一般大氣環(huán)境下銹蝕RC框架梁恢復力模型

尚志剛 鄭淏 鄭山鎖 董晉琦 賀金川

摘 ? 要：對5榀一般大氣環(huán)境下銹蝕RC框架梁進行擬靜力試驗，分析銹蝕程度對RC框架梁滯回性能的影響. 基于試驗結果，結合完好RC框架梁骨架曲線特征點參數(shù)，得到銹蝕RC框架梁骨架曲線模型. 引入基于能量耗散的循環(huán)退化指數(shù)βi，提出綜合考慮銹蝕RC框架梁構件基本強度退化、軟化段強度退化、卸載剛度退化和再加載剛度退化的滯回規(guī)則，進而建立適用于一般大氣環(huán)境下銹蝕RC框架梁的恢復力模型. 將建立的恢復力模型與試驗滯回曲線進行對比，吻合情況良好，表明所建立的恢復力模型具有較高的精度，能較好地揭示一般大氣環(huán)境下銹蝕RC框架梁的滯回特性. 研究成果可為銹蝕RC結構彈塑性分析提供理論依據(jù).

關鍵詞：一般大氣環(huán)境;RC框架梁;銹蝕;骨架曲線模型;循環(huán)退化;恢復力模型

中圖分類號：TU375;TU317.1 ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標志碼：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

隨著工業(yè)化的快速發(fā)展，我國已成為世界第三大酸雨區(qū)[1]. 酸雨不僅會造成嚴重的環(huán)境污染，還會極大地威脅到混凝土建筑物的安全與壽命[2]. 已有研究表明，酸雨中的SO2-4 、NO-3等侵蝕離子的共同作用，會造成RC結構中的鋼筋銹蝕，進而導致縱筋有效截面減小與力學性能退化，且銹蝕產(chǎn)物膨脹還會削弱鋼筋與混凝土間的黏結性能，從而引起RC結構滯回性能的劣化[3]. 因此研究并揭示酸雨環(huán)境下鋼筋混凝土結構滯回性能劣化規(guī)律極為重要. 然而，目前國內(nèi)外對一般大氣環(huán)境下RC框架梁的研究多集中于考慮二氧化碳和酸性腐蝕介質(zhì)單一因素侵蝕后混凝土材料與構件損傷機理和力學性能退化規(guī)律等方面的研究[2，4-5]，對于其滯回性能的研究相對較少.

恢復力模型是實現(xiàn)構件與結構彈塑性地震反應分析的重要基礎. 迄今為止，國內(nèi)外學者基于大量混凝土構件與結構的擬靜力試驗及恢復力特性研究，提出了諸多有影響力的恢復力模型. 這些模型大體可分為曲線型和折線型兩大類. 折線型恢復力模型雖精度不如曲線型高，但能達到工程要求，且計算工作量小，便于應用[6]. 因此，實際工程中普遍采用折線型恢復力模型. 目前，較為常用的折線型恢復力模型主要有Clough雙線型模型[7]、Takeda三折線模型[8]、Park三折線模型[9]和朱伯龍四折線模型[10]等. 不過，上述恢復力模型皆未考慮因環(huán)境因素導致的鋼筋銹蝕對構件力學性能的削弱，致使其不能較好地揭示一般大氣環(huán)境下銹蝕RC框架梁的滯回特性.

鑒于此，本文對5榀一般大氣環(huán)境下銹蝕RC框架梁試件進行擬靜力加載試驗，并基于試驗結果擬合了考慮鋼筋銹蝕的骨架曲線特征點計算公式，進而結合完好RC框架梁骨架曲線特征點參數(shù)，建立了一般大氣環(huán)境下銹蝕RC框架梁的三折線骨架曲線模型;同時，引入循環(huán)退化指數(shù)βi來定量描述構件在循環(huán)加載過程中的性能退化，進而建立了一般大氣環(huán)境下銹蝕RC框架梁的恢復力模型，并與試驗滯回曲線進行對比，驗證了其有效性.

1 ? 試驗概況

1.1 ? 試件設計

本文基于框架梁在地震作用下的受力情況，取框架節(jié)點至梁反彎點之間的懸臂梁段作為研究對象，依據(jù)《建筑抗震試驗規(guī)程》（JGJ/T101—2015）[11]、《混凝土結構設計規(guī)范》（GB 50010—2010）[12]、《建筑抗震設計規(guī)范》（GB 50011—2010）[13]等，設計并制作了5榀剪跨比為5，且具有不同銹蝕程度的RC框架梁試件. 各試件高度均為1 300 mm，混凝土強度等級為C40. 試件具體設計參數(shù)見表1，詳細尺寸和截面配筋形式如圖1所示.

通過混凝土標準立方體試塊材性試驗及鋼筋拉伸試驗，可獲得混凝土、縱筋和箍筋的力學性能，如表2、表3所示.

1.2 ? 試件加速銹蝕試驗

由文獻[14]可知，人工氣候模擬環(huán)境能夠達到與自然環(huán)境相同的銹蝕作用過程. 因此，本文通過設定人工氣候?qū)嶒炇覅?shù)模擬一般大氣環(huán)境（pH=3.0），以實現(xiàn)試件的加速銹蝕，模擬實驗系統(tǒng)如圖2所示.

為了模擬一般大氣環(huán)境，本文參考文獻[15]中所采用的噴淋-烘干循環(huán)腐蝕實驗方案對試件進行酸雨侵蝕模擬，并同時在實驗室內(nèi)恒通CO2以模擬實際環(huán)境中的混凝土碳化. 整個試驗過程保證氣候模擬實驗室內(nèi)酸霧濃度恒定. 銹蝕循環(huán)方案如圖3所示. 其中，噴淋溶液為硫酸根離子濃度達到0.06 mol/L的Na2SO4溶液，再滴加HNO3溶液，以調(diào)節(jié)銹蝕溶液的pH值等于3.0.

1.3 ? 擬靜力加載裝置和加載制度

為模擬框架梁在地震作用下的受力情況，本試驗采用懸臂梁式加載方法對RC框架梁試件進行低周往復循環(huán)加載，加載裝置如圖4所示.

試驗采取的加載制度為位移控制的變幅加載制度，如圖5所示.

屈服前，以預估屈服位移的20%、40%、60%、80%為位移級進行加載，每個位移級循環(huán)1次;屈服后，以屈服位移的倍數(shù)為級差進行加載，每級循環(huán)3次，直至試件發(fā)生破壞或達到峰值荷載的85%，停止加載[16]. 正式加載前，應先對各試件進行預加反復荷載兩次，以檢驗并校準加載裝置及量測儀表.

1.4 ? 鋼筋銹蝕率

本文采用鋼筋銹蝕率來表征試件銹蝕程度. 擬靜力加載試驗結束后，截取出各試件內(nèi)部的縱筋3根，按規(guī)范[17]所述方法進行除銹，并與預留完好鋼筋對比計算鋼筋銹蝕率 ，其計算公式如下：

式中：g0 和g1分別為鋼筋銹蝕前后的質(zhì)量.

各試件鋼筋平均銹蝕率如表1所示.

2 ? 試驗現(xiàn)象及結果

2.1 ? 試驗破壞現(xiàn)象

各試件的破壞過程如下：加載初期，試件表面基本無裂縫產(chǎn)生;梁頂水平位移達到3 mm左右時，梁底部100～300 mm高度范圍內(nèi)出現(xiàn)水平裂縫;隨著水平位移增大，梁底水平裂縫數(shù)量與寬度均不斷增加，并且多條水平裂縫斜向發(fā)展形成斜裂縫，此時受拉鋼筋屈服;當水平位移達到21 mm左右時，梁底出現(xiàn)豎向裂縫;隨著水平位移的進一步增大，梁底角部混凝土壓碎并嚴重剝落，鋼筋外露，試件隨即宣告破壞. 最終破壞時，試件表面雖有斜裂縫產(chǎn)生，但其破壞形態(tài)仍為典型的彎曲破壞. 各試件破壞形態(tài)如圖6所示.

2.2 ? 試驗結果

將本次試驗試件在加載過程中采集的荷載、位移數(shù)據(jù)繪制成P-Δ滯回曲線，如圖7所示.

根據(jù)圖7，可知：

1）總體而言，各個試件的滯回曲線大體規(guī)律一致. 屈服前，各試件滯回曲線接近重合于一條直線，加卸載剛度基本無退化，卸載后無殘余變形，滯回耗能較小;屈服后，隨著加載的進行，各試件滯回曲線的加載半環(huán)和卸載半環(huán)從直線中逐漸分離并近似呈梭形，滯回環(huán)面積逐漸增大，試件殘余變形亦逐漸增大，此階段試件塑性變形不斷增大，加載剛度和卸載剛度則發(fā)生不同程度退化;峰值荷載后，各試件滯回曲線由梭形逐漸轉變?yōu)楣危休d能力和剛度隨著加載位移級和循環(huán)次數(shù)的增加而加劇退化.

2）銹蝕程度對試件的抗震性能具有顯著影響. 對于酸雨侵蝕程度較輕的B-2試件，由于腐蝕初期混凝土內(nèi)部生成少量膨脹性石膏填充了混凝土孔隙，使得混凝土密實度提高從而強度亦提高，且腐蝕介質(zhì)尚未達到鋼筋表面，鋼筋未發(fā)生銹蝕，故相對于B-1試件，其抗震能力略有增加. 對于酸雨侵蝕程度較重的B-3～B-5試件，其混凝土中性化深度已達到保護層厚度，鋼筋處于酸性環(huán)境中并發(fā)生銹蝕，且隨著鋼筋銹蝕程度的加重，鋼筋表面膨脹性銹蝕產(chǎn)物逐漸增多，致使混凝土脹裂越來越嚴重，進而導致試件承載能力降低，滯回性能逐漸下降. 因此，隨著鋼筋銹蝕程度的增大，試件峰值荷載、極限位移以及滯回環(huán)面積均逐漸減小，表明RC框架梁試件的承載能力、變形能力與耗能能力均隨銹蝕程度的增加而呈降低趨勢.

3 ? 銹蝕RC框架梁恢復力模型

3.1 ? 骨架曲線的建立

基于試驗結果分析，本文采取具有下降段的三折線骨架模型，并且假定正、負向骨架曲線對稱，如圖8所示. 其中A、B、C分別為完好試件的屈服點、峰值點及極限點. 對應的A′、B′、C′分別為銹蝕試件的屈服點、峰值點及極限點.

由于本文定義的極限點為峰值荷載的85%對應的點，與文獻[19]對于極限狀態(tài)的定義不同. 因此，參考文獻[20]，通過簡單的幾何換算給出了極限狀態(tài)為峰值荷載85%時截面極限曲率？準u的計算公式，如式（17）所示.

為了驗證上述完好RC框架梁試件骨架曲線特征參數(shù)計算的準確性，將試件B-1的試驗骨架曲線與計算骨架曲線進行對比，如圖9所示

由圖9可看出，試驗骨架曲線與計算骨架曲線吻合較好，表明本文提出的完好試件特征參數(shù)計算方法可用于確定未銹蝕RC框架梁的骨架曲線.

對完好RC框架梁骨架曲線各特征點進行修正，便可得到銹蝕RC框架梁骨架曲線特征參數(shù)，具體修正方法如下：

基于試驗結果，將B-1～B-5試件的特征參數(shù)與縱筋銹蝕率進行擬合分析，擬合結果如圖10所示.

其中，屈服點采用通用屈服彎矩法確定，極限點由峰值荷載85%所對應的點確定.

根據(jù)式（19）～式（23），可得銹蝕RC框架梁骨架曲線特征參數(shù)，如表4、表5所示. 由表4、表5可看出：計算骨架曲線特征參數(shù)與試驗骨架曲線特征參數(shù)的最大誤差為6%，誤差總體在5%以下，表明擬合的修正公式在確定銹蝕RC框架梁骨架曲線時有較高的精度和較好的適用性.

3.2 ? 滯回規(guī)則的確定

根據(jù)試驗結果可知，循環(huán)荷載作用將引起構件各受力階段的強度衰減和剛度退化，而強度衰減和剛度退化又導致構件耗能能力變化，從而構件的耗能能力是其強度衰減和剛度退化的客觀反映. 因此，本文引入Rahnama等人[24]提出的基于能量耗散的循環(huán)退化指數(shù)βi以考慮構件強度衰減和剛度退化：

基于循環(huán)退化指數(shù)βi，將構件的性能退化劃分為基本強度退化、軟化段強度退化、卸載剛度退化和再加載剛度退化四部分來進行理論描述.

1）基本強度退化

構件在加載過程中的基本強度退化模式如圖11所示. 該退化模式用于表征構件屈服后，在往復荷載作用下屈服強度和強化段剛度降低的現(xiàn)象. 其退化規(guī)則按式（27）（28）計算[26]：

2）軟化段強度退化

構件在加載過程中的軟化段強度退化模式如圖12所示. 該退化模式用于表征構件加載過程中，峰值荷載后軟化段強度的退化現(xiàn)象. 此時，軟化段強度退化并未改變其剛度. 因此，可通過修正軟化段反向延長與縱坐標軸的交點控制軟化段強度退化，其計算公式如下[26]：

4）再加載剛度退化

構件在加載過程中的再加載剛度退化模式如圖14所示. 以往的滯回模型大多為頂點指向型模型，即再加載曲線指向了上一加載循環(huán)的最大位移點. 這種頂點指向型模型并不能考慮再加載剛度的加速退化現(xiàn)象. 因此，引入目標位移來考慮試件再加載剛度加速退化現(xiàn)象，其計算公式如下[26]：

4 ? 恢復力模型的驗證

利用本文5榀銹蝕RC框架梁試件滯回曲線對上述建立的恢復力模型進行驗證，如圖15所示. 可以看出，建立的銹蝕RC框架梁恢復力模型與試驗滯回曲線吻合良好. 因此，本文建立的銹蝕RC框架梁恢復力模型有較高的精度和較好的適用性.

5 ? 結 ? 論

1）酸雨侵蝕程度較輕時，相對于完好試件，受侵蝕試件抗震能力略有增加. 酸雨侵蝕程度較重時，隨著鋼筋銹蝕程度的增大，RC框架梁試件的承載能力、變形能力與耗能能力逐漸降低.

2）基于試驗結果，擬合了考慮鋼筋銹蝕的骨架曲線特征點計算公式，并將計算骨架特征參數(shù)與試驗骨架特征參數(shù)進行對比，最大誤差為6%，誤差總體在5%以下，表明擬合的修正公式在確定銹蝕RC框架梁骨架曲線特征參數(shù)時有較高的精度和較好的適用性.

3）引入基于能量耗散的循環(huán)退化指數(shù)βi以考慮構件在循環(huán)荷載作用下的強度衰減和剛度退化，并基于此確定了適用于銹蝕RC框架梁的滯回規(guī)則.

4）建立了銹蝕RC框架梁的恢復力模型，并與試驗滯回曲線進行對比，吻合情況較好，表明所建立的恢復力模型具有較高的精度和適用性.

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