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    锈蚀钢筋混凝土压弯构件的恢复力模型.pdf

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    锈蚀钢筋混凝土压弯构件的恢复力模型.pdf

    2011年第6期总第260期 Number6in 20l1Tota1No.260 混 凝 土 Concrete 理论研究 THEORETICAL RESEARCH doi10.3969d.issn.10023550.2011.06.009 锈蚀钢筋混凝土压弯构件的恢复力模型 蒋连接 ,袁迎曙。 1.宿迁学院建筑工程系,江苏宿迁223800;2.中国矿业大学力学与建筑工程学院,江苏徐州221008 摘要 根据反复荷载下人工气候环境加速钢筋锈蚀的钢筋混凝土压弯构件力学性能的试验结果,提出了反复荷载作用下恢复力模型中 与钢筋锈蚀率相关的特征参数计算公式,建立了锈蚀钢筋混凝土压弯构件的退化双折线恢复力模型,并与参考文献试验结果进行了对比, 结果表明本研究建立的恢复力模型具有一定的适用性。 关键词钢筋锈蚀;恢复力模型;骨架曲线;滞回规则 中图分类号TU528.571 文献标志码A 文章编号 l0023550201106002904 Restoring force model of corroded reinforced concrete column for axial load and moment JIANGLian-jie .YUAN Ying 幽u 1.Department ofArchitecturalEngineering,SuqianCollege,Suqian 223800,China; 2.School ofMechanics andCivilEngineering,ChinaUniversity ofMining andTechnology,Xuzhou 221008,China AbstractAccording tO the experimental study on mechanical behavior ofcorroded reinforced concrete columns for axial load and moment un der cyclic loading,the ula ofmodel parameters related to steel corrosion rate are proposed and deteriorating double lines restoring force mod el ofcorroded reinforced concrete columns for axial load and moment is established.Compared with experimental results in another literature,it is founded that the restoring force model established is ofa certain degree ofadaptability. Key wordssteel corrosion;restoring force model;skeleton curve;hysteretic rule 0 引言 恢复力模型是根据从反复加载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模型,能理 想化地反映反复荷载下钢筋混凝土压弯构件的强度、刚度、延性 退化和耗能特征的变化规律,是描述反复荷载作用下钢筋混凝 土压弯构件弹塑性性能的基本要素。目前,国内外学者对未锈蚀 钢筋混凝土压弯构件的恢复力特性开展了大量的试验研究,建 立了多种恢复力模型㈣,但由于设计、施工和使用方面的原因, 处于侵蚀环境的钢筋混凝土结构中的钢筋常有不同程度的锈 蚀,试验研究表明 ,钢筋锈蚀后,钢筋混凝土压弯构件的恢复 力特性有所降低。文献[56]采用通电法加速钢筋锈蚀,研究了 反复荷载下钢筋锈蚀率对锈蚀钢筋混凝土压弯构件力学性能 的影响,并基于试验结果建立了简化的恢复力模型【 。但锈蚀 钢筋混凝土压弯构件恢复力模型的建立需要大量的恢复力特 性试验,由于目前锈蚀钢筋混凝土压弯构件恢复力特性的试验 研究比较少,试验研究也多基于通电法加速钢筋锈蚀,而通电 条件下的钢筋锈蚀在锈蚀机理和锈蚀特征上都和实际自然环 境中劣化混凝土结构中的钢筋锈蚀有一定差距,而人工气候加 速钢筋锈蚀能更好地贴近实际环境㈤,因此目前还没有建立大 量贴近实际环境的锈蚀钢筋混凝土压弯构件恢复力模型,恢复 力模型的简化也缺乏有力的理论依据。将应用本作者文献【4】中 对6根人工气候加速钢筋锈蚀的钢筋混凝土压弯构件和2根未 收稿日期2010一l228 基金项目国家自然科学基金项目资助50878207,50538070 锈蚀钢筋混凝土压弯构件反复加载试验结果,参考已有研究成 果,拟建立更加贴近实际锈蚀环境的锈蚀钢筋混凝土压弯构件 恢复力模型,以便为地震区锈蚀钢筋混凝土构件进行抗震性能 分析和抗震可靠度评价提供基础。 1恢复力模型的选取 1.1荷载一位移试验曲线的变化规律 锈蚀钢筋混凝土压弯构件的荷载一位移试验曲线反映出如 下的变化规律[41 1在构件开裂前的弹性阶段,荷载一位移曲线表现为直 线,卸载后构件基本沿直线回归零点,反向加载成对称趋势。构 件屈服前,虽然出现了裂缝和塑性变形,但总体变形不大,加载 曲线的斜率变化小,卸载后残余变形小,构件刚度退化不多。 2构件屈服后,随着反复荷载的增加,混凝土裂缝不断地 开展、延伸,变形充分发展,荷载一位移曲线为一条斜率近似为 零的较长平直线,说明屈服后构件的承载力增加不多、刚度退 化明显。 3构件屈服后,每一次加载过程中加载曲线的斜率随着 加载控制位移的增大而减小,且减小的速度加快,表明反复荷 载下构件的加载刚度退化;当从加载变为卸载时,卸载刚度较 初始刚度略小,随加卸载次数的增加卸载曲线的斜率亦略有减 小,但变化不大。 4锈蚀构件的屈服荷载、极限荷载随着钢筋锈蚀率的增 29 加而减小,滞回曲线也不如未锈蚀构件饱满、延性较差,但形式 上类似于未锈蚀构件。 1.2恢复力模型的给出 根据荷载一位移试验曲线的变化规律,本研究在建立锈蚀钢 筋混凝土压弯构件恢复力模型时假定 1锈蚀钢筋混凝土压弯构件的恢复力模型在形式上与未 锈蚀构件相同,但恢复力特性的各项参数有所降低,这主要与 钢筋锈蚀率相关。 2钢筋混凝土压弯构件屈服前按弹性阶段考虑,按初始 刚度加卸载,卸载后无残余变形,构件屈服后,荷载一位移曲线 近似为一条斜率较小的直线段,故构件恢复力模型中的骨架曲 线采用退化双折线,即弹性段屈服前和弹塑性段屈服至破 坏,如图1所示。 荷载 JD 1/ 一 / . / 雠 K 图1 退化双折线型恢复力模型 3恢复力模型中的滞回规则简化如下构件屈服前,加载 和卸载按初始刚度K.进行图1中0l段,试件屈服后刚度退 化,按刚度 加载,按刚度 ,卸载,第一次卸载至零反向加载 时直线指向反向屈服点,后续反向加载时直线指向所经历的最 大位移点,出现刚度退化。 因此,本研究建立锈蚀钢筋混凝土压弯构件恢复力模型的 基本思路为假定锈蚀钢筋混凝土压弯构件的恢复力模型在形 式上与未锈蚀构件相同,根据反复荷载下锈蚀构件力学性能的 试验结果,合理确定恢复力模型中特征参数与轴压比、钢筋锈 蚀率的关系,以建立锈蚀构件的骨架曲线,并按假定3简化恢 复力模型中的滞回规则。 2未锈蚀构件恢复力模型中特征参数的确定 退化双折线恢复力模型中骨架曲线的两个特征点分别对 应于屈服点和极限点,包括4个特征参数屈服荷载 和屈服 位移△ 、极限荷载尸u和极限位移△ 。在求解该特征参数时,除 立足于理论依据外,还引入了一定的经验公式,以达到与滞回 特征相符、简化模型的目的。 2.1屈服荷载 和屈服位移△ 1屈服荷载 。各构件的屈服定义为构件中部截面的受 拉钢筋屈服。屈服荷载只与截面屈服弯矩M 有如下关系 p f 1 1 日 式中 截面的屈服弯矩; 日钢筋混凝土压弯构件的计算高度。 根据屈服定义,截面屈服弯矩 可按式2计算】 /1 。一Ⅱn。6 一。_0_5 叼 n 2 30 式中 钢筋的屈服强度实测值; 混凝土的轴心抗压强度实测值; no实际轴压比; b截面的宽度; 截面的高度; 截面的有效高度; 4 受拉钢筋截面面积; 。钢筋中心线到截面边缘的距离; 截面屈服时混凝土的最大应力。 按式3求得】 3 j一 OrE 式中IO/E/ 2_s; c E 钢筋的弹性模量; 丘混凝土的弹性模量; A混凝土受压区高度系数。 按式4求得] Ap \ t otf [Pt 寺 ]OLEI/2一pl a c4 式中Otf 生; 1 p 受拉钢筋的配筋率。 2屈服位移 。试件屈服前按弹性考虑,屈服位移可按 下式计算『l2】 △v 一一 5 3ho1-AE 式中符号含义同上。 2.2极限荷载 和极限位移△u 1极限荷载 。根据钢筋混凝土压弯构件试验结果的统 计分析,极限荷载 和屈服荷载 关系如下f81 1.240.07 Itf一0.5no 6 2极限位移△u。极限位移△“的计算要考虑多种变形成 分弯曲、剪切、滑移、二阶效应、塑性铰长度等,纯理论计算较 为复杂,计算结果也存在较大的离散性,采用经验方法确定。 构件的极限位移是与轴压比有关的变量。随着轴压比的增 加,构件的极限位移减小。本研究以极限位移取正反向极限位 移的平均值与屈服位移之比Au/Ay为纵坐标,以实际轴压比 ‰为横坐标,统计回归建立两者之间的关系式如下 Au/Ay一9.099 4no4.959 7 即 4.959-9.099 4no 8 本研究在已有理论公式的基础上,结合试验结果,考虑轴 压比对试件的影响,引入轴压比n。提出了模型特征参数的修正 公式,利用修正式计算出的特征参数值与试验结果吻合较好,说 明可以利用上述修正式确定恢复力骨架曲线中的特征参数。 3锈蚀构件恢复力模型中特征参数的确定 试验研究表明[41,由于锈蚀钢筋力学性能退化、混凝土锈胀 开裂,反复荷载下锈蚀钢筋混凝土压弯构件的强度和延性有所 降低。本研究在建立锈蚀构件恢复力模型时假定模型与未锈蚀 构件的恢复力模型在形状上相同,在确定骨架曲线的特征参数 时引入钢筋锈蚀率,以考虑钢筋力学性能退化和混凝土锈胀开 裂后截面损伤的影响。 关于混凝土截面损伤的不利影响,可以根据锈胀裂缝宽度 对截面尺寸进行折减,以计入其对承载力、刚度的影响。文献[13] 得出锈蚀钢筋混凝土压弯构件考虑锈胀裂缝损伤的截面尺寸 计算模型 一 lClo2c2bc6一d3c 3ot4c4 9 式中 损伤后截面计算高度,mm; 6 损伤后截面计算宽度,mm; c 、c2构件截面高度方向两侧保护层厚度,mm; c 、c4构件截面宽度方向两侧保护层厚度,mitt; O/j、Ot2、O/3、d4对应于混凝土保护层Cl、 C3、c4的几何 损伤系数。 计算公式见文献fl31。 3.1屈服荷载 和屈服位移△ 1屈服荷载 锈蚀钢筋混凝土压弯构件屈服荷载的降 低,与钢筋锈蚀后截面面积的减小和屈服强度的变化有关。由 钢筋拉伸试验结果得到锈蚀钢筋屈服强度与钢筋锈蚀率P的 关系为H 0.998 8-0.003 3p一0.004 st, k 10 则锈蚀构件的屈服荷载 为 P 11 月 式中 锈蚀构件的屈服弯矩。 将式10代人式2求得。 2屈服位移△ 。由反复加载试验结果可知,随着钢筋锈 蚀率的增大,锈蚀构件的屈服位移减小,根据统计结果,锈蚀 构件和未锈蚀构件屈服位移之比△ /△ 与钢筋锈蚀率p之间 的关系为【 】 △,√△ 1.019 2-0.023 40 12 将式5代人式12可得屈服位移△ 为 1.019 2-0.023 4p 13 表1为锈蚀构件屈服荷载、屈服位移计算值与试验值的对比。 表1 锈蚀构件屈服荷载、屈服位移计算值与试验值的对比 3.2极限荷载 和极限位移 1极限荷载 。由反复加载试验结果可知[41,随着钢筋锈 蚀率的增加,钢筋混凝土构件的极限荷载呈下降趋势,这主要 与钢筋力学性能退化以及混凝土截面损伤有关。将试验数据统 计回归得到锈蚀构件与未锈蚀构件极限荷载之比 与钢筋 锈蚀率P之间的关系,见式14 /P,I.005 1-0.Ol7 40 14 则锈蚀试件的极限荷载可按式1 5计算 2极限位移△ 。随着钢筋锈蚀率的增大,锈蚀构件的变 形能力降低,极限位移减小,这是由于受力钢筋的锈蚀、钢筋与 混凝土之间的黏结滑移、箍筋锈蚀导致对混凝土约束作用的降 低以及混凝土的锈胀等多种因素相关,纯理论计算很复杂。不过, 归根结底极限位移的变化是与钢筋锈蚀率相关的,为简化起几尢, 本研究根据试验结果极限位移取正负向的平均值进行统计 回归,直接建立极限位移与钢筋锈蚀率之间的关系 ,如式16。 A IAI.036 8-0.050 5p 16 1.005 I-0.01740 15 表2为锈蚀构件极限荷载、极限位移计算值与试验值的对比。 表2锈蚀构件屈服荷载、屈服位移计算值与试验值的对比 4恢复力模型中有关刚度的确定 1刚度 的确定。刚度 为弹性刚度,构件屈服前虽然已 经出现了裂缝和混凝土的塑性变形,但裂缝发展缓慢,构件总体 变形不大,加载曲线的斜率变化小,卸载后残余变形小,构件刚 度退化不多。构件屈服后,卸载刚度随着加载位移幅值的增加略 有减小,构件卸载刚度退化不大,因此构件屈服后仍按K.卸载。 因此,本研究认为试件屈服前均按 加、卸载。K,确定方法为 D K 17 △ 各构件的屈服荷载和屈服位移可以分别按式11、13求 得,则K 表达式如下 12M,ho1-AEs H 1.019 2-0.023 40O.998 8-0.003 30-0.004 8p 18 3l 2刚度K的确定。刚度K 为骨架曲线中构件处于弹塑性 阶段的刚度,可如下表示 K2 二拿 19 △ 一△’c 将各参量代人后得到 的计算式 K,1.0051-0.0174p。 1 . 一 24- 0.07 5ptr -0.5n -I.K 2O ‘ 5.053 1-9.128 7‰1.036 8-0.050 一1 刚度K。、 确定后,根据上述滞回规则可以确定构件的滞回 曲线计算模型。 5模型计算滞回曲线与试验滞回曲线的比较 为检验本研究提出的钢筋混凝土压弯构件恢复力模型的 准确性,将模型计算滞回曲线与本作者文献[4】试验滞回曲线进 行对比。比较时选取构件屈服后的2-3周,根据骨架曲线特征值 的计算公式以及有关刚度的确定方法,得到正向滞回曲线2-3周 循环中的荷载和残余变形,反向与之对称。根据反复试验加载 制度,构件屈服后改为位移控制,对比时选取1.5,52 0Ay、2.5A 3个加载循环。 图2为部分构件模型计算滞回曲线与试验滞回曲线的比较。 从图2可以看出,计算的滞回曲线与试验得到的滞回曲线 基本上是符合的,说明本研究确定的锈蚀钢筋混凝土构件的恢 复力模型是可行的。 6模型计算骨架曲线与参考文献中试验结果 的比较 为验证本研究建立的锈蚀钢筋混凝土压弯构件恢复力模型 的适用性,引用参考文献[61q试件Z一1、z.2的试验结果数据进行 对比分析。试件Z一1、Z一2采用通电法加速钢筋锈蚀,对应的实测钢 筋锈蚀率分别为0,4.1%。利用本研究模型求出文献[6】试件骨架曲 线特征点的计算值,见表3,并与相应的试验结果进行比较。 200 Z 100 鄢 O 1【0 -200 位移/mm a构件XZB一2 位移/rnm b构件XZB一3 位移/mm 位移/mm c构件XZC一2 d构件XZC一3 图2各构件计算滞回曲线与试验滞回曲线的比较 图3分别为文献[6]中试件z.1、z一2模型计算骨架曲线与 试验骨架曲线的比较。 从表3和图3可以看出,对于未锈蚀构件,骨架曲线特征 点的计算值与试验值吻合较好,对于锈蚀构件则存在一定的差 异,这是因为本研究与文献【6】中的钢筋加速锈蚀方法不同,本 研究为人工气候加速锈蚀,文献[6]为通电锈蚀,两种方法下得 到的构件力学性能存在差别;再者,文献[6】中的钢筋锈蚀率较 大,钢筋力学性能、钢筋混凝土黏结退化、混凝土截面损伤对构 件抗震性能有较大的影响,而本研究各构件钢筋锈蚀率较小,力 学性能退化规律与文献[6】有所不同。但按本研究模型描绘的计 算骨架曲线与文献【6]中试验结果总体上较为相符,说明本研究 建立的锈蚀钢筋混凝土构件的恢复力模型具有一定的适用性。 对于更广泛的应用,还需要进一步深入研究。 表3文献【6]骨架曲线特征点模型计算结果与试验结果的比较 l8 15 z 12 森9 迫6 3 位移/ram 位移/mm a试件Z一1 b试件z一2 图3试件z一1、Z一2模型计算骨架曲线与试验骨架曲线对比 7结语 本研究在反复荷载下锈蚀钢筋混凝土压弯构件力学性能 试验研究结果的基础上建立了相应的能良好反映钢筋混凝土 压弯构件恢复力特点的退化双折线恢复力模型,模型中考虑了 轴压比、钢筋锈蚀率等影响因素,得到以下结论 1根据各试件荷载一位移试验曲线的变化规律,选用能反 映各钢筋混凝土压弯构件恢复力特点的退化双折线型模型作 32 为恢复力模型。 2本研究在求解未锈蚀构件恢复力模型中骨架曲线的特 征参数时,立足于理论依据,参考其他文献引入了一定的经验 公式,并考虑研究参数轴压比的影响,适当对经验公式进行了 修正,计算结果与试验值比较贴近。 3本研究在建立锈蚀钢筋混凝土压弯构件恢复力模型时, 假定锈蚀构件的滞回曲线、骨架曲线在形式上与未锈蚀构件基本相 同,由于钢筋锈蚀的影响,恢复力特性的各项参数有所降低,在未 锈蚀构件骨架曲线特征值的基础上考虑钢筋力学性能退化、混凝 土截面损伤等影响,提出了锈蚀构件骨架啦线特征值的计算公式。 4根据各构件滞回曲线的特征,描述了与之适应的滞回 规则,并提出了有关刚度的计算公式。 5通过比较文献【4]试验滞回曲线与计算滞回曲线、其他 参考文献的试验骨架曲线与按本研究模型计算出的骨架曲线, 发现模型计算值与试验值总体上较为相符,说明本研究建立的 钢筋混凝土构件的恢复力模型具有一定的准确性和适用性。对 下转第40页 erature Review by PCA RD Serial,2003245723. 【l4]弓国军,宋晓冰,孔启明.氯盐污染下混凝土的电阻率IJ1.工业建筑, 2005,350257. 【l5]弓国军.氯盐污染下混凝土中钢筋腐蚀速度模型及局部修补技术试 验研究【D].上海上海交通大学. 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