Robustness of corroded reinforced concrete structures – a structural performance approach

The aim of this work is to provide new contributions in order to define more accurately the structural robustness concept, particularly when applied to corroded reinforced concrete (RC) structures. To fulfil such a task, several robustness indicators are analysed and discussed with special emphasis on structural-performance-based measures. A new robustness definition and a framework are then proposed for its analysis, based on the structural performance lost after damage occurrence. The competence of the proposed methodology is then tested comparing the robustness of two RC foot bridges under corrosion. The damage considered is the longitudinal reinforcement corrosion level, and load carrying capacity is the structural performance evaluated. In order to analyse corrosion effects, a finite element (FE) based on a two-step analysis is adopted. In the first step, a cross-section analysis is performed to capture phenomenons such as expansion of the reinforcement due to the corrosion products accumulation; damage and cracking in the reinforcement surrounding concrete; steel–concrete bond strength degradation; effective reinforcement area reduction. The results obtained are then used to build a 2D structural model, in order to assess the maximum load carrying capacity of the corroded structure. For each foot bridge, robustness is assessed using the proposed methodology.     

基于机器学习的钢筋混凝土柱失效模式两阶段判别方法增强出版（附加材料可在文章详情页“评审附件”下载）

钢筋混凝土柱在侧向地震力作用下具有弯曲、剪切和弯剪三种失效模式。不同的失效模式下钢筋混凝土柱具有不同的地震损伤特征。因此,准确地判别钢筋混凝土柱的失效模式对于准确评估钢筋混凝土结构的抗震性能具有重要意义。利用已有的钢筋混凝土柱滞回加载试验数据,采用机器学习方法,提出了一种钢筋混凝土柱失效模式两阶段判别方法。其中,第一阶段以钢筋混凝土柱的基本设计参数为输入变量,采用机器学习中的回归算法,建立钢筋混凝土柱的受弯承载力、受剪承载力、弯曲变形和剪切变形预测模型。第二阶段以钢筋混凝土柱的受弯承载力、受剪承载力、弯曲变形和剪切变形作为输入变量,采用机器学习中的分类算法,对钢筋混凝土柱的失效模式进行自动判别,实现了准确判别钢筋混凝土柱失效模式的目的。研究结果表明：极端随机树、AdaBoost、随机森林和梯度提升算法分别对受弯承载力、受剪承载力、弯曲变形和剪切变形的预测效果最佳;极端随机树、梯度提升算法和最近邻居法分别对弯曲失效、剪切失效和弯剪失效具有最佳的分类效果;相比已有的钢筋混凝土柱失效模式分类方法,提出的两阶段分类方法具有与真实失效模式最为接近的分类结果,分类精度可以达到96%。     

Seismic fragility analysis of reinforced concrete structures considering reinforcement corrosion

钢筋锈蚀是影响钢筋混凝土结构耐久性的一个重要因素，会引起结构的自振周期延长、地震需求变化及抗震能力衰减，使得锈蚀钢筋混凝土结构的地震易损性分析不同于未锈蚀钢筋混凝土结构。以一栋按我国规范设计的RC框架结构为研究对象，分别建立了未锈蚀和锈蚀结构的非线性有限元模型并进行了模型验证。分别采用云图法和条带法计算得到了钢筋混凝土结构在未锈蚀和锈蚀两种工况下的地震易损性曲线和函数参数，对锈蚀钢筋混凝土结构地震易损性分析的特殊性及其对地震易损性分析结果的影响进行了分析。分析结果表明：不考虑钢筋锈蚀引起的结构自振周期延长会错误估计锈蚀钢筋混凝土结构的地震易损性水平。采用云图法分析锈蚀钢筋混凝土结构的地震易损性会出现锈蚀结构的极限状态失效概率低于未锈蚀结构的情况。而条带法比云图法可以更好地反映钢筋锈蚀对钢筋混凝土结构地震易损性的影响。忽略钢筋锈蚀引起的结构抗震能力衰减会低估锈蚀钢筋混凝土结构地震易损性水平，建议在锈蚀钢筋混凝土结构地震易损性分析中采用基于Pushover的极限状态定义方法。     

A machine-learning-based two-step method for failure mode classification of reinforced concrete columns

钢筋混凝土柱在侧向地震力作用下具有弯曲、剪切和弯剪三种失效模式。不同的失效模式下钢筋混凝土柱具有不同的地震损伤特征。因此，准确地判别钢筋混凝土柱的失效模式对于准确评估钢筋混凝土结构的抗震性能具有重要意义。利用已有的钢筋混凝土柱滞回加载试验数据，采用机器学习方法，提出了一种钢筋混凝土柱失效模式两阶段判别方法。其中，第一阶段以钢筋混凝土柱的基本设计参数为输入变量，采用机器学习中的回归算法，建立钢筋混凝土柱的受弯承载力、受剪承载力、弯曲变形和剪切变形预测模型。第二阶段以钢筋混凝土柱的受弯承载力、受剪承载力、弯曲变形和剪切变形作为输入变量，采用机器学习中的分类算法，对钢筋混凝土柱的失效模式进行自动判别，实现了准确判别钢筋混凝土柱失效模式的目的。研究结果表明：极端随机树、AdaBoost、随机森林和梯度提升算法分别对受弯承载力、受剪承载力、弯曲变形和剪切变形的预测效果最佳；极端随机树、梯度提升算法和最近邻居法分别对弯曲失效、剪切失效和弯剪失效具有最佳的分类效果；相比已有的钢筋混凝土柱失效模式分类方法，提出的两阶段分类方法具有与真实失效模式最为接近的分类结果，分类精度可以达到96%。     

锈蚀钢筋混凝土结构地震易损性分析

钢筋锈蚀是影响钢筋混凝土结构耐久性的一个重要因素,会引起结构的自振周期延长、地震需求变化及抗震能力衰减,使得锈蚀钢筋混凝土结构的地震易损性分析不同于未锈蚀钢筋混凝土结构。以一栋按我国规范设计的RC框架结构为研究对象,分别建立了未锈蚀和锈蚀结构的非线性有限元模型并进行了模型验证。分别采用云图法和条带法计算得到了钢筋混凝土结构在未锈蚀和锈蚀两种工况下的地震易损性曲线和函数参数,对锈蚀钢筋混凝土结构地震易损性分析的特殊性及其对地震易损性分析结果的影响进行了分析。分析结果表明：不考虑钢筋锈蚀引起的结构自振周期延长会错误估计锈蚀钢筋混凝土结构的地震易损性水平。采用云图法分析锈蚀钢筋混凝土结构的地震易损性会出现锈蚀结构的极限状态失效概率低于未锈蚀结构的情况。而条带法比云图法可以更好地反映钢筋锈蚀对钢筋混凝土结构地震易损性的影响。忽略钢筋锈蚀引起的结构抗震能力衰减会低估锈蚀钢筋混凝土结构地震易损性水平,建议在锈蚀钢筋混凝土结构地震易损性分析中采用基于Pushover的极限状态定义方法。     

Exploring the impact of chloride-induced corrosion on seismic damage limit states and residual capacity of reinforced concrete structures

A non-linear finite element (FE) framework for time-dependent capacity assessment of corroded rectangular reinforced concrete (RC) columns is developed. The proposed non-linear FE model includes the impact of corrosion on inelastic buckling and low-cycle fatigue degradation of longitudinal reinforcement. The proposed non-linear FE model is validated against a set of experimental data and then extended to evaluate the impact of corrosion on damage limit states to be used in seismic performance and evaluation of corroded structures. This is done through a parametric study on hypothetical RC columns, varied in axial force ratios, mass loss ratios, cover crack widths and confinement levels. Moreover, the application of the proposed model in seismic collapse capacity assessment of corroded structures is shown through non-linear dynamic analyses of prototype columns. Results show that, depending on the axial force ratio, corrosion changes the failure mechanism of the columns. The results of this study suggest that in seismic fragility analysis of corroded structures, the damage limit states should be considered as time-variant parameters.     

钢筋混凝土框架结构基于时变的抗震性能研究

钢筋混凝土结构在使用过程中由于钢筋锈蚀抗震性能退化。为了研究钢筋混凝土框架结构在正常使用环境下随使用时间的增加其抗震性能的退化规律,采用通用有限元分析软件ABAQUS对锈蚀钢筋混凝土框架进行多尺度建模以提高计算精度并保证计算效率。基于锈蚀钢筋混凝土构件及单榀框架的试验数据,验证了多尺度建模方法的正确性。采用多尺度模型对4层钢筋混凝土框架结构进行了静力推覆分析及弹塑性时程分析,对比不同使用时间的钢筋混凝土框架结构的地震反应和损伤情况。结果表明：当使用时间为25a时,结构的抗震性能与新建结构接近;当使用时间超过50a时,随着使用时间的增加,结构的承载能力及刚度退化明显,在地震作用下的位移响应逐渐增大,地震损伤范围不断扩大;相比新建结构,当使用时间为50、75a和100a时,结构的抗侧承载力分别降低了6.2%、14.1%及18.1%,罕遇地震作用下的最大层间位移角分别增大了9.2%、19.8%及25.1%。     

锈蚀钢筋混凝土柱滞回性能的研究

通过有限元ABAQUS软件模拟钢筋混凝土柱的低周反复试验,研究锈蚀率,轴压比对滞回性能的影响。结果表明:随着锈蚀率和轴压比的增大,钢筋混凝土柱的滞回性能和延性逐渐降低,且在锈蚀率为30%和轴压比为0.4状态下更容易发生脆性破坏。当锈蚀率一定的情况下,钢筋混凝土柱的延性随着轴压比的增加而降低,累积耗能减小,耗能能力降低。研究成果或可为锈蚀钢筋混凝土柱的抗震性能评估提供参考。     

基于车辆荷载的锈损公路桥梁疲劳性能试验研究

采用湿盐砂锈蚀方法获得腐蚀环境钢筋混凝土劣化试件,选取与车辆荷载作用下公路桥梁实际承受的疲劳应力水平,通过8根锈蚀钢筋混凝土梁的弯曲疲劳试验,分析了锈蚀钢筋混凝土梁的疲劳破坏形态及应力水平和钢筋锈蚀率对梁疲劳性能的影响规律。试验结果表明,锈蚀梁的疲劳破坏形态为主筋脆性断裂;在设计应力水平作用下,疲劳加载满足规范200万次要求;在桥梁实际应力水平作用下,未锈蚀试验梁的平均疲劳寿命较规范值减少6.71%;锈蚀较严重的试验梁疲劳寿命较规范值减少13.57%,较同应力水平的未锈蚀梁疲劳寿命减少42.54%,锈蚀对试验梁的疲劳寿命影响显著。随着疲劳循环次数的增加,锈蚀梁钢筋内部出现疲劳损伤、抗弯刚度逐渐退化,混凝土残余应变累积,裂缝演变基本符合快速增加、稳定发展、急剧变化的“三阶段”发展规律。根据试验结果,建立S-N疲劳寿命方程,提出了锈蚀钢筋混凝土梁疲劳寿命计算方法,研究结果为桥梁结构疲劳性能评估提供理论依据。     

锈蚀钢筋混凝土柱基于变形的性能指标研究

采用ABAQUS有限元软件,对按GB 50011-2010《建筑抗震设计规范》和GB 50010-2010《混凝土结构设计规范》设计的342个锈蚀钢筋混凝土柱进行有限元分析,研究钢筋的锈蚀率、轴压比、剪跨比、配箍率和纵向钢筋配筋率等参数对钢筋混凝土柱变形性能的影响。结果表明：当钢筋的锈蚀率较小时,构件的变形性能受锈蚀率影响不大;当钢筋的锈蚀率达到10%以后,构件的破坏形态发生改变,变形能力急剧退化;随着轴压比的增大,构件的变形能力降低;轴压比较小的构件变形性能受剪跨比影响比轴压比较大的构件明显;随着配箍率和纵向钢筋配筋率的增大,构件的变形能力有所提高;提出了锈蚀钢筋混凝土柱抗震性能等级和性能界限状态的划分方法,以塑性转角作为变形性能指标,对数值计算结果进行统计分析,得到了锈蚀钢筋混凝土柱各性能界限点的塑性转角统计特征值。研究成果可为钢筋混凝土结构全寿命的性能化抗震设计和抗震性能评估提供参考。     

碳纤维布加固锈蚀钢筋混凝土梁的抗弯刚度

利用外加电流加速锈蚀法获得锈蚀钢筋混凝土梁,对其粘贴碳纤维布加固后进行受弯试验,并对加固试验梁建立有限元模型,研究其在静力荷载作用下的抗弯刚度和变形能力。结果表明,随钢筋锈蚀率增大,碳纤维布加固锈蚀钢筋混凝土梁的抗弯刚度发生退化,极限变形能力逐渐削弱。粘贴纵向碳纤维布在一定程度上能够提高锈蚀钢筋混凝土梁的抗弯刚度,设置横向U形箍则能有效提高加固体系的整体工作性能。在试验及分析结果基础上,按照传统钢筋混凝土梁截面抗弯刚度解析分析方法的思路,引入钢筋应变综合系数来考虑锈蚀钢筋与混凝土间粘结性能退化对梁抗弯刚度的影响,并根据试验梁和钢筋不同锈蚀程度有限元模型梁的计算刚度进行反推计算,建立了钢筋应变综合系数的计算公式,进而提出了碳纤维布加固锈蚀钢筋混凝土梁抗弯刚度的计算方法。与试验结果及有限元模拟分析结果的比较表明,所提计算方法具有较高的精度。     

基于粘结强度变化的锈蚀钢筋混凝土梁受弯承载力的研究

基于锈蚀钢筋混凝土梁内钢筋与混凝土间粘结强度随锈蚀量的变化，对锈蚀梁的抗弯承载力进行了研究。钢筋锈蚀量较小时，锈蚀梁内钢筋与混凝土间粘结强度随锈蚀量增加而增加，锈蚀梁的力学性能同未锈蚀梁，可运用传统的梁理论计算锈蚀梁的抗弯承载力；随着钢筋锈蚀量的增加，钢筋与混凝土间粘结强度发生退化，锈蚀梁的力学性能介于粘结完好梁与无粘结梁之间，与传统的计算梁的抗弯承载力的方法不同，应考虑梁的各截面间相互作用。基于梁整体的受力平衡和变形协调，建立了考虑梁内粘结强度退化的锈蚀梁抗弯承载力模型。最后，通过54根锈蚀梁承载力试验结果，对文中建立的模型进行了验证分析，结果十分满意。     

基于粘结强度变化的锈蚀无腹筋梁承载能力的研究

基于锈蚀钢筋混凝土梁内钢筋与混凝土间粘结强度随锈蚀量的变化,对锈蚀梁承载能力和破坏模式进行了研究。首先,基于梁内粘结强度的变化,计算锈蚀梁的抗弯承载力。其次,基于“拉、剪临界破坏”的概念和“梁-拱”共同作用的混凝土抗剪抵抗机制,计算锈蚀无腹筋梁的抗剪承载力。较小钢筋锈蚀量时,与粘结强度有关的“梁作用”因粘结强度的增加而增加;随锈蚀量的增加和粘结强度的退化,与粘结强度有关的“梁作用”不断降低,“拱作用”则有所增加。再次,对锈蚀梁随钢筋锈蚀量变化破坏模式的变化进行了分析。最后,对文中提出的模型进行了试验验证。     

碳纤维布加固锈蚀钢筋混凝土梁的疲劳性能试验

完成了粘贴碳纤维布加固锈蚀钢筋混凝土梁的疲劳试验。试验结果表明,碳纤维布加固可以明显提高梁的疲劳寿命,减小粱的变形,提高梁的疲劳抗裂性能。因此,粘贴碳纤维布可以较大提高锈蚀钢筋混凝土梁的疲劳性能,延长锈蚀钢筋混凝土结构的使用寿命,为碳纤维布加固锈蚀钢筋混凝土结构的长期疲劳性能研究提供了试验依据。     

基于材料劣化的既有混凝土构件数值建模方法研究

基于ABAQUS,以多龄期混凝土构件为研究对象,在数值建模方面,采用三维实体线性减缩单元C3D8R和两结点三维单元T3D2模拟混凝土材料、内嵌钢筋的力学行为,将指数衰减摩擦模型用于锈蚀钢筋与混凝土间接触问题上,并将Hsich-Ting-Chen四参数强度准则作为混凝土材料的破坏准则;在材料性能退化方面,基于修正斜压场理论,以锈蚀箍筋、纵筋、受压区锈胀开裂混凝土及核心区约束混凝土为对象,综合各既有材料退化模型,预测了材料退化后的力学性能,得到了开裂混凝土、锈蚀钢筋、混凝土及其之间黏结滑移的本构模型。进而,采用多龄期混凝土构件抗震性能试验研究结果,对提出的基于ABAQUS软件平台的锈蚀混凝土构件数值建模理论进行了可靠性验证,结果表明:所建立的数值建模理论可以有效地模拟锈蚀混凝土构件的抗震性能退化规律,为既有混凝土结构的数值建模理论提供了一种有效的研究方法。     

锈蚀钢筋混凝土梁受力性能研究

根据已有研究成果建立锈蚀钢筋及钢筋—混凝土界面的性能退化模型,采用有限元软件建立分离式钢筋混凝土梁模型,通过试验验证了数值分析结果的准确性。在此基础上,对锈蚀钢筋混凝土梁的受力性能进行了参数分析。结果表明:(1)钢筋锈蚀率对钢筋混凝土梁受力性能影响较大,随着锈蚀率的增加,构件的承载力降低、刚度退化及延性变差;(2)钢筋—混凝土界面粘结力对钢筋混凝土梁承载力影响较小,但会改变构件的破坏模式,随着锈蚀率增加,构件从延性破坏变为脆性破坏。本文研究成果可为锈蚀钢筋混凝土梁加固设计提供参考。     

无腹筋锈蚀钢筋混凝土深梁承载力分析

锈蚀钢筋混凝土深梁的承载力不仅与纵向钢筋的截面损失有关,而且和钢筋与混凝土之间的粘结强度的降低,混凝土保护层中出现的纵向锈胀裂缝有关,本文先考虑了由于钢筋的截面损失引起的钢筋混凝土深梁的抗弯承载力的降低;再在梁-拱共同作用抵抗剪力的机制上,计算了无腹筋锈蚀钢筋混凝土深梁的抗剪承载力,进而提出了无腹筋锈蚀钢筋混凝土深梁的承载力计算公式。     

无腹筋锈蚀钢筋混凝土梁承载能力的计算

锈蚀钢筋混凝土梁的承载力不仅与纵向钢筋的截面损失有关 ,而且和钢筋与混凝土之间的粘结强度的降低、混凝土保护层中出现的纵向锈胀裂缝有关。本文先考虑了由于钢筋的截面损失引起的钢筋混凝土梁的抗弯承载力的降低 ;再在梁 拱共同作用抵抗剪力的机制上 ,计算了无腹筋锈蚀钢筋混凝土梁的抗剪承载力 ,进而得到了无腹筋锈蚀钢筋混凝土梁的承载力及其相应的破坏模式。对一实例的计算结果表明 ,当混凝土保护层出现纵向锈胀裂缝后 ,钢筋与混凝土之间的极限粘结强度相应降低 ,梁的破坏模式由受弯破坏转向受剪破坏 ,承载能力有较大的降低。同时 ,锚固区的粘结强度的降低 ,导致梁也可能发生粘结锚固破坏。     

锈蚀钢筋混凝土梁抗弯承载力计算方法

目前对锈蚀钢筋混凝土梁抗弯承载力的研究主要考虑锈蚀程度的影响,忽视了构件本身参数不同对承载力退化的影响,导致不同学者提出的锈蚀钢筋与混凝土的协同工作系数差异较大。为合理评估既有锈蚀钢筋混凝土梁的剩余承载力,首先对锈后无黏结钢筋混凝土受弯构件进行模拟试验与有限元分析,系统分析严重锈蚀混凝土构件钢筋应力水平的主要影响因素,发现截面配筋指标可综合反映混凝土强度和截面配筋率对受拉钢筋应力水平的影响,并确定基于截面配筋指标的锈后无黏结混凝土梁受拉钢筋强度利用系数;对一般锈蚀钢筋混凝土梁抗弯承载力的退化机理进行深入分析,综合考虑钢筋锈蚀程度和截面配筋指标的影响,建立一般锈蚀混凝土梁钢筋强度利用系数计算公式;提出概念明确、通用性强的锈蚀钢筋混凝土梁抗弯承载力计算方法;与大量的试验结果进行对比验证,计算方法的吻合性较好。     

锈蚀钢筋再生混凝土梁力学性能试验研究及ANSYS分析

通过对钢筋通电加速锈蚀的方法,对12根不同钢筋锈蚀率下粗骨料取代率为100%再生混凝土梁的三分点加载试验,分析相同强度条件下不同钢筋直径和锈蚀率的再生混凝土梁力学性能的影响。结果表明:当钢筋锈蚀率小于10%时,钢筋与再生混凝土的粘结强度足以保证两者能够共同工作,此时试验梁发生材料强度破坏模式;当钢筋锈蚀率超过了10%时,钢筋与再生混凝土的粘结强度不足以保证两者共同工作,此时试验梁发生粘结失效破坏模式。基于ANSYS有限元软件对不同钢筋锈蚀率的再生混凝土梁进行模拟分析,并对锈蚀钢筋再生混凝土梁跨中截面的荷载应力关系曲线进行验算,通过有限元结果与试验结果对比,验证了有限元分析模型的可靠性。