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近海大氣環境下鋼筋混凝土結構抗震性能試驗研究 版權信息
- ISBN:9787030720122
- 條形碼:9787030720122 ; 978-7-03-072012-2
- 裝幀:一般膠版紙
- 冊數:暫無
- 重量:暫無
- 所屬分類:>>
近海大氣環境下鋼筋混凝土結構抗震性能試驗研究 內容簡介
近海大氣環境中,氯離子侵蝕引發的在役鋼筋混凝土結構抗震性能時變退化特性,加劇了沿海城市建筑結構的地震災害風險。探明該環境下鋼筋混凝土構件與結構的抗震性能退化規律,并建立其數值分析模型,是提升沿海城市建筑結構震害抵御能力、降低地震災害風險的重要前提。本書首先通過人工氣候環境模擬技術模擬近海大氣環境,對箍筋約束混凝土,鋼筋混凝土框架梁、柱、節點和剪力墻構件進行加速腐蝕試驗,進而進行靜力及擬靜力加載試驗,系統研究不同設計參數下銹蝕箍筋約束混凝土的力學性能退化規律,以及各類銹蝕鋼筋混凝土構件的抗震性能退化規律,在此基礎上,結合試驗結果和國內外既有研究成果,建立銹蝕箍筋約束混凝土本構模型及各類銹蝕鋼筋混凝土構件的宏觀恢復力模型,以期為近海大氣環境下在役鋼筋混凝土結構數值模擬分析及抗震性能評估與提升提供理論基礎。 本書可供土木工程專業及地震工程、結構工程、防災減災工程及防護工程領域的研究、設計和施工人員,以及高等院校相關專業或領域的師生參考。
近海大氣環境下鋼筋混凝土結構抗震性能試驗研究 目錄
前言
第1章 緒論 1
1.1 研究背景及研究意義 1
1.2 國內外研究現狀 3
1.2.1 氯離子擴散及鋼筋銹蝕模型研究現狀 3
1.2.2 銹蝕RC構件抗震性能研究現狀 5
1.2.3 恢復力模型研究現狀 7
1.3 本書研究內容 8
參考文獻 9
第2章 銹蝕箍筋約束混凝土軸壓性能試驗研究 14
2.1 引言 14
2.2 試驗內容及過程 14
2.2.1 試件設計 14
2.2.2 材料力學性能 16
2.2.3 加速腐蝕試驗方案 17
2.2.4 靜力加載及量測方案 20
2.3 試驗現象及結果分析 20
2.3.1 腐蝕效果及現象描述 20
2.3.2 試件破壞特征分析 21
2.3.3 約束混凝土應力-應變曲線 24
2.4 本構模型建立 30
2.4.1 形狀系數的確定 31
2.4.2 峰值應力與峰值應變的確定 33
2.5 模型驗證 34
2.6 本章小結 36
參考文獻 37
第3章 銹蝕RC框架梁抗震性能試驗研究 39
3.1 引言 39
3.2 試驗內容及過程 39
3.2.1 試件設計 39
3.2.2 材料力學性能 41
3.2.3 加速腐蝕試驗方案 41
3.2.4 擬靜力加載及量測方案 42
3.3 試驗現象及結果分析 43
3.3.1 腐蝕效果及現象描述 43
3.3.2 試件破壞特征分析 44
3.3.3 滯回曲線 47
3.3.4 骨架曲線 49
3.3.5 剛度退化 51
3.3.6 耗能能力 52
3.4 銹蝕RC框架梁恢復力模型建立 55
3.4.1 恢復力模型選取 55
3.4.2 未銹蝕RC框架梁恢復力模型 58
3.4.3 銹蝕RC框架梁恢復力模型 61
3.4.4 恢復力模型驗證 63
3.5 本章小結 66
參考文獻 66
第4章 銹蝕RC框架柱抗震性能試驗研究 69
4.1 引言 69
4.2 試驗內容及過程 69
4.2.1 試件設計 69
4.2.2 材料力學性能 72
4.2.3 加速腐蝕試驗方案 72
4.2.4 擬靜力加載及量測方案 72
4.3 試驗現象及結果分析 74
4.3.1 腐蝕效果及現象描述 74
4.3.2 試件破壞特征分析 76
4.3.3 滯回曲線 78
4.3.4 骨架曲線 82
4.3.5 變形能力 85
4.3.6 剛度退化 86
4.3.7 強度衰減 89
4.3.8 耗能能力 91
4.4 銹蝕RC框架柱恢復力模型建立 94
4.4.1 銹蝕RC框架柱恢復力模型建立思路 94
4.4.2 RC框架柱的彎曲恢復力模型 95
4.4.3 RC框架柱的剪切恢復力模型 102
4.4.4 恢復力模型驗證 108
4.5 本章小結 114
參考文獻 115
第5章 銹蝕RC框架節點抗震性能試驗研究 118
5.1 引言 118
5.2 試驗內容及過程 118
5.2.1 試件設計 118
5.2.2 材料力學性能 120
5.2.3 加速腐蝕試驗方案 120
5.2.4 擬靜力加載及量測方案 121
5.3 試驗現象及結果分析 123
5.3.1 腐蝕效果及現象描述 123
5.3.2 試件破壞特征分析 125
5.3.3 滯回曲線 127
5.3.4 骨架曲線 128
5.3.5 剛度退化 130
5.3.6 耗能能力 131
5.3.7 節點核心區抗剪性能 133
5.4 銹蝕RC框架節點剪切恢復力模型建立 136
5.4.1 未銹蝕RC框架節點剪切恢復力模型 136
5.4.2 銹蝕RC框架節點剪切恢復力模型 139
5.4.3 恢復力模型驗證 140
5.5 本章小結 143
參考文獻 144
第6章 銹蝕RC剪力墻抗震性能試驗研究 145
6.1 引言 145
6.2 試驗內容及過程 145
6.2.1 試件設計 145
6.2.2 材料力學性能 148
6.2.3 加速腐蝕試驗方案 148
6.2.4 擬靜力加載及量測方案 149
6.3 試驗現象及結果分析 151
6.3.1 腐蝕效果及現象描述 151
6.3.2 試件破壞特征分析 153
6.3.3 滯回曲線 158
6.3.4 骨架曲線 162
6.3.5 變形能力 166
6.3.6 強度衰減 168
6.3.7 剛度退化 170
6.3.8 耗能能力 172
6.4 銹蝕低矮RC剪力墻恢復力模型建立 174
6.4.1 銹蝕低矮RC剪力墻宏觀恢復力模型 174
6.4.2 銹蝕低矮RC剪力墻剪切恢復力模型 188
6.5 銹蝕高RC剪力墻恢復力模型的建立 193
6.5.1 銹蝕高RC剪力墻宏觀恢復力模型 193
6.5.2 銹蝕高RC剪力墻剪切恢復力模型 202
6.6 本章小結 204
參考文獻 206
近海大氣環境下鋼筋混凝土結構抗震性能試驗研究 節選
第1章 緒論 1.1 研究背景及研究意義 2004年蘇門答臘地震后,全球進入地震高發期,我國作為典型的地震多發國家,同樣進入了新的地震活躍期,這為我國防震減災工作帶來了嚴峻考驗。據不完全統計,進入21世紀以來,我國僅6.5級以上的大地震就發生了十余次,不僅給人民生命財產安全帶來了巨大損失,也對我國經濟和社會發展產生了巨大沖擊[1]。地震的發生不可避免,但其造成的后果卻是可控的。2011年4月,世界著名地震工程學家羅伯特 蓋勒在《自然》雜志撰文呼吁日本政府公開承認“地震不可預測”,把更多精力投入到地震對策上來[2]。美國科羅拉多大學的地震工程學家也曾指出:“造成傷亡的是建筑物本身,而不是地震。”[3]因此,提升建筑結構的抗震能力,是減輕地震災害的根本方法。 科學全面認識建筑結構的抗震性能,是有效提升其抗震能力的重要前提。近年來,隨著性能化抗震理念的不斷深入,世界地震工程學界針對建筑結構抗震性能開展了大量研究,取得了豐碩成果,有力推動了建筑結構抗震能力提升。然而,值得指出的是,上述研究成果大都是針對新建建筑結構提出的,顯然忽略了既有建筑結構耐久性損傷引發的抗震性能時變退化特性,這意味著建筑結構在服役一定時間后,其抗震能力將有可能不再滿足規范要求,存在一定的安全隱患。而我國大中城市中,20世紀80年代后興建的鋼筋混凝土(reinforced concrete,RC)框架、框架剪力墻、剪力墻和框架核心筒結構等既有建筑,作為人們生活和生產的主要場所,已暴露出明顯的耐久性損傷問題。2008年汶川地震的震害統計資料[4](表1.1)表明,建造時期較早的建筑結構在同等強度地震作用下的破壞情況較為嚴重,不僅是早期建筑結構的抗震設防水平較差所致,還包括早期建筑在使用過程中由于耐久性損傷導致的抗震性能退化。因此,為減輕城市建筑結構地震災害風險,有必要對發生耐久性損傷的在役RC結構的抗震性能展開研究。 1991年,Mehta教授在第二屆混凝土耐久性國際學術會議上作的題為“混凝土耐久性——50年進展”的主題報告中指出[5],“當今世界,造成RC結構性能退化的原因按重要性排列為:混凝土中的鋼筋銹蝕,寒冷氣候下的凍害,侵蝕環境的物理化學作用。”可見,混凝土中的鋼筋銹蝕是導致RC結構耐久性損傷與抗震性能退化的主要原因。據統計,世界各國RC結構中,因鋼筋銹蝕問題產生的工程結構維護費用高達1000億美元[6];美國1975年到1995年期間,由鋼筋銹蝕引發的經濟損失從300億美元上升到了1500億美元[7];《中國腐蝕調查報告》指出,我國每年由鋼筋銹蝕引發的經濟損失可達1000億元[8]。巨大的經濟損失背后,暗示著鋼筋銹蝕問題已在我國乃至世界各國既有RC結構中廣泛存在,不容忽視。表1.1汶川地震的震害統計資料[4] 建造年代可以使用/%加固后使用/%停止使用/%立即拆除/%1978年前10398431979~1988年353313181989~2001年40311614注:數據合計非100%為四舍五入造成,原資料數據如此。 近海大氣環境中的氯離子侵蝕是造成混凝土中鋼筋銹蝕的首要原因。我國擁有漫長的海岸線,沿海城市中的大量在役RC結構不僅長期面臨地震災害威脅,還同時遭受服役環境中氯離子侵蝕作用影響。據調查,距我國海岸線500m處的RC結構,每年每平方米吸附的氯離子質量高達10.771g[9],且該環境中較高水平的空氣濕度與溫度,進一步加速了氯離子侵蝕速率,因此隨著時間推移,越來越多近海大氣環境中的RC結構將會出現不同程度的鋼筋銹蝕問題。圖1.1給出了近海大氣環境下在役RC結構中鋼筋銹蝕實例。 圖1.1 近海大氣環境下在役RC結構中鋼筋銹蝕實例 混凝土中鋼筋銹蝕不僅會削弱縱向受力鋼筋的有效截面面積,銹蝕產物膨脹還會導致混凝土保護層沿鋼筋軸向銹脹開裂,削弱鋼筋與混凝土間黏結性能,箍筋銹蝕還會減小其對核心區混凝土的約束作用[10],氯離子侵蝕造成的鋼筋坑蝕,還將導致鋼筋中出現應力集中現象,從而引發RC結構力學與抗震性能不同程度的退化,并加劇沿海城市建筑結構的地震災害風險。在此背景下,為有效提升近海大氣環境下在役RC結構的震害抵御能力,降低沿海城市的地震災害風險,研究揭示近海大氣環境下RC結構的抗震性能退化規律,建立其數值模擬分析方法十分必要和迫切。 鑒于此,本書首先通過人工氣候環境模擬技術模擬近海大氣環境,對RC框架梁、柱、節點及剪力墻進行加速腐蝕試驗,進而進行擬靜力加載試驗,系統研究其抗震性能退化規律,并在此基礎上結合理論分析,研究建立各類RC構件的宏觀恢復力模型,以期為近海大氣環境下在役RC結構數值建模分析及抗震性能評估與提升提供理論支撐。 1.2 國內外研究現狀 1.2.1 氯離子擴散及鋼筋銹蝕模型研究現狀 研究混凝土中氯離子擴散規律,建立氯離子擴散模型,是研究揭示近海大氣環境下銹蝕RC構件與結構抗震性能時變退化規律的基礎。1972年,Collepardi等[11]基于Fick第二定律提出的氯離子擴散系數計算方法,為氯離子擴散理論研究奠定了堅實基礎。此后,各國學者以該理論為基礎,結合試驗與觀測數據,考慮不同因素影響,建立了多種氯離子侵蝕模型。例如,Bentz等[12]考慮氯離子濃度時變性及其與水化物的結合作用,建立了一種有限差分的氯離子侵蝕模型;Onyejekwe等[13]考慮溫度與時間對氯離子擴散的影響,采用格林函數法建立了氯離子擴散模型。余紅發等[14]考慮結構微觀缺陷、氯離子結合能力和擴散系數時變性等的影響,建立了修正的氯離子擴散模型。吳相豪等[15]在已有研究基礎上,綜合考慮擴散系數的時變性、氯離子結合能力、水灰比和應力狀態等的影響,建立了修正的氯離子擴散計算模型。 氯離子擴散進入混凝土內部后,將會破壞混凝土內部堿性環境,進而破壞鋼筋表面鈍化膜,引發鋼筋銹蝕,并導致結構抗震性能退化。近海大氣環境下,混凝土內部鋼筋銹蝕過程主要分為四個階段[16](圖1.2):①氯離子傳輸階段;②鋼筋去鈍化及銹蝕產物生成階段;③保護層混凝土開裂階段;④保護層混凝土剝落階段。由此可以看出,氯離子傳輸階段時,鋼筋未發生銹蝕,結構抗力并未發生退化;當氯離子濃度達到臨界氯離子濃度時,鋼筋去鈍化發生,開始銹蝕,產生銹蝕產物,結構抗力開始退化;隨著鋼筋銹蝕產物不斷累積膨脹,沿鋼筋四周形成放射型微裂縫,不斷向構件表面延伸直至混凝土保護層開裂,導致氯離子滲透速率增加,鋼筋銹蝕加快,結構抗力退化加劇;隨銹脹裂縫寬度不斷增加,構件角部混凝土保護層開始剝落,鋼筋裸露,進一步加速了鋼筋的銹蝕,結構抗力退化直至無法滿足抗震要求。 圖1.2 RC結構鋼筋銹蝕過程 揭示并表征鋼筋銹蝕程度時變規律及銹蝕鋼筋力學性能退化規律,建立鋼筋銹蝕程度預測模型及銹蝕鋼筋本構模型參數標定方法,是量化RC結構抗震性能退化規律的基礎。國內外學者通過試驗研究與理論分析,建立了多種鋼筋銹蝕程度預測模型。例如,Morinaga等[17]基于大量試驗結果,考慮溫度、濕度、氧氣濃度及氯離子含量等環境條件影響,建立了氯離子侵蝕環境下鋼筋銹蝕程度預測模型。Bazant[18]基于化學反應動力學和電化學腐蝕原理,提出了海洋環境下鋼筋銹蝕程度計算模型。肖從真[19]基于法拉第定律,建立了陰極反應控制的鋼筋銹蝕程度計算模型,并根據試驗結果進行了修正。牛荻濤等[20]基于腐蝕電化學理論,考慮環境濕度影響,建立了保護層開裂前后鋼筋銹蝕程度計算模型。Vidal等[21]通過對自然環境下放置的RC梁構件裂縫寬度進行連續17年的觀測,建立了鋼筋銹蝕率與銹脹裂縫寬度間的量化關系。吳鋒等[22]以銹蝕RC梁為研究對象,建立了基于銹脹裂縫寬度的鋼筋銹蝕率量化模型,并通過與試驗結果對比,驗證了模型的準確性。 此外,為量化表征銹蝕鋼筋的力學性能退化規律,袁迎曙等[23]基于試驗研究結果,建立了銹蝕鋼筋名義屈服強度、名義極限強度和延伸率與鋼筋質量損失率間的量化關系。王雪慧等[24]基于氯離子侵蝕下鋼筋銹蝕的試驗結果指出,鋼筋的坑蝕現象將導致銹蝕鋼筋的截面面積損失率大于質量損失率,并建立了銹蝕鋼筋截面面積損失率與質量損失率的關系。惠云玲[25]根據試驗結果,提出了銹蝕鋼筋屈服強度、極限強度及伸長率的計算模型。上述模型的建立,為揭示表征近海大氣環境下在役RC結構抗震性能退化規律提供了一定的理論支撐,但銹蝕鋼筋力學性能退化規律并不能全面反映銹蝕RC構件與結構的抗震性能退化規律,因此開展銹蝕RC構件與結構抗震性能研究仍十分必要。 1.2.2 銹蝕RC構件抗震性能研究現狀 1. 銹蝕RC受彎構件 受彎構件作為RC結構中主要受力構件,受氯離子侵蝕后其力學性能退化將直接影響RC結構的整體抗震性能。國內外學者對銹蝕RC受彎構件的抗震性能開展了一些研究。例如,Al-Sulaimani等[26]基于不同銹蝕程度RC梁的試驗結果,建立了RC梁受彎承載力與鋼筋銹蝕率的相關關系。Torres-Acosta等[27,28]通過10根銹蝕RC框架梁試件的擬靜力加載試驗,研究了鋼筋銹蝕程度對梁抗彎剛度的影響規律;此后,進一步研究了鋼筋銹蝕對RC框架梁抗彎承載力的影響規律,結果表明:鋼筋*大坑蝕深度是造成RC框架梁抗彎承載力降低的*主要因素。Du等[29]基于銹蝕RC梁的單調加載試驗結果指出,鋼筋銹蝕不僅降低了RC梁的抗彎承載力,還改變了其破壞模式,并降低了其延性。Rodriguez等[30]基于電化學腐蝕下銹蝕RC梁的靜力加載試驗指出,鋼筋銹蝕不僅降低了RC梁的抗彎剛度和抗彎承載力,還會導致其破壞模式由彎曲破壞向剪切破壞轉變。Ou等[31]基于大尺寸銹蝕RC梁的低周往復加載試驗發現,鋼筋銹蝕將改變RC梁的破壞模式。黃振國等[32]基于服役結構拆除的9榀RC梁構件的靜力加載試驗,分析了鋼筋銹蝕程度對RC梁破壞形態影響規律。蔡立倫[33]通過銹蝕RC梁的靜力加載試驗指出,箍筋銹蝕將降低其對核心混凝土的約束作用,導致銹蝕RC梁的抗剪承載力削弱,剪切變形增大,破壞模式改變。 在試驗研究基礎上,國內外學者還通過理論與數值模擬分析,研究了銹蝕RC受彎構件的抗震性能退化規律。例如,袁迎曙等[34]考慮銹蝕鋼筋力學性能及鋼筋與混凝土黏結性能退化,建立了銹蝕RC梁數值模型,并通過模擬分析得到銹蝕RC梁承載力、延性、變形能力隨鋼筋銹蝕率的變化規律,建立了銹蝕RC梁性能退化模型。Val[35]通過理論分析,分別研究了一般銹蝕和坑蝕對RC梁抗彎和抗剪承載力及其可靠度的影響規律。結果表明,鋼筋銹蝕,特別是坑蝕,對RC梁的可靠度具有顯著影響。Cui等[36]通過減小鋼筋截面面積、削弱鋼筋與混凝土材料力學性能及兩者間黏結性能,以考慮鋼筋銹蝕影響,建立了銹蝕RC梁的三維有限元模型,并分析了配筋率和鋼筋銹蝕程度對RC梁力學性能的影響。Elghazy等[37]通過建立三維有限元模型,對纖維增強復合材料(fiber reinforced polymer,FRP)增強銹蝕RC梁進行受彎性能分析,并將模擬得到的梁試件的承載力、荷載位移曲線等與試驗值進行對比,驗證了所建立的數值分析模型的準確性。楊成等[38]采用有限元方法模擬箍筋銹斷導致的錨固失效和黏結退化,對銹斷位置呈不同分布的RC梁的受剪性能進行了研究。 2. 銹蝕RC壓彎構件 壓彎構件是RC結構中的主要承重與抗側力構件,其抗震性能的優劣將直接影響RC結構整體抗震性能。近年來,國內外學者對氯離子侵蝕下銹蝕RC壓彎構件的抗震性能進行了部分研究,例如,陶峰等[39]基于20根電化學腐蝕壓彎構件的靜力加載試驗發現,鋼筋銹蝕率小于15%時,壓彎構件的截面平均應變仍近似符合平截面假定,但鋼筋銹蝕將導致構件的極限承載力和延性降低。楊滿[40]對實際工程中使用21年的RC柱進行低周反復加載試驗,分析了軸壓和鋼筋銹蝕程度對RC柱抗震性能影響規律。王學民[41]通過三種
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