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。     

结构需求概率危险性分析中强震记录选取研究#br#

目前结构性态地震工程中易损性曲线传统计算流程对强震记录选取不够重视,鲜有对目标场址地震概率危险性的考虑,因而以同时考虑地震概率危险性和结构自振周期特性的条件均值谱作为记录选取依据,将结果应用到IDA方法和条带法中,并与地震事件随机散布的传统云图法进行对比。以某八层平面框架作为算例,将云图法与IDA方法以及条带法在四种极限状态下的结构需求易损性曲线以及结构需求概率危险性曲线进行对比分析。其中,随机选取两组地震事件（M,R）分布范围相仿的强震记录进行云图法计算,二者结果由于不可控的地震动不确定性而存在显著差异,但IDA方法与条带法由于采用条件均值谱对地震动进行了控制,彼此结果基本一致,更符合实际工程场址的危险性需求,同时为后期不同区域的结构性态分析损失评估提供了依据。     

结构需求概率危险性分析中强震记录选取研究

目前结构性态地震工程中易损性曲线传统计算流程对强震记录选取不够重视,鲜有对目标场址地震概率危险性的考虑,因而以同时考虑地震概率危险性和结构自振周期特性的条件均值谱作为记录选取依据,将结果应用到IDA方法和条带法中,并与地震事件随机散布的传统云图法进行对比。以某八层平面框架作为算例,将云图法与IDA方法以及条带法在四种极限状态下的结构需求易损性曲线以及结构需求概率危险性曲线进行对比分析。其中,随机选取两组地震事件(M,R)分布范围相仿的强震记录进行云图法计算,二者结果由于不可控的地震动不确定性而存在显著差异,但IDA方法与条带法由于采用条件均值谱对地震动进行了控制,彼此结果基本一致,更符合实际工程场址的危险性需求,同时为后期不同区域的结构性态分析损失评估提供了依据。     

基于条件谱记录选取的工程需求概率危险性计算方法

传统云图法和条带法计算工程需求概率危险性曲线(EDHC)时,存在地震危险性水平不可控、理想假设过多和计算成本较大等弊端。在第三代性态地震工程的框架思路下,对现有条带法进行改进,以条件目标谱作为记录选取依据,得到了考虑场址地震危险性特征的EDHC改进计算方法。采用自振周期约为1.0s的10层钢筋混凝土平面框架作为结构算例进行验证。以中国某场址地震安全性评价实例为设定地震解耦依据,构建不同场址地震动危险性水平下条件周期T=1.0s的条件目标谱簇。在进行多危险性水平下的记录选取后,采用改进条带法计算目标结构最大层间位移角和顶层位移的EDHC曲线。与传统云图法的计算结果对比表明,云图法的诸多假设在高地震动输入水平下并不严格成立,最终导致EDHC曲线在年超越概率不大于2%时被显著高估。而采用改进条带法的计算结果表明,即使采用与结构自振周期相关性较弱的0.01s作为条件周期进行后续调幅和选波,与基于Sa(T=1.0s)的EDHC计算结果依然可以保持较好一致性。研究结果证明：该方法可以控制各调幅条带下记录的地震危险性水平一致,且与选择的地震动强度指标无关,可以在计算工程需求概率危险性时合理考虑目标场址的地震危险性特性。     

氯盐侵蚀下桥梁地震易损性研究进展

氯盐侵蚀引起的钢筋锈蚀和混凝土保护层开裂,会导致结构在地震作用下的抗震性能劣化。综述了国内外桥梁结构地震易损性分析的研究进展,从氯离子的侵蚀过程、钢筋和混凝土的力学性能劣化、钢筋与混凝土之间的黏结性能弱化三方面进行了归纳总结,揭示考虑氯离子侵蚀的桥梁地震易损性分析,除进行传统的地震概率需求和能力分析外,需着重考虑氯离子的侵蚀效应对结构抗震性能的影响。并针对当前研究中存在的问题提出了一些建议。指出现有研究基于氯离子侵蚀得到的钢筋锈蚀速率模型、黏结本构模型尚不统一,很有必要开展更深的研究;自然环境下的氯盐侵蚀更倾向于坑蚀,非均匀锈蚀下的桥梁地震易损性分析有待进一步开展。     

考虑倒塌概率修正的钢筋混凝土框架结构地震易损性分析

为研究倒塌概率对非倒塌极限状态的影响,提出了考虑倒塌概率修正的结构地震易损性分析方法。基于全概率定理,将结构极限状态划分为倒塌状态和非倒塌状态两类,若结构发生倒塌则认为结构发生非倒塌极限状态破坏的概率为100%。考虑倒塌概率修正的地震易损性分析方法包含直接方法和间接方法,其中,直接方法是直接对传统地震易损性函数进行修正,而间接方法仅修正地震易损性函数中的概率地震需求参数。以4榀不同高度不同设防烈度的钢筋混凝土平面框架结构作为研究对象,选择100条实际地震动记录作为输入,分别采用直接方法和间接方法开展考虑倒塌概率修正的地震易损性分析。结果表明：倒塌概率对轻微破坏和中等破坏极限状态的影响较小,而对严重破坏极限状态的影响较大;在地震动强度较小时,两种方法对地震易损性的修正结果相差较小;随着地震动强度的提高,两种方法对地震易损性修正结果的差距逐渐增大。     

基于CPU并行计算的概率地震需求#br# 分析与地震易损性分析

概率地震需求分析体现了不确定性从地震动强度参数到工程需求参数的传递过程,文中介绍并对比概率地震需求分析中云图法、单条带法与多条带法的优缺点。以MATLAB+OpenSEES实时交互方式,提出基于CPU并行计算架构的概率地震需求分析方法,显著提高分析效率。提出并行-云图法、并行-单条带法与并行 多条带法,通过RC框剪结构的概率地震需求分析,开展不同层高RC框剪结构的地震易损性分析。研究表明：云图法的对数标准差普遍大于单条带法与多条带法,过高地估计了结构的抗震性能,而单条带法与多条带法在易损性中位值与对数标准差确定方法上存在差异,单条带法的对数标准差普遍低于多条带法。     

锈蚀钢筋混凝土结构的剩余使用寿命实用计算方法

针对钢筋锈蚀引起的混凝土结构性能劣化,建立了锈蚀钢筋混凝土结构剩余使用寿命的实用计算方法。极限状态定义为锈蚀结构的安全性、适用性和耐久性评定等级由等级b降为等级c的临界状态,按现有规范此时锈蚀结构必须采取修复加同处理。根据钢筋锈蚀对结构性能的影响机理,将锈蚀结构的使用寿命周期分为:钢筋未发生锈蚀的初始阶段(T_1),锈胀开裂前的锈蚀发展阶段(T_2),锈胀开裂到极限状态的加速锈蚀阶段(T_3),并建立各阶段锈蚀速率与结构性能退化模型。在此基础上进行试算,假设时间T_1,计算评定T_r时间点锈蚀结构的等级,调整T_r使某一控制指标首先达到极限状态,由此确定结构剩余使用寿命。最终通过算例验证此计算方法实际可行。     

锈蚀RC框架结构抗地震倒塌能力研究

锈蚀引起钢筋截面面积缩小、力学性能劣化以及钢筋混凝土间粘结性能退化等,是导致结构抗震性能退化的最主要因素。基于增量动力分析(IDA)方法,通过对不同锈蚀程度的RC框架结构进行抗地震倒塌易损性分析,讨论了钢筋锈蚀程度对RC框架结构在大震、特大地震下的抗地震倒塌能力和抗地震倒塌安全储备能力的影响,并根据分析结果提出了相关建议。结果表明,钢筋锈蚀程度对其抗地震倒塌能力有重要影响,特别是在特大地震下,当钢筋锈蚀率大于10%时,其影响最为显著。     

钢筋混凝土结构耐久性能极限状态的判断

控制钢筋混凝土结构耐久性能极限状态是规避工程安全适用风险的有效手段,控制钢筋混凝土结构耐久性能极限状态的关键在确定钢筋混凝土结构耐久性能极限值.通过分析钢筋锈蚀率和钢筋混凝土结构耐久性能极限状态的关系,说明由钢筋锈蚀率确定钢筋混凝土结构耐久性能极限值的可行性.     

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%。     

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%。     

采用光圆钢筋配筋的锈蚀RC框架结构#br# 抗震性能分析：以新西兰结构为例

该文对光圆钢筋配筋RC框架结构在锈蚀环境下的抗震性能进行分析,提出一种可以考虑光圆钢筋锈蚀引起的材料性能退化及钢筋-混凝土黏结滑移性能退化的节点宏单元模型。通过对已有试验结果进行模拟,验证所提出节点模型的合理性。以新西兰奥克兰市的一栋光圆钢筋配筋的锈蚀RC结构为例,基于SeismoStruct有限元软件,采用所提出的节点模型建立算例结构完好及锈蚀后的有限元模型。分别采用静力Pushover方法及动力时程分析法对算例结构的抗震性能进行分析。分析结果表明：光圆钢筋锈蚀引起的RC框架结构抗震性能退化幅度要高于变形钢筋。     

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。     

锈蚀钢筋混凝土柱抗震性能试验研究

为研究钢筋锈蚀对钢筋混凝土(RC)柱抗震性能的影响,设计并制作了8根RC柱试件,其中包括1根未锈蚀柱、3根纵筋锈蚀柱和4根箍筋锈蚀柱.采用5％ NaC1溶液浸泡试件并通电对钢筋进行锈蚀试验,通电锈蚀完成后,分别对8根试件进行了低周往复循环荷载试验,分析得到了不同锈蚀率下各试件的破坏模式、滞回曲线、骨架曲线、刚度退化、延...     

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.     

Time-dependent seismic fragility curves for aging jacket-type offshore platforms subjected to earthquake ground motions

This paper assesses the seismic vulnerability of a recently designed jacket-type offshore platform through development of fragility curves and presents the formulation of time-dependent seismic fragility curves to capture the effects of ageing and deterioration on the seismic vulnerability of the representative platform. Among the various ageing processes, the corrosion deterioration of the structure is taken into account by applying a time-dependent model of corrosion deterioration of the tubular elements in the splash zone. Incremental dynamic analysis is performed on the initial uncorroded and corroded platforms considering soil–pile–structure interaction. A full probabilistic analysis is then performed to develop time-dependent seismic fragility curves for the immediate occupancy and collapse prevention limit states. Finally, a time variant cubic model is proposed to develop fragility curves at any point in time during platform’s service life, without need to perform a complete time-consuming fragility analyses. Results show substantial increase in probability of failure of the platform throughout its lifetime due to corrosion deterioration. The results also indicate that the time-dependent fragility curves can be used in offshore platforms to assess the seismic vulnerability of the structure and demonstrate the influence of various factors affecting the seismic vulnerability of the platform during its lifetime.     

氯离子侵蚀效应对RC桥墩抗震性能的影响

为研究混凝土桥梁结构在服役期内由于环境氯离子侵蚀效应引起钢筋、混凝土锈蚀退化等导致结构抗震性能退化的规律,以某多跨钢筋混凝土连续梁桥为例,采用OpenSees软件建立非线性动力分析模型,根据已有研究成果并基于概率方法研究了墩柱截面主筋和箍筋锈蚀的开始时间和锈蚀率大小,进而建立了钢筋的直径及屈服强度退化模型;针对考虑纵筋锈蚀、考虑箍筋锈蚀、同时考虑纵筋和箍筋锈蚀3种情况,分别分析了材料退化对桥墩抗震性能的影响。结果表明:同等条件下箍筋锈蚀比纵筋锈蚀更早;随着时间的推移,氯离子侵蚀效应会导致桥墩抗震能力下降,结构的抗震需求明显增加;与以往只考虑纵筋锈蚀的情况相比,同时考虑箍筋和纵筋锈蚀时桥墩抗震性能退化更严重。     

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%。