海洋環(huán)境下鋼筋混凝土柱抗震性能數(shù)值模擬

周佳偉， 左曉寶

(南京理工大學(xué) 理學(xué)院， 江蘇 南京 210094)

海洋工程中，鋼筋混凝土柱長期處于海洋中，海水中擁有豐富的氯離子和硫酸根離子，硫酸根離子通過混凝土裂縫擴(kuò)散進(jìn)入內(nèi)部與水泥水化物反應(yīng)生成鈣鞏石或石膏，導(dǎo)致構(gòu)件內(nèi)部裂縫擴(kuò)大，柱構(gòu)件力學(xué)性能下降；隨后，鋼筋表面氯離子開始積聚，達(dá)到一定的濃度后破壞鋼筋表面的氧化膜并開始銹蝕鋼筋，導(dǎo)致鋼筋面積逐漸減小，造成結(jié)構(gòu)構(gòu)件承載力降低，延性下降[1]。因此，探究侵蝕環(huán)境下混凝土構(gòu)件的抗震性能退化規(guī)律對于分析結(jié)構(gòu)安全性、耐久性是十分必要的。

根據(jù)已有的研究氯鹽或硫酸鹽侵蝕下的鋼筋混凝土構(gòu)件材料力學(xué)性能變化的實(shí)驗(yàn)成果，總結(jié)實(shí)驗(yàn)成果并推導(dǎo)出混凝土、鋼筋的損傷本構(gòu)模型，利用Abaqus分析軟件，建立模型并模擬研究海洋環(huán)境下鋼筋混凝土柱的抗震性能。目前，針對氯鹽和硫酸鹽對鋼筋混凝土構(gòu)件的侵蝕問題，國內(nèi)外研究者進(jìn)行了許多試驗(yàn)，根據(jù)實(shí)驗(yàn)研究成果得到了許多鋼筋混凝土材料的損傷模型[2]，同時對硫酸鹽侵蝕作用下的鋼筋混凝土構(gòu)件的力學(xué)性能進(jìn)行了分析[3]。研究鋼筋在氯鹽侵蝕作用下的銹蝕過程，結(jié)合菲克定律，得到了氯離子隨著時間的變化在混凝土構(gòu)件中的擴(kuò)散模型，根據(jù)擴(kuò)散模型推導(dǎo)出鋼筋銹蝕量及鋼筋截面積損失率的計算方程[4]。覃珊珊[5]研究了硫酸鹽濃度和溫度對硫酸鹽侵蝕混凝土的影響規(guī)律，建立了硫酸鹽侵蝕混凝土力學(xué)性能退化模型，確定了硫酸鹽侵蝕混凝土材料的耐久性失效指標(biāo)和失效極限狀態(tài)方程,為硫酸鹽侵蝕混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性設(shè)計提供了新的方法。姜磊[6]采用理論與試驗(yàn)相結(jié)合、宏觀試驗(yàn)與微觀分析相結(jié)合的方法，研究了干濕循環(huán)、凍融循環(huán)分別對混凝土的損傷劣化機(jī)理與性能退化規(guī)律的影響，在此基礎(chǔ)上建立了混凝土抗壓強(qiáng)度衰減模型與單軸受壓本構(gòu)模型，分析得到了損傷層混凝土的力學(xué)性能退化規(guī)律。吳莎莎[7]針對外部硫酸根離子侵蝕混凝土導(dǎo)致的性能劣化機(jī)制進(jìn)行研究,并對該侵蝕破壞過程進(jìn)行了數(shù)值模擬。Biswas等[8]考慮了鋼筋腐蝕是造成混凝土和鋼筋材料強(qiáng)度下降的重要因素，提出了一種數(shù)值模型，模擬鋼筋腐蝕導(dǎo)致混凝土開裂后，混凝土和鋼筋材料特性和兩者之間粘結(jié)關(guān)系的變化，在數(shù)值分析中獲得結(jié)構(gòu)行為，裂紋長度和裂紋模式與實(shí)驗(yàn)研究非常吻合。分析結(jié)果表明，鋼筋銹蝕顯著降低了鋼筋混凝土橋墩的結(jié)構(gòu)性能。Biondini等[9]通過引入合適的材料降解規(guī)律來評估損傷。由于質(zhì)量擴(kuò)散的速率通常取決于應(yīng)力狀態(tài)，因此通過對質(zhì)量傳遞中的隨機(jī)效應(yīng)進(jìn)行適當(dāng)建模，還考慮了擴(kuò)散過程與損壞結(jié)構(gòu)機(jī)械行為之間的相互作用。為了這個目標(biāo)，在有限元方法框架內(nèi)通過改變鋼筋混凝土梁單元參數(shù)進(jìn)行時間段內(nèi)的非線性結(jié)構(gòu)分析，通過一些應(yīng)用證明了所提出的方法在處理復(fù)雜幾何和機(jī)械邊界條件方面的有效性。Muthulingam[10]等提出并驗(yàn)證了一個數(shù)值框架，該框架可以有效地量化暴露于氯化物環(huán)境的混凝土中沿鋼筋周長的非均勻腐蝕滲透深度。此外，該框架考慮了鋼筋尺寸和位置對氯化物進(jìn)入混凝土過程的影響，并評估了與腐蝕滲透深度兩種情況相對應(yīng)的非均勻腐蝕狀態(tài)：鋼筋段腐蝕和沿鋼筋不均勻腐蝕周長。計算得到的非均勻腐蝕狀態(tài)與各種實(shí)驗(yàn)室和現(xiàn)場數(shù)據(jù)比較顯示出良好的一致性。

前述研究中主要是針對單一影響因素對鋼筋混凝土構(gòu)件的作用，忽略了各因素間的耦合作用。本文研究了考慮氯鹽-硫酸鹽共同侵蝕下的混凝土柱抗震性能的變化規(guī)律，研究硫酸鹽侵蝕對混凝土材料的損傷機(jī)理和氯鹽侵蝕時鋼筋截面面積變化特征，數(shù)值求解并推導(dǎo)得到海洋環(huán)境下氯離子和硫酸根離子在混凝土中的擴(kuò)散方程，研究氯離子和硫酸根離子分布與鋼筋混凝土材料損傷的關(guān)系后，以GB 50010—2010《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》[11]中的混凝土本構(gòu)為基礎(chǔ)，得到了侵蝕作用下混凝土的本構(gòu)模型及鋼筋銹蝕面積方程，最后應(yīng)用Abaqus有限元軟件建立了考慮氯鹽-硫酸鹽共同侵蝕下的鋼筋混凝土單柱模型，對分析結(jié)果后處理得到混凝土柱抗彎承載力、延性、滯回耗能能力等隨時間變化的規(guī)律。

1 材料損傷模型

1.1 混凝土

相比未受到硫酸鹽腐蝕的混凝土本構(gòu)模型，實(shí)驗(yàn)研究顯示[2]：腐蝕后的混凝土本構(gòu)曲線中混凝土峰值應(yīng)力、極限應(yīng)力與峰值應(yīng)變、極限應(yīng)變都出現(xiàn)了下降和增大，如圖1所示。本文以GB 50010—2010《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》[11](以下簡稱《規(guī)范》)中提供的混凝土本構(gòu)模型為基礎(chǔ)，同時，引入損傷系數(shù)β描述硫酸鹽侵蝕過程中混凝土應(yīng)力-應(yīng)變曲線特征參數(shù)的變化規(guī)律[3]。受到硫酸鹽侵蝕的混凝土損傷本構(gòu)模型如下：

圖1 混凝土損傷本構(gòu)模型

(1)

(2)

(3)

混凝土柱受到硫酸根離子的侵蝕作用時，離子通過空隙和裂縫與混凝土中水泥石的一些成分發(fā)生化學(xué)反應(yīng)生成膨脹性產(chǎn)物，從而產(chǎn)生膨脹應(yīng)力破壞混凝土，因此硫酸根離子濃度與混凝土的損傷系數(shù)β關(guān)聯(lián)密切，文獻(xiàn)[12]基于混凝土腐蝕試驗(yàn)結(jié)果，對試驗(yàn)數(shù)據(jù)擬合后給出了混凝土損傷系數(shù)β與硫酸根離子濃度之間的關(guān)系：

(4)

式中：β(ni,t)為第ni層混凝土在t時刻的混凝土損傷系數(shù);t為腐蝕時間;t0為混凝土初始腐蝕時間;tu為混凝土完全失效時的時間;qc為混凝土蝕強(qiáng)率系數(shù)，本文按照文獻(xiàn)[13]取值，C=C(ni,t)為第ni層混凝土在t時刻的硫酸根離子濃度。

基于Fick定律和質(zhì)量守恒定律，得到混凝土柱截面硫酸根離子濃度分布方程，方程[14]如下所示：

(5)

式中：kv為硫酸根離子與混凝土內(nèi)部物質(zhì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)的速率常數(shù)，按照文獻(xiàn)[15]取值；CCa為混凝土內(nèi)部的鈣離子濃度，按照文獻(xiàn)[15]取值；Cs為環(huán)境中的硫酸根離子濃度，按照文獻(xiàn)[16]取值；Ds為混凝土中硫酸根離子有效擴(kuò)散系數(shù)，采用文獻(xiàn)[17]中的公式計算確定。

1.2 鋼筋

鋼筋混凝土中的鋼筋發(fā)生銹蝕，銹蝕的原因可以分3種[18]：氧氣擴(kuò)散、碳化和氯離子擴(kuò)散。氯鹽的侵蝕作用，是海洋環(huán)境下鋼筋銹蝕的主要原因。環(huán)境中的氯離子在濃度梯度的作用下，通過混凝土的宏觀、微觀裂縫到達(dá)混凝土和鋼筋交界面，累積到一定濃度后導(dǎo)致鋼筋銹蝕及鋼筋有效面積減少。腐蝕過程鋼筋的有效截面面積按照以下公式計算：

Aeffective(t)=A0(t)-Ar(t)

(6)

式中：Aeffective(t)為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)腐蝕時間t時刻鋼筋的有效截面面積；A0(t)為未受到腐蝕時鋼筋截面面積；Ar(t)為腐蝕時間t時的鋼筋銹蝕面積。

研究氯鹽侵蝕環(huán)境下鋼筋的銹蝕過程，可以知道鋼筋的銹蝕分為兩種[19]：均勻銹蝕和點(diǎn)蝕。根據(jù)氯鹽造成的鋼筋銹蝕特征，分別對均勻銹蝕和點(diǎn)蝕面積進(jìn)行計算，得到在t時刻鋼筋腐蝕面積Ar(t)可以按照下式計算：

Ar(t)=Aar(t)+Apr(t)

(7)

式中:Aar(t)為t時刻的均勻銹蝕面積；Apr(t)為t時刻的點(diǎn)蝕面積。

根據(jù)圖2，可獲得鋼筋截面的均勻銹蝕面積為：

圖2 銹蝕鋼筋截面模型

(8)

式中:d0為未銹蝕時的鋼筋直徑；Δd(t)為鋼筋銹蝕前后的直徑差值;d(t)在t時刻銹蝕后的鋼筋直徑，d(t)=d0-Δd。

結(jié)合法拉第定律，確定鋼筋銹蝕厚度與電流密度及時間之間的關(guān)系：

(9)

式中：vs為鋼筋銹蝕速率，按文獻(xiàn)[20]取值；icor為鋼筋的腐蝕電流密度，按照文獻(xiàn)[13]取值；tcor為鋼筋銹蝕的開始時間：

(10)

式中:X為混凝土保護(hù)層厚度；D0為混凝土構(gòu)件服役時間為t0時，氯離子有效擴(kuò)散系數(shù)；t0為混凝土的初始服役時間，一般取值養(yǎng)護(hù)時間；m為常數(shù)，一般取0.1；Φ為標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)分布函數(shù)；Ccr為鋼筋鈍化膜破壞時氯離子的濃度，按照文獻(xiàn)[21]取值；Ccl為環(huán)境中的氯離子濃度，按照文獻(xiàn)[16]取值。

根據(jù)圖2所示的鋼筋各區(qū)域的面積，結(jié)合相應(yīng)參數(shù)，得到發(fā)生坑蝕的鋼筋面積計算公式：

(11)

式中:θ1為坑蝕邊弧線ADC對應(yīng)的圓心角;θ2為與弧線ABC相對應(yīng)：

(12)

式中:hp(t)為鋼筋表面發(fā)生坑蝕后的的深度;q為用于表征坑蝕和均勻銹蝕的關(guān)系，一般取兩者腐蝕的深度比值為6[22]。

綜上所述，得到在不同腐蝕時間段內(nèi)混凝土柱內(nèi)鋼筋的有效截面面積公式為：

(13)

2 腐蝕混凝土柱的有限元建模

2.1 基本假定

有限元建模時，作如下基本假定：

(1)在加載和受侵蝕時，柱截面始終符合平截面假定；

(2)各20 mm厚的單層混凝土的損傷系數(shù)及本構(gòu)模型相同；

(3)忽略硫酸鹽、氯鹽侵蝕產(chǎn)物對離子傳輸及鋼筋 - 混凝土位置的關(guān)系的影響；

(4)柱截面各層混凝土的接觸面不發(fā)生相對位移和變形；

(5)柱截面中混凝土層的損傷系數(shù)達(dá)到0.98時認(rèn)為其已經(jīng)失效。

2.2 柱截面劃分

根據(jù)柱截面尺寸及混凝土等效腐蝕深度，混凝土柱截面按照不同的損傷參數(shù)劃分出相應(yīng)的層數(shù)，將混凝土柱構(gòu)件按照20 mm的間距由外向內(nèi)進(jìn)行等距劃分，則混凝土柱被劃分成15層，對未腐蝕和完全腐蝕的混凝土層進(jìn)行歸并，如圖3所示。

圖3 構(gòu)件截面劃分示意

圖3中A0代表在服役時間內(nèi)混凝土損傷系數(shù)大于0.98的區(qū)域；A1代表未受到腐蝕，損傷參數(shù)為0的區(qū)域；A2～An為混凝土損傷系數(shù)位于區(qū)間(0,0.98)的不完全損傷區(qū)域，各層的厚度為20 mm。

2.3 Abaqus計算模型建立

2.3.1 混凝土模型

按照20 mm的間距對柱截面進(jìn)行分層劃分，各層混凝土的損傷程度由其所在的柱截面位置由式(5)確定截面各位置的離子濃度分布，由式(4)確定離子濃度和損傷系數(shù)的關(guān)系，再利用式(1)～(3)確定柱截面上各層混凝土的損傷本構(gòu)關(guān)系。

為了分析硫酸鹽侵蝕作用下混凝土柱力學(xué)性能的退化規(guī)律，在Abaqus軟件中建立了腐蝕混凝土本構(gòu)模型。本文對鋼筋混凝土柱構(gòu)件進(jìn)行有限元分析時，混凝土的模型采用Abaqus軟件中的塑性損傷模型，簡稱CDP。

2.3.2 鋼筋模型

模型中銹蝕后鋼筋的力學(xué)性能無變化，但是鋼筋的有效面積降低。鋼筋銹蝕的初始時間按式(10)計算，鋼筋截面面積可按式(13)計算。加載過程中鋼筋本構(gòu)模型如圖4,5所示。

圖4 Menegotto-Pinto鋼筋本構(gòu) 圖5 曲率參數(shù)R圖示

Menegotto-Pinto鋼筋本構(gòu)關(guān)系如圖4所示，上標(biāo)數(shù)字代表荷載循環(huán)次數(shù)，每一次應(yīng)變反向，該類參數(shù)都要進(jìn)行更新。Menegotto-Pinto鋼筋本構(gòu)曲線的表達(dá)式如下：

(13)

(14)

(15)

(16)

(17)

式中:σ,ε分別為當(dāng)前的應(yīng)力、應(yīng)變；σ0,ε0分別為初始狀態(tài)應(yīng)力、應(yīng)變；σr,εr分別為應(yīng)變反向點(diǎn)的應(yīng)力、應(yīng)變；σ*,ε*為初始剛度Es發(fā)展至Esh之間的過渡應(yīng)力、應(yīng)變；a1,a2,R0需要根據(jù)實(shí)驗(yàn)確定，子程序?qū)⒏鶕?jù)鋼筋種類自動賦值。

曲率參數(shù)R如圖5所示，R反映了Bauschinger效應(yīng)的程度大小，R0為首次加載時R的初始值；ξ為當(dāng)前循環(huán)半周期的塑性應(yīng)變，每次應(yīng)變反向后根據(jù)公式(18)更新：

(18)

式中:εm為加載歷史的應(yīng)變極值；εy為鋼筋的屈服應(yīng)變。

綜合考慮各鋼筋模型的優(yōu)缺點(diǎn)，本文鋼筋采用方自虎教授開發(fā)的M-P鋼筋模型子程序[23]，該本構(gòu)關(guān)系不僅能很好的模擬鋼筋混凝土柱的強(qiáng)度和剛度，模擬得到的滯回曲線與反復(fù)加載實(shí)驗(yàn)結(jié)果也顯示出良好的一致性。Abaqus中鋼筋采用Truss單元并將其通過Embedded Region方式嵌入混凝土柱中。鋼筋材料子程序需要輸入三個參數(shù)：鋼筋初始剛度Es、屈服強(qiáng)度fy及硬化剛度與初始剛度的比值Esh/Es，本文Esh/Es取值0.001。

2.3.3 分析流程

利用Abaqus軟件中實(shí)體單元，建立考慮氯鹽、硫酸侵蝕作用的混凝土柱模型，分析過程如圖6所示。

3 混凝土柱算例

3.1 模型信息

本算例目的是研究在氯鹽和硫酸鹽共同侵蝕作用下，混凝土單柱抗震性能的變化特性，將前述中得到的考慮侵蝕作用的混凝土本構(gòu)模型和鋼筋有效截面面積嵌入到Abaqus軟件中，通過在柱頂施加軸向力和水平荷載，研究混凝土柱的抗彎能力、滯回曲線隨腐蝕時間的變化規(guī)律。構(gòu)件配筋見圖7a，荷載模型如圖7b所示，氯離子濃度Ccl和硫酸根離子濃度Cs采用實(shí)際海洋環(huán)境的數(shù)值[16]，本算例的主要參數(shù)如下所示。

圖7 混凝土柱模型及荷載圖示

(1)構(gòu)件、混凝土、鋼筋、環(huán)境及其他參數(shù)見表1～5。

表1 構(gòu)件參數(shù)

表2 混凝土參數(shù)

表3 鋼筋參數(shù)

表4 環(huán)境參數(shù)

表5 其他參數(shù)

(2)計算參數(shù)：截面上各層混凝土厚度s取20 mm，時間步長Δt取10 d。

(3)加載方式：為了防止出現(xiàn)應(yīng)力集中，在模型柱頂創(chuàng)建參考點(diǎn)并和柱頂表面耦合；采用位移的方式逐漸加載，每級位移為10 mm，加載模式如圖7c。

3.2 數(shù)值模擬結(jié)果分析

3.2.1 受壓承載力

(19)

式中:βi為各層混凝土的損傷系數(shù)代表值;S為混凝土柱的全截面面積;Nu0為未腐蝕柱的受壓承載力;Nu為服役中混凝土柱的受壓承載力;Ap為鋼筋在侵蝕過程中損失的截面面積;A0為未腐蝕的鋼筋的截面面積。本文將混凝土柱構(gòu)件有限元模型計算得到的荷載 - 位移曲線上的峰值作為受壓承載力。

圖8給出了不同服役時間下，受到侵蝕作用的鋼筋截面損失率、混凝土截面平均損傷系數(shù)及柱受壓承載力隨時間變化曲線圖。由圖可知，未受到侵蝕時，柱受壓承載力Nu0=13852 kN，在0～10年期間，構(gòu)件承載力退化較為平緩；服役10～30年期間，構(gòu)件受壓承載力極速下跌；30～50年期間，構(gòu)件呈現(xiàn)緩慢下降的趨勢；服役時間達(dá)到50年時，柱截面混凝土平均損傷系數(shù)達(dá)到69.9%，鋼筋有效截面面積下降至39.9%，鋼筋混凝土柱受壓承載力下降了近65%，如果構(gòu)件繼續(xù)服役，安全性可靠性已經(jīng)很難滿足要求。總體看來，隨著服役時間的增加，鋼筋混凝土柱的受壓承載力先期緩慢下降，后期下降速度加快。

圖8 侵蝕環(huán)境下柱的受壓承載力變化曲線

分析上述現(xiàn)象產(chǎn)生的原因：初始服役階段，混凝土構(gòu)件受侵蝕時間較短，構(gòu)件內(nèi)硫酸根離子濃度較低，混凝土平均損傷程度上升緩慢。對鋼筋截面積損失率而言，曲線斜率也是先平緩后陡然上升，可見鋼筋銹蝕率也呈現(xiàn)先慢后快的趨勢，初始階段混凝土單柱受壓承載力退化速度慢；隨著服役時間的逐漸增長，硫酸根離子濃度在混凝土柱截面由外向內(nèi)逐層遞減，因而外層混凝土損傷系數(shù)增長快，而內(nèi)部混凝土損傷系數(shù)增長較緩慢，當(dāng)外部混凝土損傷系數(shù)達(dá)到1，即外層混凝土失效后，內(nèi)部混凝土損傷系數(shù)的增長速率對混凝土平均損傷系數(shù)發(fā)展速率起主要作用，因此混凝土平均損傷系數(shù)增加速率呈現(xiàn)由快到慢的變化規(guī)律。

混凝土柱構(gòu)件受壓時，由鋼筋和混凝土協(xié)同承載，根據(jù)軸向壓力、鋼筋端部和混凝土表面應(yīng)力分布，能夠得到鋼筋和混凝土受壓過程中各自分擔(dān)的軸向壓力，圖9描述了N=3000 kN，材料承擔(dān)軸向荷載比率的變化。從圖中看出，隨著構(gòu)件服役時間的增加，混凝土和鋼筋承擔(dān)軸向荷載的比率分別呈現(xiàn)出降低和增加。初始，混凝土和鋼筋各承擔(dān)了93.3% 和 6.7%的軸向力，服役50年后，混凝土承擔(dān)軸向力比率下降到78%，而鋼筋承擔(dān)軸向力比率上升到22%。產(chǎn)生上述現(xiàn)象的主要原因是隨著硫酸根離子濃度的不斷增加，混凝土截面外部的損傷系數(shù)增加使得混凝土峰值應(yīng)力逐漸下降，混凝土的剛度減弱，而鋼筋的剛度變化不大，因此在橫截面上，隨著服役時間的推移，混凝土和鋼筋的承載率分別呈現(xiàn)下降和上升的規(guī)律。

圖9 材料承擔(dān)軸向荷載比率變化曲線

3.2.2 受彎承載力

圖10a～10c分別表示軸向力為0,1000,2500 kN時，整個服役周期內(nèi)的混凝土柱頂水平荷載 - 位移曲線，表6給出了構(gòu)件不同服役時間不同軸向力作用下水平荷載、柱頂位移以及延性系數(shù)。

圖10 不同軸向力作用下柱頂水平荷載 - 位移曲線

由圖10a～10c可知，軸向力相同時，隨著混凝土構(gòu)件服役時間的增加，鋼筋截面面積減小和混凝土平均損傷系數(shù)的逐漸增大，構(gòu)件受彎承載力逐漸降低，構(gòu)件的剛度也隨之降低；對比服役時間0,10,20年的曲線可以發(fā)現(xiàn)，在服役初期階段，適當(dāng)?shù)妮S向力使得構(gòu)件的抗彎承載力增強(qiáng)，在達(dá)到極限承載力后，承載力退化速率明顯加快。當(dāng)構(gòu)件服役超過30年，施加軸向力會使得受彎承載力下降。上述規(guī)律產(chǎn)生的原因，構(gòu)件服役時間增加，混凝土損傷系數(shù)增大，即使在恒定軸向荷載作用下，混凝土截面的有效面積減小，混凝土柱的真實(shí)軸壓比達(dá)到一定數(shù)值后，單柱的受彎承載力基本不再增強(qiáng)；加載過程中柱頂水平位移后產(chǎn)生的二階效應(yīng)，使得構(gòu)件在柱頂?shù)妮S力增大后剛度反而迅速下降。

圖11為不同軸向力作用下，構(gòu)件的延性系數(shù)時變曲線。分析表6和圖11中各工況下混凝土單柱的位移延性系數(shù)可以看出：服役時間相同時，構(gòu)件延性隨著軸向力的增加而降低；當(dāng)軸向力恒定時，整個服役周期內(nèi)，構(gòu)件的延性系數(shù)隨著服役時間的增加先增后減，主要原因是初始服役時，混凝土承擔(dān)大部分的軸向力，混凝土損傷系數(shù)提高了混凝土的極限壓應(yīng)變，因此混凝土能承受較大變形。隨著服役時間繼續(xù)增長，部分混凝土損傷系數(shù)增大至混凝土失效，鋼筋承載率增加，損傷混凝土壓碎或鋼筋加載至極限壓應(yīng)變后，構(gòu)件破壞失效，變形能力不足，延性急劇下降。

表6 柱頂水平力 - 位移模擬結(jié)果

圖11 不同軸向力作用下構(gòu)件延性系數(shù)時變曲線

3.2.3 抗震性能

為了研究在地震作用下，受到侵蝕的混凝土柱各項(xiàng)力學(xué)性能的變化規(guī)律，通過對柱頂施加低周反復(fù)荷載，得到了不同腐蝕年限下結(jié)構(gòu)的荷載 - 位移滯回曲線，解析滯回曲線可以得到混凝土單柱的抗側(cè)剛度、變形性能和耗能能力等參數(shù)隨時間變化的規(guī)律。由于計算結(jié)果較多，圖12給出部分服役時間水平荷載 - 變形曲線。

圖12 不同腐蝕年限混凝土柱滯回曲線

由圖12可知，初始加載過程中，荷載 - 位移曲線均趨近直線，隨著加載位移增大，滯回曲線面積逐漸增大，此過程中的各個滯回曲線傾斜程度增加，出現(xiàn)了不同程度的捏縮現(xiàn)象；隨著多次低周反復(fù)加載至混凝土峰值應(yīng)力后，柱構(gòu)件最大水平位移對應(yīng)的荷載值逐漸下降。

圖12縱向?qū)Ρ?，即軸力相同時，可以觀察到服役初期，柱的滯回曲線較為飽滿，構(gòu)件延性好，滯回耗能能力強(qiáng)，構(gòu)件的變形能力強(qiáng)，抗震性能良好，此時滯回曲線傾斜程度小，構(gòu)件的彈性性能好，剛度大。構(gòu)件服役后期，結(jié)構(gòu)的整體損傷程度不斷增加，滯回環(huán)逐漸捏縮，耗能能力降低，抗震性能下降。

圖12橫向?qū)Ρ龋捶蹠r間相同時，可以發(fā)現(xiàn)在服役初始時期，適當(dāng)?shù)妮S向力一定程度增強(qiáng)了柱抵抗水平荷載的能力，對于服役時間較長的構(gòu)件，混凝土損傷系數(shù)不斷增大，外層部分混凝土已經(jīng)失效，柱截面有效面積減小，構(gòu)件抵御水平荷載的能力將會降低，尤其高軸向力作用下的構(gòu)件剛度退化速度更快，耗能能力相對于同時間其他構(gòu)件也降低了許多。隨著服役時間增長，這種效應(yīng)也更加明顯，滯回曲線越來越向橫軸傾斜和捏縮，表明構(gòu)件的抗側(cè)剛度逐漸降低，損傷程度進(jìn)一步增加，抗震性能也急速下降。

4 結(jié) 論

本文總結(jié)了鋼筋混凝土構(gòu)件在硫酸根離子和氯離子共同侵蝕作用下混凝土和鋼筋材料的力學(xué)性能變化規(guī)律，通過公式推導(dǎo)建立了考慮侵蝕作用的混凝土本構(gòu)和不同時間段鋼筋截面積變化公式，在Abaqus中建立了侵蝕環(huán)境下的混凝土單柱模型，計算分析了在不同工況下混凝土柱抗震性能變化規(guī)律。對計算結(jié)果進(jìn)一步處理后，得到如下結(jié)論：

(1)氯鹽 - 硫酸鹽腐蝕環(huán)境中混凝土柱受壓承載力的衰減先快后慢，鋼筋承受荷載的比率逐漸上升，而混凝土的承載率逐漸下降。

(2)長期處于侵蝕環(huán)境中的混凝土柱構(gòu)件，其抗彎剛度逐漸下降，腐蝕初始階段，構(gòu)件變形能力得到提高，達(dá)到一定年限后開始下降；腐蝕初始階段，柱端施加合適的軸向荷載能夠增加柱的受彎承載力，腐蝕年限較長時，柱的抗側(cè)剛度迅速下降，承載力也明顯下降。

(3)腐蝕初始階段，柱構(gòu)件的滯回曲線寬厚飽滿，構(gòu)件變形能力和延性提高；受侵蝕時間較長時，混凝土柱的滯回曲線變窄并向橫軸逐漸傾斜，柱構(gòu)件的變形能力和耗能能力明顯減弱。