一般大气环境下锈蚀RC框架梁恢复力模型

尚志刚 郑淏 郑山锁 董晋琦 贺金川

摘   要：对5榀一般大气环境下锈蚀RC框架梁进行拟静力试验，分析锈蚀程度对RC框架梁滞回性能的影响. 基于试验结果，结合完好RC框架梁骨架曲线特征点参数，得到锈蚀RC框架梁骨架曲线模型. 引入基于能量耗散的循环退化指数βi，提出综合考虑锈蚀RC框架梁构件基本强度退化、软化段强度退化、卸载刚度退化和再加载刚度退化的滞回规则，进而建立适用于一般大气环境下锈蚀RC框架梁的恢复力模型. 将建立的恢复力模型与试验滞回曲线进行对比，吻合情况良好，表明所建立的恢复力模型具有较高的精度，能较好地揭示一般大气环境下锈蚀RC框架梁的滞回特性. 研究成果可为锈蚀RC结构弹塑性分析提供理论依据.

关键词：一般大气环境;RC框架梁;锈蚀;骨架曲线模型;循环退化;恢复力模型

中图分类号：TU375;TU317.1                   文献标志码：A

Abstract：A quasi-static test was carried out on five corroded RC frame beams in general atmospheric environment to analyze the influence of corrosion degree on hysteretic behavior. Based on the test results and the characteristic point parameters of the intact RC frame beams skeleton curve， the skeleton curve model of corroded RC frame beams was obtained. The cyclic degradation index βi based on hysteresis energy dissipation was introduced， and the hysteretic rules considering the basic strength degradation， post-capping strength degradation， unloading stiffness degradation and reloading stiffness degradation of corroded RC frame beams were proposed. Then， the restoring force model applied to corroded RC beams in general atmospheric environment was established. The comparison of the established restoring force model and the experimental hysteresis curves was performed. The results showed that the agreement was good， and the established restoring force model has high precision， which can better reveal the hysteretic behavior of corroded RC frame beams in general atmospheric environment. This study can provide a theoretical basis for the elasto-plastic analysis of corroded RC structures.

Key words：general atmospheric environment;RC frame beam;corrosion;skeleton curve model;cyclic degradation;restoring force model

隨着工业化的快速发展，我国已成为世界第三大酸雨区[1]. 酸雨不仅会造成严重的环境污染，还会极大地威胁到混凝土建筑物的安全与寿命[2]. 已有研究表明，酸雨中的SO2-4 、NO-3等侵蚀离子的共同作用，会造成RC结构中的钢筋锈蚀，进而导致纵筋有效截面减小与力学性能退化，且锈蚀产物膨胀还会削弱钢筋与混凝土间的黏结性能，从而引起RC结构滞回性能的劣化[3]. 因此研究并揭示酸雨环境下钢筋混凝土结构滞回性能劣化规律极为重要. 然而，目前国内外对一般大气环境下RC框架梁的研究多集中于考虑二氧化碳和酸性腐蚀介质单一因素侵蚀后混凝土材料与构件损伤机理和力学性能退化规律等方面的研究[2，4-5]，对于其滞回性能的研究相对较少.

恢复力模型是实现构件与结构弹塑性地震反应分析的重要基础. 迄今为止，国内外学者基于大量混凝土构件与结构的拟静力试验及恢复力特性研究，提出了诸多有影响力的恢复力模型. 这些模型大体可分为曲线型和折线型两大类. 折线型恢复力模型虽精度不如曲线型高，但能达到工程要求，且计算工作量小，便于应用[6]. 因此，实际工程中普遍采用折线型恢复力模型. 目前，较为常用的折线型恢复力模型主要有Clough双线型模型[7]、Takeda三折线模型[8]、Park三折线模型[9]和朱伯龙四折线模型[10]等. 不过，上述恢复力模型皆未考虑因环境因素导致的钢筋锈蚀对构件力学性能的削弱，致使其不能较好地揭示一般大气环境下锈蚀RC框架梁的滞回特性.

鉴于此，本文对5榀一般大气环境下锈蚀RC框架梁试件进行拟静力加载试验，并基于试验结果拟合了考虑钢筋锈蚀的骨架曲线特征点计算公式，进而结合完好RC框架梁骨架曲线特征点参数，建立了一般大气环境下锈蚀RC框架梁的三折线骨架曲线模型;同时，引入循环退化指数βi来定量描述构件在循环加载过程中的性能退化，进而建立了一般大气环境下锈蚀RC框架梁的恢复力模型，并与试验滞回曲线进行对比，验证了其有效性.

1   试验概况

1.1   试件设计

本文基于框架梁在地震作用下的受力情况，取框架节点至梁反弯点之间的悬臂梁段作为研究对象，依据《建筑抗震试验规程》（JGJ/T101—2015）[11]、《混凝土结构设计规范》（GB 50010—2010）[12]、《建筑抗震设计规范》（GB 50011—2010）[13]等，设计并制作了5榀剪跨比为5，且具有不同锈蚀程度的RC框架梁试件. 各试件高度均为1 300 mm，混凝土强度等级为C40. 试件具体设计参数见表1，详细尺寸和截面配筋形式如图1所示.

通过混凝土标准立方体试块材性试验及钢筋拉伸试验，可获得混凝土、纵筋和箍筋的力学性能，如表2、表3所示.

1.2   试件加速锈蚀试验

由文献[14]可知，人工气候模拟环境能够达到与自然环境相同的锈蚀作用过程. 因此，本文通过设定人工气候实验室参数模拟一般大气环境（pH=3.0），以实现试件的加速锈蚀，模拟实验系统如图2所示.

为了模拟一般大气环境，本文参考文献[15]中所采用的喷淋-烘干循环腐蚀实验方案对试件进行酸雨侵蚀模拟，并同时在实验室内恒通CO2以模拟实际环境中的混凝土碳化. 整个试验过程保证气候模拟实验室内酸雾浓度恒定. 锈蚀循环方案如图3所示. 其中，喷淋溶液为硫酸根离子浓度达到0.06 mol/L的Na2SO4溶液，再滴加HNO3溶液，以调节锈蚀溶液的pH值等于3.0.

1.3   拟静力加载装置和加载制度

为模拟框架梁在地震作用下的受力情况，本试验采用悬臂梁式加载方法对RC框架梁试件进行低周往复循环加载，加载装置如图4所示.

试验采取的加载制度为位移控制的变幅加载制度，如图5所示.

屈服前，以预估屈服位移的20%、40%、60%、80%为位移级进行加载，每个位移级循环1次;屈服后，以屈服位移的倍数为级差进行加載，每级循环3次，直至试件发生破坏或达到峰值荷载的85%，停止加载[16]. 正式加载前，应先对各试件进行预加反复荷载两次，以检验并校准加载装置及量测仪表.

1.4   钢筋锈蚀率

本文采用钢筋锈蚀率来表征试件锈蚀程度. 拟静力加载试验结束后，截取出各试件内部的纵筋3根，按规范[17]所述方法进行除锈，并与预留完好钢筋对比计算钢筋锈蚀率 ，其计算公式如下：

式中：g0 和g1分别为钢筋锈蚀前后的质量.

各试件钢筋平均锈蚀率如表1所示.

2   试验现象及结果

2.1   试验破坏现象

各试件的破坏过程如下：加载初期，试件表面基本无裂缝产生;梁顶水平位移达到3 mm左右时，梁底部100～300 mm高度范围内出现水平裂缝;随着水平位移增大，梁底水平裂缝数量与宽度均不断增加，并且多条水平裂缝斜向发展形成斜裂缝，此时受拉钢筋屈服;当水平位移达到21 mm左右时，梁底出现竖向裂缝;随着水平位移的进一步增大，梁底角部混凝土压碎并严重剥落，钢筋外露，试件随即宣告破坏. 最终破坏时，试件表面虽有斜裂缝产生，但其破坏形态仍为典型的弯曲破坏. 各试件破坏形态如图6所示.

2.2   试验结果

将本次试验试件在加载过程中采集的荷载、位移数据绘制成P-Δ滞回曲线，如图7所示.

根据图7，可知：

1）总体而言，各个试件的滞回曲线大体规律一致. 屈服前，各试件滞回曲线接近重合于一条直线，加卸载刚度基本无退化，卸载后无残余变形，滞回耗能较小;屈服后，随着加载的进行，各试件滞回曲线的加载半环和卸载半环从直线中逐渐分离并近似呈梭形，滞回环面积逐渐增大，试件残余变形亦逐渐增大，此阶段试件塑性变形不断增大，加载刚度和卸载刚度则发生不同程度退化;峰值荷载后，各试件滞回曲线由梭形逐渐转变为弓形，承载能力和刚度随着加载位移级和循环次数的增加而加剧退化.

2）锈蚀程度对试件的抗震性能具有显著影响. 对于酸雨侵蚀程度较轻的B-2试件，由于腐蚀初期混凝土内部生成少量膨胀性石膏填充了混凝土孔隙，使得混凝土密实度提高从而强度亦提高，且腐蚀介质尚未达到钢筋表面，钢筋未发生锈蚀，故相对于B-1试件，其抗震能力略有增加. 对于酸雨侵蚀程度较重的B-3～B-5试件，其混凝土中性化深度已达到保护层厚度，钢筋处于酸性环境中并发生锈蚀，且随着钢筋锈蚀程度的加重，钢筋表面膨胀性锈蚀产物逐渐增多，致使混凝土胀裂越来越严重，进而导致试件承载能力降低，滞回性能逐渐下降. 因此，随着钢筋锈蚀程度的增大，试件峰值荷载、极限位移以及滞回环面积均逐渐减小，表明RC框架梁试件的承载能力、变形能力与耗能能力均随锈蚀程度的增加而呈降低趋势.

3   锈蚀RC框架梁恢复力模型

3.1   骨架曲线的建立

基于试验结果分析，本文采取具有下降段的三折线骨架模型，并且假定正、负向骨架曲线对称，如图8所示. 其中A、B、C分别为完好试件的屈服点、峰值点及极限点. 对应的A′、B′、C′分别为锈蚀试件的屈服点、峰值点及极限点.

由于本文定义的极限点为峰值荷载的85%对应的点，与文献[19]对于极限状态的定义不同. 因此，参考文献[20]，通过简单的几何换算给出了极限状态为峰值荷载85%时截面极限曲率？准u的计算公式，如式（17）所示.

为了验证上述完好RC框架梁试件骨架曲线特征参数计算的准确性，将试件B-1的试验骨架曲线与计算骨架曲线进行对比，如图9所示

由图9可看出，试验骨架曲线与计算骨架曲线吻合较好，表明本文提出的完好试件特征参数计算方法可用于确定未锈蚀RC框架梁的骨架曲线.

对完好RC框架梁骨架曲线各特征点进行修正，便可得到锈蚀RC框架梁骨架曲线特征参数，具体修正方法如下：

基于试验结果，将B-1～B-5试件的特征参数与纵筋锈蚀率进行拟合分析，拟合结果如图10所示.

其中，屈服点采用通用屈服弯矩法确定，极限点由峰值荷载85%所对应的点确定.

根据式（19）～式（23），可得锈蚀RC框架梁骨架曲线特征参数，如表4、表5所示. 由表4、表5可看出：计算骨架曲线特征参数与试验骨架曲线特征参数的最大误差为6%，误差总体在5%以下，表明拟合的修正公式在确定锈蚀RC框架梁骨架曲线时有较高的精度和较好的适用性.

3.2   滞回规则的确定

根据试验结果可知，循环荷载作用将引起构件各受力阶段的强度衰减和刚度退化，而强度衰减和刚度退化又导致构件耗能能力变化，从而构件的耗能能力是其强度衰减和刚度退化的客观反映. 因此，本文引入Rahnama等人[24]提出的基于能量耗散的循環退化指数βi以考虑构件强度衰减和刚度退化：

基于循环退化指数βi，将构件的性能退化划分为基本强度退化、软化段强度退化、卸载刚度退化和再加载刚度退化四部分来进行理论描述.

1）基本强度退化

构件在加载过程中的基本强度退化模式如图11所示. 该退化模式用于表征构件屈服后，在往复荷载作用下屈服强度和强化段刚度降低的现象. 其退化规则按式（27）（28）计算[26]：

2）软化段强度退化

构件在加载过程中的软化段强度退化模式如图12所示. 该退化模式用于表征构件加载过程中，峰值荷载后软化段强度的退化现象. 此时，软化段强度退化并未改变其刚度. 因此，可通过修正软化段反向延长与纵坐标轴的交点控制软化段强度退化，其计算公式如下[26]：

4）再加载刚度退化

构件在加载过程中的再加载刚度退化模式如图14所示. 以往的滞回模型大多为顶点指向型模型，即再加载曲线指向了上一加载循环的最大位移点. 这种顶点指向型模型并不能考虑再加载刚度的加速退化现象. 因此，引入目标位移来考虑试件再加载刚度加速退化现象，其计算公式如下[26]：

4   恢复力模型的验证

利用本文5榀锈蚀RC框架梁试件滞回曲线对上述建立的恢复力模型进行验证，如图15所示. 可以看出，建立的锈蚀RC框架梁恢复力模型与试验滞回曲线吻合良好. 因此，本文建立的锈蚀RC框架梁恢复力模型有较高的精度和较好的适用性.

5   结   论

1）酸雨侵蚀程度较轻时，相对于完好试件，受侵蚀试件抗震能力略有增加. 酸雨侵蚀程度较重时，随着钢筋锈蚀程度的增大，RC框架梁试件的承载能力、变形能力与耗能能力逐渐降低.

2）基于试验结果，拟合了考虑钢筋锈蚀的骨架曲线特征点计算公式，并将计算骨架特征参数与试验骨架特征参数进行对比，最大误差为6%，误差总体在5%以下，表明拟合的修正公式在确定锈蚀RC框架梁骨架曲线特征参数时有较高的精度和较好的适用性.

3）引入基于能量耗散的循环退化指数βi以考虑构件在循环荷载作用下的强度衰减和刚度退化，并基于此确定了适用于锈蚀RC框架梁的滞回规则.

4）建立了锈蚀RC框架梁的恢复力模型，并与试验滞回曲线进行对比，吻合情况较好，表明所建立的恢复力模型具有较高的精度和适用性.

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