一般大气环境下钢筋混凝土构件抗震性能时变特征

梁岩　陈淮　罗小勇

摘 要：采用精细化有限元全过程分析方法，考虑混凝土碳化、钢筋锈蚀及其引起的粘结滑移性能退化等多因素耦合作用，研究在一般大气环境使用年限内，耐久性退化对构件抗震性能的影响规律和内在机理.结果表明，一般大气环境下，钢筋混凝土构件使用年限在30 a内抗震性能变化不大.当使用年限超过30 a后，抗震性能显著退化.当使用100 a时，承载力降低22.5%，刚度约退化33.5%，延性降低36.7%，耗能能力降低40.5%.建议在一般大气环境下对钢筋混凝土构件进行抗震设计时，应考虑随使用年限的增长，耐久性退化对抗震性能的影响，从而保证结构良好的抗震性能.

关键词：钢筋混凝土；耐久性；抗震；时变特征；一般大气环境

中图分类号：TU375 文献标识码：A

文章编号：1674-2974（2016）03-0104-09

钢筋混凝土结构在设计使用年限内，由于材料老化、不利环境及使用不当等因素影响，结构常出现不同程度的损伤，这种损伤积累直接导致结构耐久性降低、承载力下降、抗震性能退化[1].中国传统设计考虑混凝土结构的耐久性不足，设计的安全度设置水平较低，留下了大量存在一定缺陷的结构[2].一般大气环境下，混凝土碳化及其引起的钢筋锈蚀是造成结构耐久性退化的主要因素.实际钢筋混凝土结构的耐久性具有时变特征，任其发展会由量变积累引起质变，地震中完全有可能引起承载力不足，甚至导致结构解体或倒塌.对于钢筋混凝土结构问题更为突出的是许多结构在处于严重腐蚀环境之中的同时又处于地震多发地带[3].对耐久性退化钢筋混凝土结构抗震性能的研究始于1988年Kyioshi等[4]通过喷洒盐水的方法使混凝土梁中的钢筋锈蚀，进行低周反复荷载试验，结果表明，在循环荷载作用下，结构承载力较无锈蚀时降低速度快.之后国内外学者对钢筋混凝土结构耐久性损伤后的抗震性能进行了大量的研究[5-9]，Yu等 [10]通过试验发现，随着腐蚀程度的增大，结构失效模式由因纵向钢筋屈服引起的弯曲破坏转变为由于横向钢筋断裂引起的弯剪破坏.Inci[11]采用非线性静力研究方法和非线性时间历程分析方法分析不同锈蚀程度、钢筋分布和不同地震强度对钢筋混凝土框架结构抗震性能影响.

钢筋混凝土结构在锈蚀与地震作用下的动力响应，直接影响结构安全性和耐久性[12].Luisa等[13]指出钢筋混凝土构件承载能力和延性会随着钢筋的锈蚀率增大而减小，在某些情况下，也会导致结构从塑性破坏转变为脆性破坏，这种作用对结构尤其是地震区的结构分析很有意义，这些区域延性特征和实际形成机理都是安全评估中的关键问题.目前，对耐久性退化钢筋混凝土结构抗震性能的研究多考虑钢筋锈蚀或混凝土碳化单一因素的影响，且未考虑钢筋锈蚀后粘结滑移退化对抗震性能的影响，碳化对结构抗震性能的影响研究也不尽合理，新建钢筋混凝土结构抗震设计也未考虑使用年限内结构耐久性损伤后抗震性能的时变特征，既有钢筋混凝土结构可靠度评定时也应考虑既有耐久性损伤及后续耐久性损伤的演化.本文通过足尺锈蚀钢筋混凝土构件低周反复荷载试验，验证有限元模型的准确性，采用精细化有限元全过程分析方法，从混凝土碳化率和钢筋锈蚀率的角度，考虑混凝土碳化、钢筋锈蚀及其引起的粘结滑移性能退化等多因素耦合作用，研究一般大气环境下使用年限内，耐久性退化钢筋混凝土构件抗震性能时变特征.

1 一般大气环境下混凝土碳化及钢筋锈蚀

时变特征

2 钢筋混凝土构件抗震性能时变特征有限

元模型

2.1 有限元分析模型

采用ABAQUS有限元软件进行建模并对试件进行模拟计算.混凝土选取塑性损伤本构模型，采用C3D8R单元，钢筋采用T3D2单元.钢筋与混凝土联结采用SPRING2弹簧单元，如图2所示.弹簧单元1约束钢筋单元节点与混凝土单元节点的水平位移，弹簧刚度由能量等值原理确定；弹簧单元2约束钢筋单元节点与箍筋内部混凝土单元节点的竖直位移，弹簧刚度取极大值.

为模拟箍筋对混凝土约束作用，将保护层与内侧混凝土分开建模，并选取不同的本构关系，考虑到荷载作用下箍筋外侧混凝土压碎后剥落，不再承受荷载，而箍筋内部混凝土由于受到约束作用局部压碎后仍可参与后续受力，故在建立混凝土本构关系时考虑箍筋的约束，将混凝土分为核心混凝土和非核心混凝土，核心混凝土考虑横向约束作用对混凝土强度的提高.一般大气环境下混凝土碳化深度通常未达到核心混凝土区域或对核心混凝土区域影响较小，故考虑碳化对混凝土本构关系的影响时，只考虑碳化对保护层非核心区域的影响.考虑到箍筋约束对混凝土受压力学性能的影响，根据研究成果[16]，引入配箍特征值进行修正.

已有研究中通常将碳化深度作为参数，但相同的碳化深度对截面面积不同混凝土结构或构件力学性能影响不同，采用碳化深度来表征碳化对混凝土性能的影响不能考虑构件截面的尺寸效应.为了更合理描述混凝土碳化后力学性能变化规律，本文采用结构或构件的相对碳化面积，即碳化率来表示，如图4所示.其中，碳化面积Ac与截面四周碳化深度b1，b3，h1及h3有关，截面总面积A=bh.在此定义混凝土碳化率（=Ac/A）为：混凝土结构或构件截面碳化混凝土面积Ac与混凝土总面积A的比值.

2.2 耐久性劣化材料本构关系

根据第2节计算结构使用年限分别为0，30，50，70和100 a时，钢筋混凝土构件保护层碳化深度分别为0，17.5，22.6，26.8和32 mm，相应地保护层碳化率分别为0，61%，77%，90%和100%.箍筋内侧混凝土考虑箍筋约束作用对混凝土本构关系的影响，箍筋外侧混凝土仅考虑碳化对本构关系的影响，本构关系采用作者建立的重复荷载下碳化混凝土本构关系模型[15]，见图5.碳化对混凝土抗拉强度的影响，在目前研究成果中未见报道，为此本文假设碳化不影响混凝土抗拉强度.

使用年限分别为0，30，50，70及100 a时，箍筋锈蚀率分别为0，7.43%，21.16%，33.79%和50.66%；纵筋锈蚀率分别为0，0.1%，7.15%，13.94%和23.64%.由于箍筋保护层厚度小于纵筋保护层厚度且直径较小，箍筋锈蚀速率大于纵筋锈蚀速率，约为纵筋锈蚀速率2倍.本构关系采用文献[17]建立的反复荷载下锈蚀钢筋本构关系模型.

2.3 试验验证

试验试件共6个，设计图见图6.各试件设计锈蚀率分别为0，3%，6%，9%，12%和15%，锈蚀试验及测试方法依据GB/T50082-2009《普通混凝土长期性能和耐久性试验方法标准》进行，实测试件L-1，L-2，L-3，L-4，L-5，L-6锈蚀率分别为0，2.76%，5.47%，8.63%，9.81%和11.59%.混凝土设计等级为C30，实测立方体抗压强度为31.4 MPa，试件中纵筋采用HRB335，直径16 mm，对称配置，箍筋采用HPB300，直径8 mm，间距100 mm.

试验装置采用MTS电液伺服试验机，按受弯构件加载，加载装置见图7.

试件两端部铰接，中部施加竖直反复荷载.加载时首先采用荷载控制循环加载直至试件进入屈服状态，屈服后改用位移控制，荷载控制的初始荷载取计算开裂荷载的50%，位移控制循环等级均为试验屈服位移Δy，每级循环3次，直至试件发生破坏，加载机制见图8.

详细试验成果可参见文献[15]，取试件中部一侧进行有限元分析.箍筋外侧混凝土压碎时剥落，不考虑其受压恢复性能，但内侧混凝土压碎后，由于箍筋约束作用而不至剥落，内侧混凝土受压可以恢复.

以试件L-1及L-5为例，有限元模型计算结果与试验对比见图9及图10.

通过对比分析可知，分析结果与试验结果基本吻合，但有限元模拟滞回曲线更加饱满，再加载刚度初期偏大而后期偏小.这一方面是由于有限元计算中参数选取的复杂性，有限元参数选取的误差及试验中的误差都可能导致二者结果存在差异；另一方面，虽然本文采用弹簧单元模拟钢筋与混凝土的粘结滑移性能，但简化方法与真实情况有所差异.实际构件加载过程中，钢筋与混凝土的粘结强度随滑移量的增大而增大，达到极限粘结强度后，随滑移量的增大而减小，有限元模拟中采用能量法简化为刚度不变的弹簧单元，未能很好模拟再加载初期粘结滑移滞回曲线的平滑段，即宏观上表现为构件滞回曲线的捏拢效应，有限元计算曲线不如试验曲线明显.有限元计算的滞回曲线与试验曲线总体上接近，卸载路径及骨架曲线与试验吻合较好.对于工程应用中的弹塑性分析，这样的分析结果已经能够满足要求.本文所述的有限元计算方法对于模拟锈蚀钢筋混凝土构件在低周反复荷载作用下的响应有一定的准确性和可参考性，可以利用此法进行耐久性退化钢筋混凝土构件的抗震性能参数分析和退化规律分析.

3 锈蚀钢筋混凝土构件抗震性能时变特征

分析

3.1 承载力及刚度退化分析

随着使用年限的增长，各试件滞回曲线见图11.

由图11可知，随着构件使用时间的增长，滞回环面积减小，饱满程度降低，达到峰值荷载后承载力及刚度退化愈加明显.各构件骨架曲线见图12.由图12可知，构件使用年限在30 a内骨架曲线变化不大，使用时间对构件刚度及承载力影响较小；当使用年限超过30 a后，骨架曲线变化较大，由于钢筋锈蚀，构件刚度及承载力发生显著退化.

随着使用时间的延长，骨架曲线达到峰值荷载后平直段明显变短，延性降低.使用年限内各构件力学性能及滞回性能见表1.

各构件承载力衰减曲线见图13.对承载力退化比计算值分析可知，承载力随使用年限的增长，在30 a之前和30 a之后的退化速率明显不同，退化规律采用分段式表示，见式（11）.

使用年限/a

由以上分析可知：构件屈服前，刚度随着变形增加迅速降低，屈服后，刚度下降速度减慢，当变形达到峰值位移后，刚度趋于平稳；随着使用年限的增长，刚度退化在构件从屈服至峰值状态时更为明显，达到峰值状态后，构件退化速率基本一致；另一方面，各构件刚度随使用年限的增长，30 a内退化速率较小，30 a后刚度退化速率逐渐增大，当使用100 a时，刚度约退化33.5%.

3.2 滞回性能退化分析

各构件滞回性能见表1，其中弹性状态耗能取最大位移为10 mm时滞回环面积，屈服耗能取屈服位移滞回环面积，极限耗能取极限状态下滞回环面积.

使用年限内各构件延性及极限耗能性能随时间的变化见图16.

由图17可知，若构件在使用年限内出现较为严重的坑蚀，则可能导致构件抗弯强度大于抗剪强度，构件首先达到其抗剪强度，在破坏模式转换点之后，构件发生剪切破坏，从而可能导致结构在地震中发生脆性破坏，甚至突然倒塌.

综合考虑一般大气环境下钢筋混凝土构件抗震性能的演化规律，建议在一般大气环境下钢筋混凝土构件抗震设计时，应考虑典型环境中构件随使用年限增长导致抗震性能的退化，从而保证结构良好的抗震性能.

4 结 论

本文通过对一般大气环境下耐久性退化钢筋混凝土受弯构件抗震性能演化规律的分析，主要结论如下：

1）随着钢筋锈蚀程度的增大，试件承载力、刚度及耗能性能逐渐降低.钢筋锈蚀导致其屈服点逐渐消失，使得构件屈服弯矩与极限弯矩接近，屈服区长度变短，构件延性降低.

2）一般大气环境下，混凝土碳化率随使用年限增长逐渐增大，但碳化速率逐渐减小.钢筋锈蚀开始后，其锈蚀率随时间基本呈线性关系，随使用年限增长，锈蚀程度逐渐增大，箍筋锈蚀速率大于纵筋锈蚀速率，约为其2倍.

3）一般大气环境下，钢筋混凝土受弯构件使用年限在30 a内，构件抗震性能变化不大；当使用年限超过30 a后，构件刚度、承载力及滞回性能发生显著退化.当使用100 a时，一般大气环境下承载力降低22.5%，刚度约退化33.5%，延性降低36.7%，耗能能力降低40.5%.

4）根据计算分析，给出了一般大气环境下使用年限内，受弯构件承载力、刚度、延性及耗能性能退化规律计算式.综合考虑一般大气环境钢筋混凝土构件抗震性能的演化规律，建议对钢筋混凝土构件抗震设计时，应考虑典型环境中构件随使用年限增长导致抗震性能的退化，从而保证结构良好的抗震性能，防止突然倒塌.

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