锈蚀钢筋混凝土柱的修正压-剪-弯分析模型研究

随着服役时间的增加,混凝土结构中钢筋易发生锈蚀,引起混凝土结构承载性能下降,严重影响工程结构的继续使用。该文在分析纵筋锈蚀后的屈曲效应、箍筋锈蚀后的约束效应、混凝土和钢筋材料性能劣化的基础上,建议了考虑锈蚀影响的钢筋、混凝土及锈蚀钢筋与混凝土界面粘结性能的本构模型,以锈蚀钢筋混凝土柱为研究对象,对反复荷载作用下钢筋混凝土柱的分析模型进行修正,建立了锈蚀钢筋混凝土柱压-剪-弯交互作用下极限承载力计算模型,并通过21根锈蚀混凝土柱的试验结果对建议分析模型进行了验证。研究结果表明:锈蚀钢筋混凝土柱极限承载力试验值与计算值之比的平均值为1.021,方差为0.014,建议模型极限承载力预测值与试验结果吻合较好,可用于低周反复荷载作用下锈蚀钢筋混凝土柱的承载力分析。     

基于改进PF算法的锈蚀RC结构抗弯承载力预测方法

为提高锈蚀钢筋混凝土(RC)结构抗弯承载力评估精度，该文综合考虑锈蚀RC结构几何尺寸、钢筋截面积及力学性能、混凝土强度、粘结性能等因素，提出了基于改进粒子滤波(PF)算法的抗弯承载力模型参数更新及预测方法。通过生成大量的粒子以表征承载力退化过程中模型参数的不确定性，从选择不同建议密度函数的角度改进PF算法以解决传统PF算法中粒子退化的问题，分别采用PF、扩展粒子滤波(EPF)、无迹粒子滤波(UPF)算法对模型参数进行估计与更新，实现了锈蚀RC结构抗弯承载力的有效预测。结果表明：随着钢筋锈蚀率的增加，RC结构的抗弯承载力逐渐降低。基于改进PF算法的锈蚀RC结构抗弯承载力预测方法因考虑了模型参数更新使得预测结果更接近试验数据。基于EKF和UKF的改进PF算法可有效抑制粒子退化，其预测精度较PF算法更高；锈蚀RC结构抗弯承载力预测精度随着训练数据及粒子数的增加而提高。     

基于有效累积滞回耗能的钢筋混凝土构件承载力退化模型

在模拟地震作用下建筑结构的非线性响应时,应正确考虑构件的累积损伤对结构性能的影响。钢筋混凝土构件在反复受力下的承载力退化是其累积损伤的重要体现。该文根据不同加载路径下钢筋混凝土柱的试验资料,通过考察不同加载路径对构件承载力退化的影响,指出累积滞回耗能引起的构件损伤程度,与产生该累积滞回耗能的位移幅值有关。基于这一结果,该文提出了有效累积滞回耗能的概念,以综合考虑累积滞回耗能和相应的位移幅值对承载力退化的影响。与试验结果的比较表明,有效累积滞回耗能与构件承载力退化程度之间有良好的相关性。分析结果表明,所建议的基于有效累积滞回耗能的承载力退化模型可较好地模拟不同往复加载路径下钢筋混凝土构件的滞回曲线。     

锈蚀和疲劳耦合作用下梁桥时变承载力评估

钢筋混凝土桥梁在环境和荷载双重作用下将出现锈蚀、粘结退化和疲劳损伤,现有承载力计算方法不能同时考虑三者的综合影响。根据已有成果系统阐述锈蚀、粘结退化和疲劳损伤对承载力的影响,分析锈蚀和疲劳耦合作用下的钢筋面积退化情况。根据锈蚀钢筋与混凝土界面间的变形协调关系推导多因素影响下截面协同工作系数的表达式,提出同时考虑锈蚀、粘结退化和疲劳损伤的承载力计算方法。以钢筋混凝土简支梁为例,对其承载力退化过程进行理论分析和数值模拟。结果表明:所提出的承载力评估方法可以合理准确地反映桥梁在疲劳和锈蚀耦合作用下的承载力退化过程,可为计算锈蚀和疲劳耦合作用下桥梁承载力评估提供参考。     

既有钢筋混凝土拱肋承载力测试与分析

对于服役多年的钢筋混凝土桥梁,混凝土开裂、钢筋锈蚀等存在着复杂性和随机性,对其性能影响很大。基于实桥两根服役28年的钢筋混凝土拱肋极限承载能力试验研究,详细阐述了拱肋的荷载位移、荷载应变关系、残余承载力以及失效形势,分析了影响承载力的相关因素,给出了服役多年混凝土的本构关系,分别建立了考虑与未考虑老化与损伤的拱肋极限承载能力的有限元计算模型,并对比分析了理论计算值和实验结果。各项研究表明初始裂缝、钢筋锈蚀和拱轴线的线形对结构的承载能力和失效形势有较大影响。     

基于材料损伤的钢筋混凝土构件损伤模型

基于地震作用下钢筋混凝土结构的损伤机理, 以钢材和混凝土材料损伤模型为基础, 推导出损伤状态下钢筋混凝土构件刚度和材料自由能退化表达式, 提出一种以刚度退化和自由能退化线性组合的钢筋混凝土构件损伤模型. 对钢筋混凝土柱的拟静力试验进行模拟分析, 结果表明该模型可以较好的描述钢筋混凝土柱的损伤演化过程, 且能够定量确定其在单向荷载作用下与之正交方向的损伤程度;对钢筋混凝土桥墩的振动台试验数据和钢筋混凝土刚构桥的数值算例进行了模拟分析, 结果表明基于材料损伤的钢筋混凝土构件损伤模型可以描述钢筋混凝土桥墩抗震能力的退化过程以及预测结构的失效模式, 可用于地震作用下桥梁结构的损伤分析.     

钢筋混凝土桥梁疲劳累积损伤失效过程简化分析方法

为了有效预测疲劳损伤累积程度与桥梁剩余寿命,提出了钢筋混凝土桥梁结构在运营荷载下疲劳失效全过程数值模拟的简化方法。首先,根据混凝土及钢筋疲劳刚度退化、疲劳强度退化与疲劳残余变形演变规律,建立了混凝土及钢筋经历任意次数疲劳加载后的剩余强度包络线方程,基于混凝土单轴本构模型和钢筋理想弹塑性模型,建立了混凝土及钢筋疲劳本构模型;然后,在此基础上对文献提出的疲劳全过程分析法进行了改进,提出了疲劳损伤累积失效全过程数值分析法;最后,基于ABAQUS 软件平台和该文方法,对某钢筋混凝土简支梁算例进行疲劳全过程数值分析。结果表明:利用该文方法得到的模拟值与试验值的相对误差处于合理范围之内,验证了该文方法的可靠性和实用性。     

锈胀钢筋混凝土拱肋承载力试验与模拟

为研究锈胀损伤对钢筋混凝土拱肋极限承载力的影响,制作了4片钢筋混凝土圆弧拱肋,通过电化学快速锈蚀使其表面产生不同程度的锈胀裂缝,讨论了初始锈胀裂缝的分布情况,研究了锈胀拱肋的裂缝发展、不同位置处位移和应变、极限承载力及失效模式。试验结果表明:锈胀削弱了混凝土截面尺寸和刚度,降低了钢筋与混凝土间的粘结性,是承载力退化的主要原因之一;锈胀导致的拱肋极限承载力下降率约为60%;锈胀未改变拱肋的失效模式,所有拱肋均在一侧拱脚发生脆性破坏。在试验的基础上,建立了锈胀钢筋混凝土拱肋的有限元计算模型,由于RC拱肋存在大面积锈胀,模型中未考虑混凝土保护层的影响,计算结果和试验值较为接近,为日后有限元建模提供一定参考。     

锈蚀钢筋混凝土梁抗剪承载力预测经验模型

该文总结了172组锈蚀钢筋混凝土梁抗剪承载力试验数据,并利用这些数据与现有的锈蚀钢筋混凝土梁抗剪承载力计算模型的预测值进行了对比分析研究,结果表明:现有的计算模型对锈蚀钢筋混凝土梁抗剪承载力的估计是偏于保守的,且离散性较大。该文基于欧洲规范的抗剪承载力公式,考虑锈蚀后钢筋的屈服强度、锈蚀后梁截面有效宽度、箍筋锈蚀对箍筋承担剪力部分的折减、纵筋锈蚀对混凝土承担剪力部分的折减等影响因素,提出了集中荷载下有腹筋梁锈蚀后抗剪承载力经验预测模型,该模型计算值与试验结果吻合较好,为锈蚀钢筋混凝土梁抗剪承载力的预测和评估提供了更有效的计算方法。     

侵蚀环境下FRP条带加固锈蚀钢筋混凝土圆柱轴心受压试验

通过侵蚀环境下碳纤维增强聚合物(CFRP)复合材料条带和玻璃纤维增强聚合物(GFRP)复合材料条带加固锈蚀钢筋混凝土圆柱试验,分析了侵蚀环境对混凝土强度、纤维增强聚合物基复合材料加固锈蚀柱的极限荷载和荷载-轴向位移曲线的影响。结果表明,混凝土强度受冻融环境影响较大,受干湿环境影响较小;纤维增强聚合物(FRP)复合材料加固锈蚀柱的轴向极限荷载与冻融循环次数、钢筋锈蚀率及FRP复合材料种类有关,随冻融循环次数分别增加到25次、50次、75次,GFRP复合材料条带和CFRP复合材料条带加固锈蚀钢筋混凝土圆柱的轴向极限荷载分别降低了10.97%、13.37%、16.04%和5.95%、4.66%、4.33%;FRP复合材料加固锈蚀柱的刚度和耗能受侵蚀环境种类、侵蚀环境作用次数、锈蚀率及FRP复合材料种类的影响。在试验研究的基础上,通过理论分析侵蚀环境下混凝土强度损伤系数和锈蚀钢筋强度退化方程,提出了侵蚀环境下FRP复合材料条带加固锈蚀钢筋混凝土圆柱轴心受压承载力计算方法。      

剪力墙的型式、设计理论研究进展

该文回顾了近几十年来剪力墙在材料和截面型式上的发展历程。由于剪力墙体系在承载性能、抗震性能以及建筑布局上的优势，其已经越来越多地被应用到多高层建筑和住宅结构中。剪力墙经历了钢筋混凝土、纯钢、钢-混凝土组合的发展历程。随着材料和截面型式的不断更新，剪力墙逐步体现出高性能、装配化的发展方向，符合目前中国住宅建筑的发展需求。该文着重介绍了多种型式的波形钢板剪力墙的受力机理、设计理论研究过程及其在单调荷载作用和水平往复荷载作用下的试验研究成果，并阐述了波形钢板混凝土组合墙的受力机理和装配化加工过程，说明了针对波形钢板混凝土组合墙的截面强度承载力、整体稳定承载力、墙肢稳定承载力和抗震性能等问题的研究过程、试验结果以及设计理论，给出了部分关键设计公式。该文还介绍了《波形钢板组合结构技术规程》的适用范围和编制内容，也简要说明了波形钢板混凝土组合墙-钢管混凝土异形截面柱框架结构体系中异形柱的设计方法。     

钢筋混凝土柱冻融损伤模型研究

为研究冻融后钢筋混凝土柱在地震作用下的响应,根据冻融损伤在构件截面分布的不均匀性,基于纤维截面分析方法,提出可考虑该分布的混凝土强度退化模型,以及等效冻融循环次数的计算方法。根据8榀考虑冻融影响的钢筋混凝土柱拟静力加载试验数据,对该文提出的模型进行了验证,同时与既有考虑冻融的混凝土模型进行了对比分析。结果表明:与未考虑冻融损伤分布的既有模型相比,该文模型的计算承载力较小,与试验数据吻合更好,即能够更准确地模拟不同程度冻融损伤后钢筋混凝土柱的地震反应。     

锈蚀-疲劳耦合作用下钢筋混凝土梁挠度计算方法研究

为探究锈蚀-疲劳耦合作用下钢筋混凝土梁的结构力学行为及刚度退化规律，设计了3组不同应力幅作用的钢筋混凝土梁锈蚀-疲劳耦合持荷试验，分析了各试验梁的疲劳寿命及刚度演化规律。结果表明，钢筋、混凝土疲劳和钢筋的锈蚀耦合作用下，钢筋混凝土构件的疲劳寿命显著降低，疲劳梁和锈蚀疲劳耦合梁的挠度发展曲线均呈现“突增-稳定-突增”的变化规律，且锈蚀疲劳耦合梁在第二阶段的挠度发展速率要远大于同应力幅下的疲劳加载梁。该方法在既有规范基础上分别改进了现有疲劳梁和锈蚀疲劳耦合作用下结构的挠度计算方法，可以有效考虑钢筋疲劳作用、外荷载应力幅、混凝土模量退化、钢筋锈蚀等因素的影响，其计算值与试验值吻合较好，验证了该文提出的刚度计算模型的有效性。     

型钢再生混凝土框架-空心砌块墙抗侧刚度试验研究

为研究型钢再生混凝土结构(SRRC)的抗侧力性能,进行了3榀不同填充程度的型钢再生混凝土框架-再生混凝土空心砌块墙体混合结构的低周反复荷载试验。通过测试试件在侧向力作用下的受力过程和破坏形态,研究型钢再生混凝土框架结构的受力机理和抗震性能,获得了再生混凝土空心砌块墙体对框架的承载力和抗侧刚度的影响;分析结构在不同受力阶段的承载力和刚度变化情况,以及结构在同级循环荷载作用下的刚度退化规律。结果表明:型钢再生混凝土框架-再生混凝土空心砌块填充墙结构具有较高的承载力和抗侧刚度,全高填充墙对型钢再生混凝土框架抗侧刚度的影响较大,结构初始刚度大,而刚度衰减快,半高填充墙在结构受力初期可提高结构承载力和刚度,而在受力后期具有与空框架相似的退化规律。     

锈蚀预应力混凝土梁承载力及破坏模式研究

随着服役时间增长,侵蚀环境下预应力混凝土梁因受力筋发生锈蚀而造成其延性与承载力降低,严重影响结构的安全使用。为分析侵蚀环境下预应力混凝土梁的承载性能,以集中荷载作用下锈蚀预应力混凝土梁为研究对象,分析混凝土梁锈蚀后各材料性能的劣化与预应力对其承载能力的影响,基于桁架-拱模型给出了桁架作用与拱作用的荷载分配系数,建立了预应力混凝土梁承载力计算模型及破坏模式判别方法,并通过76根预应力混凝土梁的试验数据对建议模型进行验证。研究结果表明:预应力混凝土梁承载力试验值与计算值之比的平均值为1.116,方差为0.033,吻合较好;基于建议分析模型对预应力混凝土梁破坏模式的预测判别与试验梁破坏模式符合程度较高,且该模型能反映预应力混凝土梁随着锈蚀程度增大其破坏模式发生演变这一特征。该文建议的理论模型可用于锈蚀预应力混凝土梁的承载力计算与破坏模式预测分析。     

往复荷载下锈蚀钢筋与混凝土粘结性能的试验研究

针对钢筋混凝土结构在服役过程中钢筋锈蚀以及承受往复荷载工况下引起的钢筋混凝土材料耐久性能劣化会对钢筋混凝土间的粘结性能产生影响，设计并制作了48根粘结区带裂缝的钢筋混凝土梁式试件，以研究在承受不同往复荷载工况(往复荷载幅度分别为极限荷载的0%、10%、20%及30%)、四种钢筋锈蚀率(0%、3%、5%及7%)以及往复荷载与钢筋锈蚀耦合工况下钢筋与混凝土粘结性能的变化情况。结果表明：钢筋锈蚀会影响试件破坏状态；施加往复荷载过程中残余滑移的增长主要发生在前六个循环，且残余滑移随着钢筋锈蚀率以及往复荷载幅度的增加而增大；耦合工况会进一步促进粘结性能的劣化，且粘结强度损失率随着钢筋锈蚀率和往复荷载幅度的增加而增大。该研究可为对应工况下钢筋混凝土构件的现状评估提供理论参考依据。     

600MPa级钢筋混凝土柱抗震性能试验研究

为研究配置600 MPa级钢筋混凝土柱的抗震性能,对5个配置600 MPa级钢筋混凝土柱和1个对比普通钢筋混凝土柱进行低周往复荷载试验;分析了钢筋强度、箍筋间距和轴压比对试件破坏形态、滞回性能、承载力及延性、耗能性能以及刚度与强度退化的影响。研究结果表明:试件仍主要发生弯曲破坏,但600 MPa级纵筋与混凝土间出现了明显的粘结失效,且纵筋容易断裂;提高钢筋强度,试件的承载力和能量耗散均显著增加,但延性和耗能能力有所降低;而增大箍筋间距会明显降低试件延性和耗能能力,加快试件后期的强度衰减,但基本不影响承载力。总体上看,600 MPa级钢筋混凝土柱具有较好的抗震性能,能通过合理的设计将其应用于抗震结构中。     

锈胀开裂钢筋混凝土粘结疲劳性能试验研究

重复加载和锈胀开裂均会导致钢筋混凝土粘结性能退化,进而对钢筋混凝土构件力学性能产生不利影响。该文开展了一系列偏心拔出试验,研究了重复加载以及锈胀开裂对粘结滑移性能的耦合影响规律。主要研究变量包括重复加载次数、应力水平以及钢筋锈蚀程度。结果表明:重复加载对非锈蚀试件和锈胀开裂试件粘结强度及峰值滑移没有显著影响,但会导致钢筋和混凝土之间不断累积残余滑移。重复加载后,粘结应力-滑移曲线形态特征与单调加载试件相似。该文还发现表面锈胀裂缝宽度对粘结强度、峰值滑移以及残余滑移的增长规律有明显影响。锈胀开裂会导致钢筋混凝土试件粘结疲劳寿命显著下降。基于试验数据及文献中研究结论,该文建立了重复及单调荷载作用下非锈蚀及锈胀开裂试件的局部粘结应力-滑移本构关系模型,推导得到了粘结疲劳寿命预测模型。     

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。     

基于扩展有限元进行钢筋混凝土柱捏拢效应的机理分析

预测地震荷载下钢筋混凝土柱的力学性能,对评估震后混凝土结构的安全性和震害损失具有重要意义。由于混凝土材料在受力过程中的复杂性,目前对钢筋混凝土结构力学性能的模拟主要依靠数值方法。已有的数值模拟方法大都基于有限元法,将混凝土视为连续体,通过人为定义参数来指定混凝土的滞回本构,因此存在一定的主观性与局限性。该文结合扩展有限元法与断裂准则,直接模拟混凝土裂缝的开展与闭合,并考虑钢筋和混凝土的粘结滑移作用,通过数值计算,直接再现了钢筋混凝土结构在低周反复荷载下的力学行为。模拟方法得到了试验的验证,与结果吻合较好。该文进一步分析了钢筋混凝土柱的滞回行为中混凝土、钢筋的各自作用和相互抵消行为,从细观的角度,在机理上揭示了捏拢效应出现的三个主要原因。