耐久性损伤钢筋混凝土结构抗震分析参数研究.pdf

第 43 卷 第 8 期 2013 年 4 月下 建筑结构 Building Structure Vol 43 No 8 Apr 2013 耐久性损伤钢筋混凝土结构抗震分析参数研究 * 梁岩， 罗小勇 ( 中南大学土木工程学院，长沙 410075) 摘要根据目前已有试验资料和理论分析， 讨论了对耐久性损伤钢筋混凝土结构抗震分析的影响因素， 包括截 面几何损伤、 混凝土和钢筋力学性能劣化、 钢筋混凝土粘结滑移劣化等， 提出了钢筋混凝土结构抗震耐久性损伤参 数的概念， 并给出了计算方法。基于已有的钢筋混凝土结构的恢复力模型， 并考虑各抗震耐久性损伤参数， 对计算 得到的锈蚀构件骨架曲线与试验值进行对比分析， 其结果在总体上吻合较好。研究成果可在损伤钢筋混凝土结构 地震反应分析中应用。 关键词钢筋混凝土;耐久性;抗震;损伤参数 中图分类号: TU375文献标识码: A 文章编号: 1002- 848X( 2013) 08- 0069- 05 Research on seismic parameter of reinforced concrete structures with durability damage Liang Yan，Luo Xiaoyong ( College of Civil Engineering，Central South University，Changsha 410075，China) Abstract: Based on the available experimental data and theoretical analysis，the influence factors on seismic analysis of reinforced concrete structure with durability damage were mainly discussed，including section geometrical damage，the performance deterioration of concrete and steel，the reduction of bond-slip of reinforced concreteThe concept and calculation method of damage parameters of reinforced concrete structure seismic durability were presented Based on the existing restoring force model of reinforced concrete structure，and considering the damage parameters of various seismic durability，the skeleton curves of the corroded members can be got These curves generally are in good agreement with the existing experimental data，which means these damage parameters can be used in seismic response analysis of damage reinforced concrete structure Keywords: reinforced concrete;durability;seismic;damage parameter * 国家自然科学基金项目( 51178470) 。 作者简介: 梁岩， 博士研究生， Email: lyfeel555 163 com。 0引言 在设计基准期内， 结构在使用过程中由于环境、 荷载等因素的影响， 必然会出现一定程度的耐久性 损伤， 其中最常见的是钢筋锈蚀、 混凝土碳化、 冻融 循环等， 这些因素导致结构抗震性能降低。对于耐 久性损伤后钢筋混凝土结构的抗震性能研究目前主 要集中于试验阶段 1- 3， 理论分析4较少。但不论 是试验研究还是理论分析， 所考虑的耐久性损伤因 素往往只是钢筋锈蚀后引起钢筋截面几何尺寸的减 小， 其他因素: 如钢筋锈蚀引起混凝土开裂， 从而导 致结构的截面几何损伤、 混凝土力学性能降低、 钢筋 与混凝土粘结性能下降等并未考虑。本文以已有的 研究为基础， 综合分析各种耐久性损伤因素对结构 抗震性能的影响。 在此可定义: 由于自身和环境双重因素的影响 而导致结构抗震性能下降的结构、 材料等的性能劣 化系数为结构抗震耐久性损伤参数。主要有: 截面 几何损伤系数、 混凝土和钢筋力学性能劣化系数、 钢 筋混凝土粘结滑移劣化系数等。 1截面几何损伤系数 在锈蚀构件强度计算中， 需要考虑构件截面损 失引起的承载力降低， 特别是对于受压构件， 其承载 力降低受混凝土截面损伤和钢筋截面损伤的共同影 响。当构件截面较大、 保护层相对较小且配筋量较 大时， 钢筋截面损伤起控制作用; 当构件截面较小、 保护层相对较大时， 构件截面损伤起控制作用 5。 钢筋锈蚀膨胀使其周围的混凝土中产生横向拉 应力， 随着钢筋锈蚀率的增大， 混凝土承受拉应力也 不断增大， 当超过混凝土抗拉强度时， 引起混凝土锈 胀开裂， 见图 1。 锈胀裂缝不断拓展、 贯通， 从而导致混凝土截面 几何损伤。实际上钢筋锈胀在混凝土中产生的拉应 力及裂缝分布是不均匀的。但为了简化计算， 假定 钢筋外侧， 即保护层部分锈胀开裂， 造成截面几何损 伤; 而钢筋内侧混凝土不考虑开裂， 即不考虑截面几 何损伤， 仅考虑部分深度的混凝土力学性能劣化。 基于以上假定， 钢筋混凝土构件截面损伤可由图 2 表示。其中， A1 为钢筋外侧混凝土保护层锈胀开裂 部分， A2 为钢筋内侧混凝土由于钢筋锈蚀而导致性 建筑结构2013 年 图 1混凝土内部锈胀裂缝发展趋势 能发生劣化的部分， A3 为完好混凝土部分。关于 A2， A3 区域的确定应根据实测得到， 测试困难或简 化计算时， 也可取主筋中心线至主筋外侧、 内侧一个 保护层厚度的区域。 由钢筋锈蚀造成的混凝土截面几何损伤可根据 锈胀裂缝宽度对截面几何尺寸进行修正: Lc= L c( 1) 式中: Lc为损伤后截面尺寸， mm; L 为损伤前截面尺 寸， mm; c 为截面沿该方向钢筋保护层厚度之和， mm; 为截面几何损伤系数， 取值见表 1。 截面几何损伤系数建议值 5 表 1 构件受力类型 纵向裂缝宽度 W /mm 0 W 22W3 大偏心 = 0 15W = 0 45 小偏心 = 0 25W = 0 55 轴心 = 0 30W = 0 65 2混凝土性能劣化系数 2. 1 抗压强度劣化 钢筋锈蚀使混凝土处于复杂的应力状态， 如对 受弯构件来说， 将使原受压区混凝土处于拉压双向 应力状态， 从而降低了钢筋周围混凝土的抗压强 度 6。钢筋锈蚀对混凝土强度影响的试验7表明: 混凝土锈胀开裂前其强度下降明显， 开裂后混凝土 强度有所回升。由图 2， 并根据合力等效原则: fcc( a1A1+ A2+ A3)= fc( a1A1+ A2)+ fcA3( 2) fc = fc( 3) 由式( 2) ， ( 3) 解得: fcc= ( a1A1+ A2)+ A3 ( a1A1+ A2)+ A3 fc( 4) 令: = ( a1A1+ A2)+ A3 ( a1A1+ A2)+ A3 则: fcc= fc( 5) 式中: fcc为损伤混凝土截面平均抗压强度; 为损伤 混凝土抗压强度折减系数; 为损伤混凝土截面平 均抗压强度折减系数; A1， A2， A3为图 2 所示的面 积; fc为钢筋内侧混凝土由于钢筋锈蚀而性能发生 劣化部分的抗压强度; a1为 A1部分混凝土截面折 减系数， 可由式( 1) 根据截面几何关系求得; fc为混 凝土抗压强度。 根据钢筋锈蚀后混凝土抗压强度试验资料 7 对其试验成果进行分析见图 3。 图 2混凝土截面 几何损伤 图 3混凝土抗压强度 折减系数 对试验值进行指数衰减拟合可得: = 0 704 9 + 0 295 1e 4 131 7 ( 6) 代入式( 4) 可得损伤混凝土平均抗压强度 fcc与 锈蚀率 的关系: fcc= fc = ( 0 704 9 + 0 295 1e 4 131 7) ( a 1A1 + A2)+ A3 ( a1A1+ A2)+ A3 fc ( 7) 则: = ( 0 704 9 + 0 295 1e 4 131 7) ( a 1A1 + A2)+ A3 ( a1A1+ A2)+ A3 ( 8) 2. 2 弹性模量劣化 根据混 凝 土 结 构 设 计 规 范( GB 50010 07 第 43 卷 第 8 期梁岩， 等 耐久性损伤钢筋混凝土结构抗震分析参数研究 2010) 8给出的混凝土抗压强度与弹性模量关系: Ec= 105 2 2 + 34 7 fcu， k ( 9) 钢筋锈蚀后构件截面混凝土平均弹性模量与钢 筋未锈蚀时混凝土弹性模量关系可表示为: Ecc= kEccEc( 10) 式中: Ecc为损伤混凝土平均弹性模量; kE cc为损伤混 凝土截面平均弹性模量折减系数; Ec为混凝土弹性 模量。 根据抗压强度劣化系数计算方法可求得: kEcc= Ecc Ec = 2 2fc+ 34 7 2 2fc+ 34 7 = 22fc+347 22fc+ 347 ( a1A1+ A2)+ A3 ( 0704 9 +0295 1e 4 131 7) ( a 1A1+ A2)+ A3 ( 11) 2. 3 延性劣化 考虑钢筋锈蚀造成混凝土延性劣化的影响， 可 由应变折减表示， 相同荷载条件下损伤混凝土应变 cc与完好混凝土应变 c关系可表示为: cc= kccc( 12) 式中 kcc为损伤混凝土延性劣化系数。 文献 9 认为 kcc与锈蚀率成线性关系， 但由混 凝土截面几何损伤( 图 2) 可知: 钢筋锈蚀只对混凝 土 A1 和 A2 区域有影响， 而对 A3 部分并无影响， 对 整个混凝土截面而言， kcc与锈蚀率成并非单纯的线 性关系。 在无实测试验数据条件下， 为简化计算分析， 假 定结构在荷载作用下， 混凝土的应变 c、 应力 fc和 弹性模量 Ec满足关系式: cfc= Ec。则由式( 5) 及 式( 10) 可得: cc= fcc Ecc = f c kEccEc = kEccc ( 13) 由式( 12) 及式( 13) 可得: kcc= kEcc = 22 ( 0704 9 +0295 1e 4 131 7) ( a 1A1 + A2)+ A3 ( a1A1+ A2)+ A3 fc+347 22fc+347 ( 14) 3钢筋性能劣化系数 国内外对锈蚀钢筋的力学性能已有较多的研 究， 文献 10 ， 11认为钢筋锈蚀后强度和延性都 降低， 但也有学者认为 12， 钢筋锈蚀后强度没有明 显变化。钢筋锈蚀试验方法主要有电化学锈蚀和人 工气候环境模拟锈蚀， 后者模拟效果与实际情况比 较接近。钢筋锈蚀后屈服强度、 极限强度、 伸长率、 极限应变和弹性模量均随锈蚀率的增大有不同程度 的降低， 见下式: fyc= 1 ( 6) fy fuc= 2 ( 7) fu sc= 3 ( 8 ) s yc= 4 ( 9 ) y Eyc= 5 ( 10) E y ( 15) 式中: fyc， fuc ， sc ， yc， Eyc分别为锈蚀钢筋屈服强度、 极限强度、 伸长率、 极限应变和弹性模量; fy， fu ， s， y， Ey分别为钢筋锈蚀前屈服强度、 极限强度、 伸长 率、 极限应变和弹性模量; 1 10为钢筋性能劣化 系数， 当 0 % 5% 时为 1 5， 当 % 5% 时为 6 10， 各系数可采用文献 13人工气候环境加速 条件下给出的式( 16) 和恒电流加速条件下给出的 式( 17) 分别进行计算。 1= 1 0 029 2= 1 0 026 3= 1 0 057 5 4= 1 0 057 5 5= 1 0 052 6= 1 175 0 064 7= 1 18 0 062 8= 1 0 057 5 9= 1 0 057 5 10= 0 895 0 031 ( 16) 1= 6= 1 0 021 2= 7= 1 018 0 019 3= 8= 1 0 021 4= 9= 1 0 021 5= 10= 1 0 029 ( 17) 4锈蚀钢筋混凝土应变协调关系 钢筋锈蚀使其与混凝土的粘结性能退化， 改变 了钢筋和混凝土之间的应变协调关系。随着钢筋锈 蚀率的增大， 钢筋和钢筋处混凝土应变差异增大， 锈 蚀钢筋和其周围混凝土的应变协调关系不再符合平 截面假定。文献 14采用试验方法分析了锈蚀钢 筋混凝土中钢筋和混凝土的应变协调关系， 锈蚀后 钢筋和相应位置处混凝土应变试验数据 14见表 2。 定义锈蚀钢筋混凝土钢筋应变与其相应位置处混凝 土应变的比值为锈蚀钢筋混凝土粘结滑移劣化系数 ( ) ， 其中假定锈蚀率为 0 时符合平截面假定， 则 17 建筑结构2013 年 ( = 0)= 1。 用锈蚀钢筋和混凝土在同一点处的应变比值表 示其不协调程度时， 其与锈蚀率和荷载相关。但在 对锈蚀钢筋混凝土进行极限承载力分析时， 仅仅需 要极限弯矩作用下钢筋和混凝土的应变值 15。另 外， 由于试验的局限性， 表 2 中应变为试件在极限弯 矩状态下的应变， 但假定钢筋与其相应位置处混凝 土的应变关系在其他状态下与表 2 中二者应变关系 一致。表 2 中应变为负表示混凝土受压， 锈蚀率为 0 时 ( ) 的计算值为 1. 03， 但理论上认为未锈蚀 时， 钢筋混凝土不发生相对滑移， 因此理论上此时取 1， 试验中由于误差的存在， 二者应变略有差异， 为便 于分析认为 ( ) 为 1。 钢筋和相应位置处混凝土应变表 2 试件 锈蚀率 /% 钢筋拉应变 / 混凝土应变 / ( ) LA40 3 715 3 6171 LA92. 43 2 356 3 4550. 682 LA104. 90 2 264 4 7260. 479 LA124. 21 2 779 4 6600. 596 LA134. 15 2 123 4 8400. 439 LA154. 29 1 744 4 8660. 358 LA164. 81 1 896 4 1470. 457 LA176. 12 2 146 3 5710. 601 LA189. 95 1 579 4 4690. 353 LA198. 70 1 547 4 6530. 332 LA204. 55 2 009 3 7690. 533 LA2112. 97 1 156 4 6700. 248 LA2210. 79 1 236 3 7550. 329 LA2310. 63 1 425 4 3760. 326 LA2412. 83 1 075 4 5190. 238 对表 2 试验数据进行一阶指数衰减拟合分析 ( 图 4) 可得: = sc cc = 0 254 6 + 0 745 4e 0 243 1 ( 18) 式中: sc为锈蚀钢筋拉应变; cc为锈蚀钢筋相应位 置处的混凝土应变。 图 4锈蚀钢筋混凝土粘结滑移劣化系数 由式( 18) 可 得， 当 锈 蚀 率 分 别 为 5% ， 10% ， 15% ， 20% 时， 钢筋的应变只有相应位置处混凝土应 变的 0. 476， 0. 320， 0. 274， 0. 26 倍， 由此验证钢筋锈 蚀引起的钢筋与混凝土的相对滑移量是不可忽视 的， 也更加说明锈蚀率对钢筋和混凝土应变协调关 系的影响。因此， 锈蚀钢筋混凝土结构分析时应抛 开平截面假定， 从而才能使分析结果更加准确合理。 5试验验证 文献 2 ， 3均为压弯构件低周反复荷载试 验， 最大锈蚀率分别为 19. 8% 和 5. 87% ， 都采用电 化学方法加速锈蚀， 验证时选用式( 16) 。文献 2 中试件轴压比为 0. 23， 文献 3中 3 组试件轴压比 分别为 0，0. 2，0. 4。文献 15研究了未损伤的钢 筋混凝土压弯构件的恢复力模型。结构在使用过程 中发生耐久性损伤对其恢复力模型中各状态下的 力、位移等参数有不同程度的影响，因此，将该恢 复力模型应用到耐久性损伤结构时应对各参数进行 修正。 为验证钢筋混凝土结构抗震耐久性损伤参数的 准确性， 以退化三线型恢复力模型为基础， 将各损伤 参数代入文献 15 的恢复力模型， 将计算的骨架曲 线与文献 2 ， 3试验结果数据进行对比分析， 结 果见图 5 和表 3。由于试验的局限性及特定的恢复 力模型参数确定方法， 验证计算时， 并未考虑 2. 3 节 中所讨论的混凝土延性劣化的影响。 图 5骨架曲线特征点试验值与计算值对比 表 3 中极限位移、 极限荷载对应的极限状态指 结构所能承受的最大荷载时的状态， 试验中表现为 荷载加至一定值时， 荷载大小不变， 位移持续增加; 破坏位移、 破坏荷载指结构中构件表面部分裂缝贯 通， 混凝土被压碎、 剥落所对应的状态。 27 第 43 卷 第 8 期梁岩， 等 耐久性损伤钢筋混凝土结构抗震分析参数研究 骨架曲线特征点试验值与计算值对比表 3 试件 文献 2试件文献 3试件 Z2Z3XZ8XZ9 轴压比0. 230. 230. 20. 2 锈蚀率 /%4. 10 6. 205. 876. 56 屈服荷载 /kN 试验值13212536. 0835. 94 计算值127. 8123. 337. 9137. 49 比值0. 970. 991. 051. 04 屈服位移 /mm 试验值32. 810. 129. 91 计算值2. 712. 759. 859. 90 比值0. 900. 980. 971. 00 极限荷载 /kN 试验值15614942. 4541. 66 计算值140. 9136. 242. 5642. 10 比值0. 900. 911. 001. 01 极限位移 /mm 试验值8. 98. 416. 8521. 71 计算值7. 917. 5329. 5329. 08 比值0. 890. 901. 751. 34 破坏荷载 /kN 试验值132. 6126. 736. 0937. 62 计算值119. 8115. 836. 1735. 79 比值0. 900. 911. 000. 95 破坏位移 /mm 试验值18. 717. 247. 1842. 02 计算值16. 6315. 6058. 9357. 71 比值0. 890. 911. 251. 37 从图 5 和表 3 可以看出， 按本文方法研究的抗 震耐久性损伤参数计算的骨架曲线与参考文献试验 结果总体上吻合较好。当然从图 5 中也可以看出， 某些计算值与试验值有一定的偏差， 这主要是因为 构件的破坏形态会随着钢筋锈蚀程度的增大而发生 改变， 从而导致结构破坏状态下的破坏荷载和破坏 位移的试验值和计算值出现误差。 6结论 ( 1) 给出了因钢筋锈蚀造成结构截面几何损 伤、 混凝土和钢筋力学性能劣化的计算方法。 ( 2) 在已有的锈蚀钢筋混凝土粘结滑移试验的 基础上， 给出了锈蚀钢筋混凝土粘结滑移劣化系数 的计算公式， 验证了锈蚀率对钢筋和混凝土应变协 调关系的影响， 并建议抛开平截面假定对锈蚀钢筋 混凝土结构进行分析。 ( 3) 对耐久性损伤的钢筋混凝土结构进行抗震 分析时， 应综合考虑钢筋锈蚀后引起的钢筋力学性 能的变化、 混凝土力学性能劣化、 截面几何损伤、 粘 结滑移能力降低等因素。 参考文献 1 LEEA H S， KAGET， NOGUCHI T， et al An experimental study on the retrofitting effects of reinforced concrete columns damaged by rebar corrosion strengthened with carbon fiber sheetsJ Cement and Concrete Research， 2003， 33( 4) : 563- 570 2 贡金鑫， 仲伟秋， 赵国藩 受腐蚀钢筋混凝土偏心受压 构件低周反复性能的试验研究J 建筑结构学报， 2004， 25( 5) : 92- 97 3 牛荻涛， 陈新孝， 王学民 锈蚀钢筋混凝土压弯构件抗 震性能试验研究J 建筑结构， 2004， 34( 10) : 36- 38 4 HAKAN YALCINER， SERHAN SENSOY， OZGUR EREN Time-dependent seismicperformanceassessmentofa single degree of freedom frame subject to corrosionJ Engineering Failure Analysis， 2012， 19( 11) : 109- 122 5 惠云玲， 李荣， 林志伸， 等 混凝土基本构件钢筋锈蚀 前后性能试验研究J 工业建筑， 1997， 27( 6) : 14- 18 6 吴胜兴 钢筋混凝土结构锈蚀损伤研究综述J 工程 力学， 2002， 22( S1) : 70- 88 7 张喜德， 韦树英， 彭修宁 钢筋锈蚀对混凝土抗压强度 影响的试验研究J 工业建筑， 2003， 33( 3) : 5- 7 8 GB 500102010 混凝土结构设计规范S 北京:中 国建筑工业出版社， 2011 9 DAGHER H J， KULENDRAN S Finite element modeling of corrosion damage in concrete structuresJACI Structural Journal， 1992， 89( 6) : 699- 708 10 DU Y G，CLARK L A， CHAN A H C Residual capacity of corroded reinforcing barsJMagazine of Concrete Research，2005，57( 3) : 135- 147 11 ANDRADE C，ALONSO C，MOLINA F J Cover cracking as a function of rebar corrosion:part-numerical model J Materials and Structures，1993，26( 9) : 532- 548 12 MASLEHUDDIN M，ALLAM I A，AL SULAINMANI G J，et al Effect of rusting of reinforcing steel on its mechanical propertiesandbondwithconcrete J Materials Journal，1990，87( 5) :496- 502 13 吴庆， 袁迎曙 锈蚀钢筋力学性能退化规律试验研究 J 土木工程学报， 2008， 41( 12) : 42- 47 14 桂成 锈蚀钢筋混凝土构件极限抗弯承载力及延性研 究D 长沙: 长沙理工大学， 2007 15 欧进萍， 何政， 吴斌， 等 钢筋混凝土结构基于地震损 伤性能的设计J 地震工程与工程振动， 1999， 19 ( 1) : 21- 30 ( 上接第 81 页) 了原基础承载能力。该方法施工轻便快捷、 影响面 小、 效果明显。 ( 5) 该加固工程竣工后， 通过对结构进行静载 试验及系统的质量检查， 认为加固后结构能满足正 常使用荷载要求， 整体结构未发现异常现象， 说明该 钢结构的综合加固方案是成功的。 参考文献 1 GB/T 506212010 钢结构现场检测技术标准S 北 京: 中国建筑工业出版社， 2010 2 JGJ 1382001 型钢混凝土组合结构技术规程S 北 京: 中国建筑工业出版社， 2002 3 GB 5004595 高层民用建筑设计防火规范S 北 京: 中国计划出版社， 1995 4 CECS 25: 90 混凝土结构加固技术规范S 北京: 中 国计划出版社， 1990 5 JGJ 1232000 既有建筑地基基础加固技术规范S 北京: 中国建筑工业出版社， 2000 6 JGJ 1452004 混凝土结构后锚固技术规程S 北 京: 中国建筑工业出版社， 2004 37