锈蚀钢筋混凝土框架结构的抗震韧性评估.pdf
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1、第43卷第3期2023年6 月文章编号:10 0 0-130 1(2 0 2 3)0 3-0 0 2 3-12地震工程与工程振动EARTHQUAKE ENGINEERING AND ENGINEERING DYNAMICSVol.43 No.3Jun.2023D0I:10.13197/j.eeed.2023.0303锈蚀钢筋混凝土框架结构的抗震韧性评估邓鹏12,周锦鹏,黄频1(1.湖南大学土木工程学院,湖南长沙410 0 8 2;2.湖南大学建筑安全与节能教育部重点实验室,湖南长沙410 0 8 2)摘要:随着时间的增长,暴露于环境中的钢筋混凝土结构会不断地发生混凝土劣化和钢筋锈蚀,一旦发生地
2、震等灾害,将会给结构带来较大损伤。采用基于纤维梁单元的时变锈蚀损伤模型,综合考虑了钢筋混凝土的大部分潜在锈蚀损伤模式,包括钢筋截面损失和钢筋压缩屈曲效应的劣化、保护层混凝土和核心混凝土的退化、以及应变渗透效应劣化。在此基础上,对锈蚀钢筋混凝土框架结构的抗震韧性进行了评估。建立了该框架在未锈蚀状态和3种不同锈蚀程度下的OpenSees有限元模型,采用非线性静力分析,考虑腐蚀情况下结构的震前系统功能损失。并通过非线性时程分析获得地震易损性曲线,计算震后由钢筋混凝土结构损坏和相关停工时间引起的直接和间接损失。考虑了线性、三角和负指数等3种恢复函数,并根据结构的损坏程度确定了震后修复时间,计算了结构在
3、不同地震强度和锈蚀程度下的抗震韧性。结果表明,地震强度小于0.2 g时,抗震韧性基本保持不变,地震强度超过0.2 g时,结构抗震韧性曲线随着地震强度增加呈现明显的下降趋势,当地震强度达到0.8 g时,15%锈蚀率的结构抗震韧性降低到0.51;锈蚀率低于10%时,结构抗震韧性随着锈蚀程度增大而减小,但当锈蚀程度大于10%后,结构随着锈蚀率的增加,抗震韧性曲线基本保持重合。关键词:时变锈蚀模型;锈蚀钢筋混凝土框架;抗震韧性;地震易损性中图分类号:TU375.4文献标识码:AEvaluation of seismic resilience of corroded reinforced concret
4、e frame structureDENG Peng2,ZHOU Jinpeng,HUANG Pin(1.College of Civil Engineering,Hunan University,Changsha 410082,China;2.Key Laboratory of Building Safety and EnergyEfficiency of the Ministry of Education,Hunan University,Changsha 410082,China)Abstract:Reinforced concrete(RC)structures exposed to
5、the environment will continue to undergo concretedegradation and steel corrosion over time.Once disasters such as earthquakes occur,they will cause great damage tothe structure.In this study,a time-variant corrosion damage model based on fiber beam elements is utilized tocomprehensively consider the
6、 potential corrosion damage modes of RC frame structures,including losses of thereinforcement section and the compression buckling effect deterioration of the reinforcements,the degradation of theprotective layer concrete and the core concrete,and the deterioration of the strain penetration effect.O
7、n this basis,the seismic resilience of a corroded RC frame structure was evaluated.Finite element model of the frame in theuncorroded state and three different levels of corrosion was established via OpenSees.Nonlinear static analysis wasconducted to consider the functional loss of the structure bec
8、ause of corrosion.Then,the seismic fragility curves wereobtained through nonlinear time history analysis.Based on fragility curves,the direct and indirect losses caused bythe damage of the corroded RC frame structure and the related downtime after earthquakes were calculated.Threekinds of recovery f
9、unctions including linear,triangular and negative exponent function are considered,the post-收稿日期:2 0 2 1-12-17;修回日期:2 0 2 2-0 3-11基金项目:国家自然科学基金青年项目(5190 8 2 0 5);国家自然科学基金重大项目(52 0 90 0 8 2);江西省自然科学基金项目(S2020QNJB1234)Supported by:National Natural Science Foundation of China Youth Project(51908205);Na
10、tional Natural Science Foundation of China Major Project(52090082);Natural Science Foundation of Jiangxi Province(S2020QNJJB1234)作者简介:邓鹏(198 9),男,副教授,博士,主要从事结构抗震韧性评估及理论研究。E-mail:通讯作者:黄步频(198 2),男,教授级高工,博士,主要从事混凝土结构抗震设计及结构优化研究。E-mail:24earthquake repair time was determined according to the damage deg
11、ree of the structure.After that,the seismicresilience of the structure under different earthquake intensities and corrosion levels was calculated.The results showthat when the seismic intensity is less than 0.2 g,the seismic resilience remains basically unchanged,but after theseismic intensity excee
12、ds 0.2 g,the seismic resilience curve of the structure shows a significant downward trend withthe increase of earthquake intensity,when the seismic intensity reaches O.8 g,the seismic resilience of the structurewith 15%corrosion rate is reduced to 0.51;when the corosion rate is lower than 10%,the se
13、ismic resilience of thestructure decreases with the increase of the corrosion level,but when the corrosion degree is larger than 10%,theseismic resilience curves of the structure basically keep the same with the increase of the corrosion rate.Key words:time-varying corrosion model;corroded RC frame;
14、seismic resilience;seismic fragility地震工程与工程振动第43卷0引言地震是一种不可预知的自然灾害,具有随机性强、破坏性大等特点,因此,结构抗震设计理论一直是国内外研究的重点和热点。1995年,美国加州结构工程师协会提出了基于性能的抗震设计的理念,当地震发生时,旨在使结构的性能达到预期目标,其重点从“结构强度”转向“结构性能”2,以减少人员伤亡和直接经济损失3,但它忽略了由于基础设施中断而造成的间接损失。“基于韧性的抗震设计”是“基于性能的抗震设计”的进一步深化,它是从静态视角到动态视角的过渡,它不仅关注结构地震时抵抗地震的能力,也关注结构在地震后的快速恢复,
15、需要在满足结构性能要求的基础上提高其震后恢复能力4结构地震后的抗震韧性评估已经成为了当今的发展热点5-9。值得注意的是,对于钢筋混凝土结构,其结构会处于不断地劣化中,尤其是暴露于氯离子等腐蚀性环境中的钢筋混凝土结构,氯离子的存在会降低混凝土内部的氢离子浓度指数(pH)值,使得钢筋表面钝化膜遭受到破坏,使得钢筋性能降低10、钢筋与混凝土黏结性能恶化11-13,保护层混凝土开裂、剥落等。HANJARI 等14将锈蚀的影响模拟为受锈蚀钢筋和混凝土的几何形状和特性的变化,通过有限元分析评估了锈蚀钢筋混凝土梁力学性能和剩余承载力。GHANOONI-BAGHA 等15 将锈蚀的影响模拟为钢筋截面面积减小、
16、钢筋屈服强度和混凝土抗压强度降低,评估了四层框架在腐蚀情况中的抗震性能。BERTO等16 采用推覆分析研究锈蚀钢筋混凝土框架结构的抗震性能,考虑腐蚀情况下结构特性和性能破坏的三个方面:钢筋截面损失、钢筋力学性能劣化、保护层混凝土性能的恶化。XU等17 提出了一种新的锈蚀混凝土柱模型,该模型捕捉了锈蚀剪切临界柱的剪切强度下降和刚度退化等。罗小勇等18 通过5%NaCl溶液浸泡来模拟实际锈蚀的钢筋混凝土柱,利用8 根钢筋混凝土柱,研究了不同锈蚀率对结构抗震性能的影响。现阶段所提出的锈蚀模型大多数仅考虑钢筋混凝土强度和刚度方面的劣化,忽视了钢筋-混凝土黏结滑移的劣化等重要因素。混凝土框架结构是处于不
17、断锈蚀和老化的情况下,结构的抗震韧性是时变的。BIONDINI等19、CAMNASIO20通过采用非线性静力分析方法对一个处于锈蚀状态下的3层混凝土框架结构地震前的时变系统功能进行了量化,并对地震造成的功能损失、恢复函数等参数进行参数分析,量化了锈蚀结构的抗震韧性;MOTLAGH 等2 1 定义了处于劣化状态下结构的震前功能函数,并利用易损性分析计算了震后的函数损失。PANG等2 2 采用时变的抗震能力评价了地震前的功能损失,并提出了一种改进的云分析方法来计算锈蚀结构的地震易损性,将震前的时变功能函数纳入易损性分析来计算地震引起的函数损失,通过蒙特卡罗方法模拟了不同损伤状态下的功能恢复过程,对
18、一座单柱弯曲的双跨桥梁进行了韧性评估。大多数学者对时变韧性的研究取得了一定的进展,但是,对于锈蚀和地震两者对抗震韧性的耦合影响的研究较少。本文采用通过了实验数据验证的时变锈蚀模型,该模型考虑全面、计算快速而且准确度较高,考虑了框架结构保护层混凝土、核心区混凝土、钢筋受拉、受压和钢筋-混凝土之间的黏结滑移性能等五个方面的劣化。采用非线性静力分析,量化结构的时变抗震能力变化,计算由于锈蚀造成的系统功能损失;采用增量动力分析方法,计算结构由于地震造成的功能损失,综合考虑了由于锈蚀和地震造成的系统功能损失;利用恢复时间和恢复函数,对不同锈蚀率下的3层钢筋混凝土框架进行了抗震韧性评估。第3期邓鹏,等:锈
19、蚀钢筋混凝土框架结构的抗震韧性评估251抗震韧性1.1抗震韧性评估流程本文基于锈蚀钢筋混凝土框架模型对框架结构进行建模,利用非线性静力分析和非线性动力分析得到锈蚀框架结构地震下的系统功能损失,并基于地震强度和结构损伤状态确定结构恢复时间和恢复函数,结合锈蚀的系统功能曲线,对锈蚀框架结构韧性进行评估,评估流程图如图1所示。Lc混凝土模型钢筋模型应变渗透效应模型LsIRRC框架腐蚀模型非线性静力分析11000r800600400200100100200 300 400 500!顶部位移/mm非线性动力分析1008060-未锈蚀40锈蚀2000.40.81.2 1.62.0PGA/g一IL基于地震强
20、度和结构损伤恢复时间:合理时间、非合理时间恢复函数:线性、三角、负指数函数III功能损失Lc!Q(t)图1锈蚀钢筋混凝土结构抗震韧性评估流程图Fig.1 Flow chart of seismic resilience assessment of corroded reinforced concrete structures1.2锈蚀钢筋混凝土结构建模处于氯离子的环境下的钢筋混凝土结构,其混凝土和钢筋性能将受到劣化。本文主要考虑五个方面的劣化:混凝土核心区、混凝土保护层、钢筋受拉、钢筋受压和钢筋-混凝土黏结滑移。钢筋受拉时,锈蚀将会降低钢筋的屈服、极限强度及应变;钢筋受压时,钢筋的屈曲性能将受
21、到影响,导致受压极限强度降低。钢筋本构修正公式如式(1)式(4)所示:JyLcor=(1-A(t)f,fucor=(1-A(t)fu地震韧性R功能损失Ls1.00F1.00-未锈蚀0.80一锈蚀0.600.400.200.00I0.050.150.250.350.450.550.650.750.950.900.850.800.750.700.05 0.15 0.25 0.350.45 0.55 0.65 0.75PGA/g-未锈蚀锈蚀PGA/g(1)(2)26式中:f,、f u v s u r v f e 分别为钢筋受拉届服强度、受拉极限强度、受拉极限应变和受压极限强度;FaucorvJauc
22、or、au.cor、f y.c o r 分别为腐蚀状态下钢筋的受拉屈服强度、受拉极限强度、受拉极限应变和受压极限强度;A(t)为腐蚀下钢筋的截面损失率;是与截面钢筋数量和直径有关的参数,在文中,取=510-3。核心区混凝土由于套箍效应,混凝土的屈服强度和极限强度均提高,锈蚀影响了箍筋的性能,使得套箍效应减弱,降低了核心区混凝土的性能,本文使用Mander 的约束混凝土模型2 3通过改变截面钢筋性能,来体现腐蚀对核心区混凝土的影响;保护层混凝土由于混凝土的开裂,其屈服强度和极限强度都显著降低,腐蚀对保护层混凝土性能的影响如式(5)所示:(5)1+0.1 8/8co式中:fe为保护层混凝土抗压强度
23、;fc.cor为腐蚀后的保护层混凝土峰值抗压强度;8 c。为混凝土峰值应变;8为保护层混凝土在混凝土开裂时的拉伸应变,它与截面受压区纵筋数量、裂缝宽度和截面宽度等参数有关。保护层混凝土采用Kent-park混凝土模型进行计算极限抗压强度,取0.2 倍的峰值抗压强度。文中的钢筋-混凝土的黏结滑移通过在柱底部使用零长度单元来模拟。由于钢筋和混凝土的性能劣化,钢筋和混凝土之间的黏结效果也将降低,钢筋的屈服、极限应力和相应的滑移位移也发生变化。利用锈蚀钢筋的拔出实验数据来修改零长度单元的材料本构关系来模拟钢筋-混凝土黏结滑移效应,其模型的主要参数为钢筋在屈服强度和极限强度下的滑移量。同时,通过锈蚀钢筋
24、混凝土柱的推覆试验,锈蚀模型模拟结果与试验的滞回曲线和骨架曲线重合度较好,模型准确度较高,详见文献2 4。1.3锈蚀结构的抗震韧性计算框架在过去几十年中,大多数研究学学者提出结构的抗震韧性在很大程度上取决于地震事件后结构的时变系统功能。文中,在遭遇地震情况下,锈蚀混凝土结构的时变系统功能如图2 所示。地震工程与工程振动8u.cor=(1-3.5 A(t)8utfye.cor=(1-100 A(t)fye第43卷(3)(4)fRTRE图2 锈蚀钢筋混凝土结构的系统功能和韧性定义Fig.2 Definition of system function and resilience of corrod
25、ed reinforced concrete structure图2 中的8,是恢复前的空闲时间;系统功能Q(t)是一个无量纲指标,范围从0%到10 0%,10 0%意味着结构没有性能损失,0%表示结构彻底丧失抗震能力。在本文中,建筑结构的系统功能是通过其抗震能力来进行评估的,对于混凝土结构,结构的抗震韧性可由式(6)8 来量化。Clo+TreQ(t)R=dtTREto式中:R为结构抗震韧性;t为时间变量;toe为地震事件发生的时间;Tre为地震后结构的修复时间。Cimellaro将系统功能函数定义为:Q(t)=1-L(I)(H(t-to)-H(t-toe-Tre)fre(t,toe,Tre)
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