锈蚀钢框架地震易损性评定方法

钢结构锈蚀降低了钢材塑性变形能力,降低了断裂韧性,势必影响锈蚀钢结构的抗震性能。该文借助于加速腐蚀试验,研究了钢材力学性能随锈蚀程度的变化规律,建立了钢材强度、延性指标与锈蚀程度之间的关系;研究了地震作用下钢结构损伤状态及性能水平与锈蚀程度之间的关系,并基于极限破坏状态提出了锈蚀钢框架层间位移角限值取值方法。以5层钢框架为例,运用静力弹塑性分析方法,探讨了锈蚀对钢框架构抗震性能的影响;运用增量动力分析法,建立结构损伤指标与地震动强度指标的关系,得到不同龄期锈蚀钢框架地震易损性曲线,提出了锈蚀钢框架地震易损性评定方法。研究结果表明：同龄期不同极限状态结构超越极限状态的概率不同,倒塌极限状态下差距较大,而正常使用极限状态差距较小,若不修正层间位移角限值会高估锈蚀钢框架抗震性能。     

多龄期锈蚀钢结构框架柱力学性能研究

以多龄期锈蚀钢结构框架柱为研究对象,通过对已有多龄期锈蚀钢材试验数据的统计和分析,分别建立15年、30年和45年多龄期锈蚀环境下钢材屈服强度、抗拉强度、弹性模量和伸长率等力学性能的损伤退化模型.基于有限元分析软件Opensees对多龄期锈蚀钢结构框架柱进行有限元建模,通过Pushover方法,分析15年、30年、45年...     

酸性大气环境下多龄期平面钢框架结构抗震性能试验研究

为研究酸性大气环境下锈蚀对钢材力学性能和平面钢框架结构抗震性能的影响,利用人工气候加速腐蚀试验技术对21组钢材材性试件和4榀平面钢框架结构进行加速腐蚀,并分别对其进行拉伸试验和拟静力试验。拟合拉伸试验数据,得到钢材力学性能（屈服强度、极限强度、伸长率和弹性模量）与失重率之间的线性回归关系;通过拟静力试验,分析了不同锈蚀程度对平面钢框架结构抗震性能（荷载-位移曲线、骨架曲线、强度和刚度退化、耗能能力等）的影响,得到不同锈蚀程度下平面钢框架结构抗震性能的衰退规律。结果表明,锈蚀对平面钢框架结构的抗震性能有着显著的影响,随着锈蚀程度的加剧,平面钢框架结构的极限承载力和耗能能力明显降低,强度和刚度退化严重,而且脆性破坏显著。     

基于结构损伤的在役钢框架地震易损性研究

针对钢材锈蚀会致结构过早失效、需对不同龄期结构进行抗震性能评估问题,提出基于首超变形及累积塑性转角的双参数构件损伤模型;考虑构件与层权重系数建立结构整体损伤模型,定义结构4种破坏状态。通过已有钢材锈蚀规律引入时间参数,建立钢材多龄期本构与钢框架全寿命地震易损性模型,以9层梁柱焊接钢框架为例,选20条满足场地条件的地震波,对不同龄期（0年、25年、50年、75年、100年）钢框架分别进行动力增量（IDA）分析,所得不同龄期结构整体损伤指数与地震动参数（峰值加速度）之间满足指数关系,给出5个龄期、4种性能水平下结构易损性曲线。通过二次曲线回归拟合不同性态水平下结构破坏时峰值加速度（PGA）平均值及对数标准差与龄期关系,建立结构随龄期变化的连续失效概率函数,获得结构失效概率随龄期变化规律。     

考虑锈蚀黏结退化的钢筋混凝土桥墩抗震性能分析

受氯离子腐蚀作用影响,钢筋混凝土结构的抗震性能在其服役期内会发生退化。以钢筋混凝土桥墩为例,采用OpenSees有限元软件模拟了非锈蚀足尺桥墩的振动台试验以及锈蚀缩尺桥墩的拟静力试验结果,后者引入了氯离子腐蚀作用模型,同时考虑了桥墩的纵筋力学性能衰减以及粘结退化问题。随后基于概率地震需求模型对足尺桥墩的三种纵筋腐蚀工况进行了易损性分析。研究结果表明：采用非线性梁柱单元与零长度截面单元串联方式建立的数值模型能够有效模拟钢筋混凝土桥墩的足尺振动台试验结果和缩尺锈蚀拟静力试验结果;当纵筋腐蚀率较小时,纵筋的性能退化对墩顶最大位移影响不大,但基底剪力和基底弯矩下降明显;轻微破坏状态下,桥墩的抗震性能受纵筋锈蚀的影响不明显,随着破坏程度的加深,纵筋锈蚀对桥墩抗震性能的影响逐渐显著,较小的腐蚀率能导致桥墩的破坏概率发生较为明显的提高。研究内容可为考虑全寿命周期内性能退化的钢筋混凝土结构抗震设计提供参考。     

近海大气环境下锈蚀平面钢框架抗震性能试验研究及有限元分析

为研究近海大气环境下锈蚀钢框架结构的抗震性能,采用人工气候加速腐蚀技术对42件钢材材性试件和4榀平面钢框架进行加速腐蚀试验,然后对不同锈蚀程度的钢材材性试件进行拉伸破坏试验,获得锈蚀Q235B钢材力学性能指标（屈服强度、极限强度、伸长率和弹性模量）与其失重率的函数关系。并对4榀平面钢框架进行低周往复加载试验,研究了锈蚀对平面钢框架的破坏机制、滞回曲线、骨架曲线、刚度退化、延性及耗能能力等的影响。结果表明：4榀平面钢框架试件均发生了延性较好的破坏,呈现出混合屈服机制;但随着锈蚀程度的增加,试件承载力、耗能能力显著降低,强度和刚度退化明显,延性变差。在试验研究的基础上,利用通用软件ABAQUS对试验平面钢框架进行了非线性有限元分析,研究了轴压比对其力学性能的影响,结果表明：随着轴压比的增大,试件承载力、延性不断降低。     

基于氯盐最不利侵蚀下锈蚀RC框架结构时变地震易损性研究

基于一维Fick第二定律,采用DuraCrete规范中钢筋锈蚀初始时刻的概率预测模型,并基于概率统计的钢筋直径预测模型,计算不同龄期下RC结构中钢筋的锈蚀深度。基于修正斜压场理论并以锈蚀深度为单变量,对不同龄期下受压区锈胀开裂混凝土峰值应力进行计算;根据锈蚀深度对钢筋本构和Mander约束混凝土本构模型中相关参数进行了修正。于地震易损性模型中引入时间参数,建立含时间参数的RC结构地震易损性模型。最后,基于上述材料力学性能退化模型,采用基于力的纤维塑性铰模型,建立三层RC平面框架结构数值模型,并结合本文所提出的时变地震易损性模型,给出了三层平面RC框架0、5、10和15年龄期的易损性曲线和曲面。所提研究方法可用于既有RC框架结构生命周期内的抗震性能及损失预测分析。     

近海大气环境下锈蚀钢框架梁抗震性能试验及恢复力模型研究

为了研究近海大气环境下锈蚀钢框架梁的抗震性能,对5根钢框架梁进行了近海大气环境加速腐蚀试验和低周反复加载试验,分析了不同锈蚀程度对钢框架梁破坏模式、承载能力、变形能力及耗能能力等的影响。结果表明：随着锈蚀程度的增加,试件底端翼缘屈曲、腹板鼓曲及塑性铰形成所对应的位移逐渐减小;试件承载力及延性显著降低,强度和刚度退化明显,耗能变差。在试验研究的基础上,引入循环退化指数,建立了能够反应强度、刚度循环退化效应的锈蚀钢框架梁恢复力模型;并与试验滞回曲线进行对比,两者吻合较好,验证了该恢复力模型的适用性。研究成果为近海大气环境下在役钢结构的抗震性能评估奠定了试验与理论基础。     

锈蚀钢框架地震损伤模型研究

为了合理地描述锈蚀钢框架的地震破坏形式及不同程度的锈蚀对钢框架抗震性能的影响,在欧进萍等人提出的钢结构地震损伤模型的基础上建立锈蚀钢结构地震损伤模型。为确定锈蚀钢结构地震损伤模型参数,分别给出锈蚀梁、柱构件双线性恢复力模型特征点的计算方法,并通过弹塑性时程分析获得损伤模型中的其他参数数值。利用加权系数法合理地考虑锈蚀构件损伤向整体结构损伤迁移转化的多尺度效应,建立锈蚀钢框架整体地震损伤模型。结合该损伤模型的特点,定义了对应结构不同破坏等级的损伤指数范围。最后,对5榀具有不同锈蚀率的平面钢框架结构进行了弹塑性时程分析,结果表明:所建的损伤模型能在一定程度上反映钢框架结构随锈蚀程度的退化规律。     

锈蚀钢筋混凝土构件基于地震损伤的恢复力模型研究

为建立锈蚀钢筋混凝土构件恢复力模型,本文通过对6个锈蚀钢筋混凝土受弯构件低周反复荷载试验,得到不同锈蚀程度的各试件的滞回曲线及骨架曲线,分析了钢筋锈蚀对试件抗震性能的影响。根据试验成果,结合钢筋锈蚀引起结构破坏形态的改变,综合考虑钢筋锈蚀后引起结构截面几何损伤、钢筋和混凝土力学性能降低、粘结滑移性能劣化以及结构刚度退化等各种耐久性损伤因素,并考虑箍筋锈蚀引起结构延性的影响,提出了锈蚀钢筋混凝土构件基于地震损伤的恢复力模型的确定方法。通过与试验进行对比分析表明模型描绘的骨架曲线和滞回曲线与试验结果总体吻合较好,所描述的现象与试验一致,该恢复力模型可在损伤钢筋混凝土结构地震反应分析中采用。     

酸雨环境下锈蚀RC剪力墙恢复力模型研究

出于酸雨环境下锈蚀RC剪力墙结构抗震性能评估的需要,该文提出了酸雨环境下RC剪力墙宏观恢复力模型,通过对6榀锈蚀RC剪力墙拟静力试验结果进行回归分析,得到了考虑轴压比与钢筋锈蚀率影响的锈蚀RC剪力墙骨架曲线特征点荷载与位移修正系数计算公式,以循环退化速率来表征构件强度和刚度的退化,确定了基于循环耗能的循环退化指数β_i,并进一步建立了可考虑捏缩效应、屈服强度退化、峰值强度退化、卸载刚度退化及再加载刚度退化的锈蚀RC剪力墙滞回模型。与试验结果对比发现：采用该模拟方法得到的各试件的骨架曲线、滞回曲线以及试件破坏时的累积耗能均与试验结果吻合较好,表明所建立的锈蚀RC剪力墙宏观恢复力模型能较为准确的反应酸雨环境下RC剪力墙结构的力学性能及抗震性能,可为该类结构的抗震性能评估提供理论参考。     

大气环境腐蚀下钢结构力学性能研究综述

钢结构因质轻、强度高、建造方便、塑性及抗震性能好等优点越来越受到青睐。近几十年来,随着国内钢材产量及品种大幅提升,钢结构应用范围也越来越广,除传统的钢结构厂房外,钢结构也逐渐应用于高层、超高层及大跨度结构中。然而,钢结构有一个明显的缺点,即易腐蚀,暴露在大气环境中的钢结构,钢材表面会形成一种薄液膜,在干湿交替过程中对结构产生腐蚀。随着我国现代工业化进程的加快,环境问题日益突出,其中在富含SO_2的酸性大气环境和富含Cl~-的近海大气环境下钢材的腐蚀最为严重。钢材腐蚀不仅会造成巨大的经济损失,还会影响结构的安全稳定。钢材遭受腐蚀后,构件有效截面面积减小,强度和延性下降,不均匀腐蚀引起的锈坑会导致应力集中等,在动力荷载作用下,这些现象将引起钢材脆性断裂并影响疲劳强度,增加了钢结构风险事故发生的概率。大气环境腐蚀下钢结构性能的劣化已引起众多学者的关注。目前,国内外学者对钢材大气腐蚀的研究主要集中于:(1)钢材的大气腐蚀机理及影响因素;(2)不同大气腐蚀试验方法及其相关性;(3)钢材的大气腐蚀深度预测模型,目前虽已建立多种腐蚀深度预测模型,但要建立一种形式相对简单且精度高的预测模型仍需深入探讨;(4)大气腐蚀下钢材、钢构件的力学性能;(5)大气腐蚀下钢结构动态力学性能,此方面研究相对较少,目前国内外仍缺乏系统的报道。因此,为了明确大气环境(酸性和近海大气环境)腐蚀对钢结构性能的影响,本文对近50年国内外有关钢结构大气腐蚀的研究报道进行了评述,重点讨论了酸性、近海两种大气环境下,腐蚀对钢结构静态和动态力学性能的影响。首先分别详述了钢材在酸性(富含SO_2)、近海(富含Cl~-)大气环境下的腐蚀机理,以及大气腐蚀的影响因素;其次总结了钢材大气腐蚀试验方法,大气腐蚀下钢结构力学性能的相关研究;最后讨论了当前有关钢结构大气腐蚀研究的一些重要问题,并展望了今后的研究方向。     

基于pushover方法分析的受腐蚀钢筋混凝土柱抗震性能评价

根据先前对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结果,提出了构件滞回耗能与钢筋锈蚀率的关系,结合先前提出的受腐蚀构件的恢复力骨架曲线的计算模型,采用pushover方法对地震作用下的受腐蚀钢筋混凝土构件的变形性能进行了分析,得到钢筋锈蚀率与结构弹塑性变形的关系。分析结果表明,随着钢筋锈蚀率的增大,钢筋混凝土构件的变形呈非线性增大,地震强度越大,结构变形随钢筋锈蚀率增加的越快。在规定的变形要求下,随钢筋锈蚀率的增大,结构可承受的地震作用呈非线性降低,钢筋锈蚀越严重,构件在相同变形下承受地震作用的能力越弱。     

酸性大气环境下锈蚀钢框架结构振动台试验研究

为研究酸性大气环境下锈蚀钢框架结构的整体抗震性能,设计了2个不同锈蚀程度（S1、S2）的5层空间钢框架结构。利用气雾腐蚀箱对酸性大气环境进行人工模拟并对S2进行加速腐蚀（S1未锈蚀作为对比）。分别对2个结构进行振动台试验,测定了不同锈蚀程度钢框架结构的动力特性及加速度、位移、应变反应和破坏特征,研究了钢框架结构的地震响应随钢材锈蚀程度增大的变化规律。试验结果表明：锈蚀对整体结构的影响主要表现为：结构自振频率下降7.46%~9.76%,阻尼比、位移、应变增大,加速度反应、剪力响应明显降低;S1与S2的破坏形式基本相同,均为钢框架梁端部发生局部屈曲破坏,S2塑性变形程度较S1增大;8度多遇时,S1、S2地震响应相差不显著,随地震强度的增大,两者地震响应差异越明显;研究成果可为进行锈蚀钢框架的安全性评估提供试验支持。     

近海大气环境下锈蚀RC框架梁恢复力模型研究

为了研究近海大气环境下锈蚀RC框架梁的抗震性能,对8榀经受不同盐雾腐蚀循环作用的RC框架梁进行了低周反复加载试验,分析RC框架梁的滞回特性。基于试验结果,得到了带有负刚度段的三折线骨架曲线,并根据完好构件恢复力模型特征参数,得到了考虑钢筋锈蚀率和配箍率的锈蚀RC框架梁骨架曲线特征点计算公式。采用回归分析法,得到基于滞回耗能的循环退化指数,通过循环退化指数建立可综合考虑构件的捏拢效应、强度退化、卸载刚度退化、硬化刚度退化和再加载刚度加速退化的锈蚀RC框架梁恢复力模型。研究表明：随着钢筋锈蚀程度的增加,锈蚀RC框架梁的抗震性能劣化较明显,滞回耗能逐渐降低;配箍率对锈蚀RC框架梁恢复力特性的影响与未锈蚀RC框架梁相似;所建立的恢复力模型能够较好的描述锈蚀RC框架梁的滞回特性,可为该类结构的弹塑性时程分析提供理论参考。     

锈蚀钢筋与混凝土粘结性能研究综述

钢筋与混凝土之间能够协同工作的主要原因之一是两者间具有良好的粘结性能,但钢筋混凝土结构在服役过程中,侵蚀性介质会进入混凝土中引起钢筋的锈蚀,造成钢混构件粘结性能退化,进而影响混凝土结构的承载能力及服役寿命。因此,通过试验角度科学地认识钢筋锈蚀作用下钢筋混凝土之间粘结性能的变化规律,对于钢混结构的先期设计及服役期间构件的寿命预测都有着极其重要的意义。对于锈蚀钢筋与混凝土之间的粘结性能研究主要采用试验的方式,如梁式试验、中心拉拔试验及偏心拉拔试验等,通过相关的试验手段,对锈蚀钢筋混凝土构件的粘结特性(主要包括粘结强度、粘结刚度、粘结滑移量和粘结力的分布)等进行了探究,并分析了影响锈蚀钢筋混凝土构件粘结性能的因素,主要包括箍筋、混凝土特性、钢筋特性、裂缝宽度、电加速腐蚀电流密度、腐蚀形态等,并在相关试验数据的基础上建立了钢筋混凝土的粘结滑移本构关系及锈蚀率与粘结强度的关系模型。国内外仅对锈蚀作用(不考虑外荷载作用)下的钢混构件的粘结性能开展了较为系统的研究,并取得了一定的成果。研究表明,在锈蚀率较低时钢筋混凝土构件的粘结性能有所提高,但是随着锈蚀率的继续增大,粘结强度会迅速衰减。实际工程中的钢混结构,如高铁轨道梁(杂散电流与高铁荷载)、跨海大桥(环境腐蚀与车载)等,不仅受到腐蚀的威胁,还受到外载荷等其他因素的影响。但目前对腐蚀因素与外荷载(如疲劳荷载等)作用下钢混构件的粘结性能的研究相对较少。外载荷势必会对钢混构件的粘结性能造成影响,加速粘结强度的衰减,但由于影响粘结性能的因素较多、试验操作困难等,仍然需要对钢混构件的粘结性能进行深入的研究,以推动混凝土耐久性的进一步发展。本文总结了国内外研究锈蚀钢筋混凝土构件粘结性能的试验方法,从锈蚀粘结特性、粘结滑移本构关系、腐蚀疲劳作用下的粘结性能等方面综述了国内外关于锈蚀钢筋混凝土构件的最新研究成果,分析了现阶段研究中的不足之处,以期为锈蚀钢筋混凝土粘结性能的未来研究提供参考。     

锈蚀RC桥梁弯曲抗力时变概率模型与试验研究

在退化RC结构的时变性能评估、剩余寿命预测以及维修加固决策分析中,其抗力模型的建立至关重要。钢筋锈蚀导致钢筋的屈服强度降低、改变钢筋力学行为和影响钢筋与混凝土之间的粘结行为。钢筋腐蚀损失量影响钢筋的失效模式,即从延性破坏到脆性破坏变化。该文发展了退化RC 桥梁的概率抗力时变模型,可以定量考虑腐蚀对钢筋力学行为、倒塌机理和粘结性能的影响。建立退化结构的抗力概率模型可以抓住退化结构的退化机理、点蚀分布、结构尺寸参数、粘结行为、腐蚀扩展、钢筋失效模式和计算模型的随机性和变异性。RC 梁的加速腐蚀试验和旧桥的破坏性试验验证了该文模型的正确性和可靠性。     

锈蚀钢筋混凝土柱的修正压-剪-弯分析模型研究

为了研究立面差异化锈蚀桥墩在全寿命周期内的震后可恢复性能,该文基于结构震中响应和震后状态提出了一种“先判定损伤等级后评估可修复程度”的桥墩抗震韧性概率评价方法。以地震易损性分析为基础,基于最大位移角-残余位移角组合指标构建桥墩震后可恢复性曲线,给出桥墩各级破坏状态下多级可修复程度的概率计算方法。根据海洋环境的腐蚀特点,建立了立面差异化锈蚀桥墩的有限元模型,通过Pushover分析研究了全服役期内桥墩抗震性能的退化规律。采用增量动力分析(IDA)方法对不同服役年限的桥墩进行地震易损性分析,根据墩顶最大位移角定义桥墩破坏状态、以峰值加速度(PGA)表征地震动强度,从而建立起桥墩时变地震易损性曲线。以残余位移角为参考指标,对桥墩不同服役时间的各级破坏状态进行震后可修复程度的分类与统计,通过构建可恢复性曲线实现桥墩不同破坏状态下各级修复难度的概率评估。研究结果表明,随着服役时间的增长,钢筋锈蚀会导致桥墩抗震性能的不断退化。相比未锈蚀情况,桥墩服役100年后,承载力下降约20.22%,而侧向变形能力降幅可达75.30%。同时,随着服役时间的增长,桥墩各级破坏状态的地震失效概率逐渐增大,且震后修复难度也随之提高。当PGA为0.6 g时,桥墩从未锈蚀到服役100年,发生严重破坏的超越概率由16.92%上升到了35.66%,而震后需要简单修复的概率由14.17%上升至26.49%,并出现了较难修复和难以修复的情况。

     

基于性能的高层混合结构地震易损性分析

研究地震作用下高层钢框架-混凝土核心筒结构的易损性问题。通过基于性能的静力弹塑性分析,根据结构极限损伤状态定义了混合结构地震需求参数的四个性能水平限值。考虑地震动输入的不确定性,通过弹塑性动力时程分析获得结构地震响应,建立了两个地震需求参数与地震动强度指标之间的关系,结合性能水平限值提出能有效评估结构地震响应的易损性分析方法。最后对两个不同节点连接方式的高层混合结构进行了基于性能水平限值的地震易损性分析,绘制结构的地震易损性曲线,对结构抗震性能进行评估和对比分析。     

腐蚀环境中Q345等边角钢构件拟静力试验研究

腐蚀将改变钢材的化学和物理特性,使得构件性能退化,严重影响结构的抗震性能。为此,该文首先通过重庆地区年降雨时间建立了混合概率模型,将该混合模型与酸雨对金属的腐蚀特点相结合给出了三种不同方式的腐蚀模型。然后,利用腐蚀模型对14个足尺Q345等边角钢试件和25个材性试件展开了不同方式和不同时间的腐蚀,并由材性试验结果对Q345钢力学性能参数的变化规律进行分析和建模。最后,通过拟静力试验,研究了腐蚀环境对Q345等边角钢构件破坏模式、滞回曲线以及主要抗震性能评价参数的影响规律,建立了与之对应的退化模型。结果发现：1) 材性性能随腐蚀损伤增加而退化,甚至出现屈服点消失;2) 承载力的试验值和理论值均因腐蚀损伤而降低,但规范计算公式并不能有效考虑腐蚀损伤;3) 腐蚀损伤使得往复加载次数和滞回环面积减少,刚度退化幅值显著减小,延性和耗能能力降低。