际恢复力曲线十分复杂，难以直接用于结构结构抗震分析，故需寻求能反映结构实际恢复力曲线特征也便于数学描述和实际工程应用的恢复力曲线。此即引出了恢复力模型问题。现有的恢复力模型是根据大量从试验中获得的恢复力与变形的关系曲线经适当抽象和简化而得到的实用数学型 ,是结构构件的抗震性能在结构弹塑性地震反应分析中的具体体现。

在过去的四十多年中 ,国内外地震工程界对各种钢筋混凝土构件滞回特性开展了大量的试验研究 ,提出了许多种恢复力模型。在结构的弹塑性地震反应分析中应用最为广泛的是双线性(Bi - linear)模型。该模型首次由 Penizen(1962)[1]根据钢材的试验结果提出 ,考虑了钢材的包辛格效应和应变硬化。为了反映钢筋混凝土框架在反复荷载作用下非线性阶段刚度退化的影响 ,Clough和Johnston(1966) [2]考虑再加载时刚度退化对双线性模型进行了改进 ,提出了退化双线性模型(Clough模型)。这是目前用得最广泛的两个恢复力模型，现在很多恢复力模型都是在这两个模型的基础上考虑新的因素加以修改。Saiidi(1982) [3]把Clough模型的简单化和 Takeda 模型的刚度退化特征结合起来 ,建立了一个既简便实用又能基本反应以弯曲变形为主的钢筋混凝土梁柱构件滞回特征的恢复力模型(Q - hyst Model) 。

我国对钢筋混凝土构件恢复力模型的研究始于唐山地震之后。同济大学朱伯龙(1978) [4]

率先对国外钢筋混凝土构件恢复力特性的试验研究进行了评述,此后我国学者在 20 世纪 80 年代对钢筋混凝土压弯构件的恢复力模型进行了大量的试验研究。卫云亭和李德成(1980)

[5]

在模拟钢筋混凝土排架柱(剪跨比为 8. 0和10. 0)低周反复荷载试验研究基础上提出了

骨架曲线为双折线 ,第二刚度与轴压比相关的压弯构件水平力- 位移恢复力模型。朱伯龙和张琨联(1981) [6]在中长柱(剪跨比为 6. 0)试验研究基础上 ,利用统计方法得到了骨架曲线为4折线和一系列标准滞回环 ,并且考虑卸载刚度退化的压弯构件水平力 - 位移恢复力模型。成文山和邹银生(1983) [7]在109根压弯构件(剪跨比为5. 14)试验研究基础上提出了考虑再加载定点指向和强度退化的恢复力模型。郭子雄和童岳生(1998) [8]在钢筋混凝土低矮抗震墙低周反复加载试验研究基础上提出了带边框低矮剪力墙的层间剪力 —层间位移恢复力模型。郭子雄和吕西林(2004) [9]在高轴压比框架柱(剪跨比为 3. 0)试验研究基础上 ,提出了能够同时考虑轴压比对骨架曲线和滞回规则影响的恢复力模型。

2. 锈蚀钢筋混凝土恢复力模型研究现状

钢筋锈蚀对钢筋混凝土结构性能的影响主要表现在三个方面:一是对钢筋而言，将减小其截面面积，使钢筋力学性能发生改变;二是对混凝土而言，由于钢筋锈蚀产物的体积膨胀使构件混凝土保护层纵向开裂，甚至剥落导致混凝土有效面积减小，使参与受拉的混凝土减小和受压区有效受压高度减少;三是对钢筋与混凝土之间的粘结作用，由于钢筋锈蚀后，在钢筋与混凝土的界面上生成疏松的锈蚀层降低了钢筋与混凝土之间的机械咬合力;此外混凝土保护层的开裂甚至剥落，也降低了外围混凝土对钢筋的约束作用。因此，钢筋与混凝土之间的粘结作用将随钢筋锈蚀的加剧而发生退化。

钢筋锈蚀后，钢筋混凝土结构的恢复力特性将发生退化，我国上世纪末开始了对锈蚀钢筋混凝土构件恢复力性能的研究。目前我国对锈蚀钢筋混凝土结构恢复力模型的研究较少，史庆轩对锈蚀钢筋混凝土压弯构件进行低周期反复荷载试验，对出了锈蚀构件的滞回曲线和骨架曲线。随构件钢筋锈蚀程度的增大，滞回曲线的丰满程度和滞回环面积的都逐渐减小，这说明构件的耗能能力和延性降低。贡金鑫[10]等对受腐蚀钢筋混凝土偏心受压构件进行低周反复荷载试验分析了钢筋锈蚀率对试件承载力、刚度、延性、耗能能力等的影响，给出了试件的骨架曲线和刚度衰减曲线。骨架曲线结果表明钢筋未锈蚀的试件在达到极限荷载之后，有较长的平直段，具有较好锈蚀试件随着钢筋锈蚀程度的增大，平直段逐渐变短，延性降低，脆性更为明显。并通过试验得到的滞回曲线与以Cloug模型为基础计算的滞回曲线比较分析了锈蚀钢筋混凝土构件恢复力模型。认为考虑锈蚀对钢筋截面面积的减少,受锈蚀钢

筋混凝土构件滞回曲线的骨架曲线,仍可按照一般钢筋混凝土构件的截面分析方法,通过计算P-f曲线来得到,但需将P-f曲线的变形f修正为fcorro（fcorro为受腐蚀钢筋混凝土构件的变形）。这种方法默认了锈蚀钢筋混凝土构件的恢复力模型与完好构件恢复力模型的形状是一样的。孙金坤[11]同样认为锈蚀钢筋混凝土柱的恢复力特性在骨架曲线的形式上与完好柱相同，只是模型参数不同。利用有限元分析结果，合理确定锈蚀钢筋混凝土梁柱的三线型恢复力模型的六个参数:屈服剪力Fy和屈服位移xy、极限剪力Fu和极限位移xcu、破坏剪力Fcu。和破坏位移及xcu。陈新孝[12]等等在一些试验结果的基础上,参考现有的研究成果,确定了退化三线形(D-TRI)模型中的各个参数，初步建立锈蚀钢筋混凝土压弯构件的恢复力模型。

3 研究存在的问题与展望

3. 1 适用性问题

目前锈蚀钢筋混凝土构件研究用到的恢复力模型一般都是在对某种特定受力状态或几何特征的试件进行试验研究的基础上提出的 ,因此往往只适用于某种特定几何条件和受力状态的构件 ,使用上存在较大局限性。在几个比较常用的模型中 ,Bi - linear模型和 Clough模型应用起来比较简单 ,但一般只适用于具有梭形滞回曲线的单纯受弯构件。Takeda 模型是钢筋混凝土结构弹塑性地震反应分析中应用最为广泛的模型，但没有考虑反复加载过程中的强度退化、裂缝张合造成的滞回环捏缩和纵向钢筋滑移等因素,因而不适合于那些轴压比较大、滑移变形成分较大和剪切变形成分较大的构件。 3. 2 对各种变形成分的合理模拟

结构总的弹塑性变形主要是由关键受力区域(比如塑性铰区)的弯曲变形、剪切变形以及纵向受力钢筋的粘结滑移所产生的变形组成。随着结构几何条件、内力组成和加载程序的不同 ,上述三个成分所起的作用将会发生改变。对于钢筋锈蚀严重的构件，纵向受力钢筋的粘结滑移所产生的变形的影响是不容忽视的，而目前国内外对此尚没有合理的考虑。 3. 3 多向地震输入下构件恢复力模型

大多数恢复力特性曲线都只能描述结构在单向单轴输入下的地震反应。而实际结构的地震输入往往是多方向的, 当结构遭遇地震荷载时,往往会发生受拉(受压)、弯曲、剪切和扭转等变形。构件在多向作用下的恢复力特性已经不能用简单的曲线描述 ,而必须建立恢复力的空间曲面关系。

3.4 加强其他损伤构件的恢复力模型研究

结构的损伤除了钢筋锈蚀之外还有混凝土碳化、混凝土脱落、结构开裂等，要综合考虑

这些因素的对构件变形能力和承载能力影响，提出适合这些构件的恢复力模型。 3.5 加强结构层次恢复力模型研究

现在关于构件的恢复力模型已经很多了，由于结构模型试验的成本较高，结构的损伤程度难以判定和模拟，国内外关于结构特别是损伤结构的恢复力模型鲜见报道。 3.6 加强与理论的结合

目前恢复力模型的简化缺乏有力的理论根据 ,试验研究和模型研究缺少紧密的联系.故应将模型与实验有机的结合起来,理论上有合理的解释 ,加强与 《建筑抗震设计规范》 ( GB50011 — 2001)的衔接,完善恢复力模型的研究. 3. 7 加强与工程实践联系

现有的大多数恢复力模型都是基于某些特定试件和实验条件获得的 ,不能反映诸多方面因素的影响,与实际工程的恢复力模型有相当大的出入,难以直接应用到实际工程中.因此需要根据工程的实际情况将模型进行适当的修正才能应用。 3.8 加强预应力结构的研究

PC结构在工程结构中应用越来越多，但是现有的恢复力模型都是适用于RC结构的，PC结构的抗震研究还很少。

参考文献：

[1] Penizen J. Dynamic response of elasto2 plastic frames[J] . Journal of Structural Division , ASCE , 1962 , 88(ST7):1322 – 1340

[2] Clough R W and Johnston S B. Effect of stiffness degradation on earthquake ductility requirements[A] . Proc. 2th Jappan Earth. Engng. Symp. [ C] .1966 , Tokyo Japan.

[3] Saiidi M. Hysteresis models for reinforced concrete[J]. Journal of Structural Division , ASCE ,1982 ,108 (ST5):1077 - 1087.

[4] 朱伯龙.钢筋混凝土构件恢复力特性的试验研究- 国外建筑抗震评述之十一[R] . 中国建筑科学研究院情报所,1978

[5] 卫云亭,李德成. 钢筋混凝土压弯构件恢复力特性的试验研究[J ] .西安冶金建筑学院学报,1980 ,22(4) :1 - 18.

[6] 朱伯龙,张琨联.矩形及环形截面压弯构件恢复力特性的研究[J ].同济大学学

报,1981 ,9(2) :1 - 10.

[7] 成文山,邹银生,等. 钢筋混凝土压弯构件恢复力特性的研究[J ] . 湖南大学学报,1983 ,10(4) :13 - 22.

[8] 郭子雄,童岳生,钱国芳. RC低矮抗震墙恢复力模型研究[J ] .西安建筑科技大学学报,1998 ,30(1) :25 - 28.

[9] 郭子雄,吕西林. 高轴压比下 RC框架柱恢复力模型试验研究[J ] . 土木工程学报,2004 ,37(5) :32 - 38.

[10] 贡金鑫，李金波，赵国藩.受腐蚀钢筋混凝土构件的恢复力模型[J].土木工程学报，2005(11):38-44

[11] 孙金坤.旧有钢筋混凝土框架结构地震作用延续使用寿命评定[D].硕士学位论文，武汉理工大学，2008，4

[12] 陈新孝,牛荻涛,王学民. 锈蚀钢筋混凝土压弯构件的恢复力模型[J].西安建筑科技大学学报，2005（2）：155-159

[13] 高菲,刘文锋,李春晖.钢筋混凝土压弯构件恢复力模型的研究[J].青岛理工大学学报，2008(2):40-45

[14] 郭子雄,杨勇.恢复力模型研究现状及存在问题[J].世界地震工程，2004(12):47-51 [15] 史庆轩，牛荻涛,颜桂云.反复荷载作用下锈蚀钢筋混凝土压弯构件恢复力性能的试验研究[J].地震工程与工程振动，2000(12):44-50

[16] 张培新.钢筋混凝土抗震结构非线性分析[M].北京：科学出版社，2003