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氯离子侵蚀下RC框架结构时变抗震性能研究

周炎 郑山锁 龙立 张艺欣 贺金川 董立国

周炎, 郑山锁, 龙立, 张艺欣, 贺金川, 董立国. 氯离子侵蚀下RC框架结构时变抗震性能研究[J]. 工程力学, 2020, 37(7): 214-222. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2019.09.0519
引用本文: 周炎, 郑山锁, 龙立, 张艺欣, 贺金川, 董立国. 氯离子侵蚀下RC框架结构时变抗震性能研究[J]. 工程力学, 2020, 37(7): 214-222. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2019.09.0519
Yan ZHOU, Shan-suo ZHENG, Li LONG, Yi-xin ZHANG, Jin-chuan HE, Li-guo DONG. STUDY ON SEISMIC PERFORMANCE OF MULTI-AGE RC FRAME STRUCTURES UNDER CHLORIDE ION ATTACK[J]. Engineering Mechanics, 2020, 37(7): 214-222. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2019.09.0519
Citation: Yan ZHOU, Shan-suo ZHENG, Li LONG, Yi-xin ZHANG, Jin-chuan HE, Li-guo DONG. STUDY ON SEISMIC PERFORMANCE OF MULTI-AGE RC FRAME STRUCTURES UNDER CHLORIDE ION ATTACK[J]. Engineering Mechanics, 2020, 37(7): 214-222. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2019.09.0519

氯离子侵蚀下RC框架结构时变抗震性能研究

doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2019.09.0519
基金项目: 国家重点研发计划课题项目(2019YFC1509302);国家自然科学基金计划项目(51678475);西安市科技计划项目(2019113813CXSF016SF026);陕西省教育厅产业化项目(18JC020)
详细信息
    作者简介:

    周 炎(1993−),男,湖北随州人,博士生,从事结构工程与工程结构抗震研究(E-mail: zhouyan@live.xauat.edu.cn)

    龙 立(1992−),男,重庆酉阳人,博士生,从事结构工程与工程结构抗震研究(E-mail: 1152684330@qq.com)

    张艺欣(1991−),女,河南洛阳人,博士生,从事结构工程与工程结构抗震研究(E-mail: zyx19910619@126.com)

    贺金川(1962−),女,陕西西安人,高工,学士,从事建筑结构抗震设计研究(E-mail: 1138088650@qq.com)

    董立国(1990−),男,山西晋中人,博士生,从事结构工程与工程结构抗震研究(E-mail: dlg_15@163.com)

    通讯作者: 郑山锁(1960−),男,陕西渭南人,教授,博士,博导,从事结构工程与工程结构抗震研究(E-mail: zhengshansuo@263.net)
  • 中图分类号: TU375

STUDY ON SEISMIC PERFORMANCE OF MULTI-AGE RC FRAME STRUCTURES UNDER CHLORIDE ION ATTACK

  • 摘要: 氯离子侵蚀作用引发的结构耐久性损伤将导致RC结构抗震性能发生时变劣化。在材料层次,该文通过考虑钢筋截面削弱、保护层混凝土开裂软化、核心区混凝土极限压应变降低等模拟氯离子侵蚀对RC框架结构材料性能的影响,并基于试验数据验证了模拟方法的准确性;在结构层次,基于上述材料力学性能退化模型和纤维模型,对3层、6层与8层多不同服役期(0年、30年、50年和70年)RC框架结构进行数值建模,继而进行了静力与动力弹塑性分析,研究了其随服役期增长承载与变形能力退化规律和层间位移角分布变化规律。研究结果表明:结构腐蚀后,随着服役期的增加,结构承载力、特征点位移、位移延性、软化段刚度等抗震性能指标均逐渐减小,结构的屈服PGA和倒塌PGA亦不断降低,结构最大层间位移角不断增大,且结构在罕遇地震作用下层间位移反应受服役期影响较设防地震作用更为明显。
  • 图  1  滞回曲线模拟结果验证

    Figure  1.  Verification of the computational model

    图  2  3层、6层与8层RC框架结构平面布置

    Figure  2.  Layout of three, six and eight story RC frame

    图  3  3层、6层与8层RC框架结构受力简图

    Figure  3.  Force diagram of three, six and eight story RC frame

    图  4  纵筋(20)和箍筋(8)锈蚀率与服役期的关系

    Figure  4.  Relationship between corrosion rate of B20 longitudinal reinforcement and A8 stirrups and the service age

    图  5  RC平面框架结构数值模型

    Figure  5.  Numerical model of typical RC plane frame

    图  6  不同服役期RC框架结构Pushover曲线

    Figure  6.  Pushover curve of multi-age RC frame

    图  7  结构屈服和倒塌PGA的计算简图

    Figure  7.  Computational sketch of structural yield PGA and collapse PGA

    图  8  3层RC框架屈服和倒塌PGA随服役期变化曲线

    Figure  8.  Relationship curve between the PGA of the yield and collapse point and the service age of the three-story RC frame

    图  9  三条地震波反应谱与规范设计反应谱

    Figure  9.  Three seismic wave response spectra and design response spectra

    图  10  最大层间位移角随楼层分布曲线

    Figure  10.  Distribution curve of the interstory drift ratio of multi-age RC frame Different

    表  1  模拟误差计算结果

    Table  1.   Result of the error in computational model

    构件承载力误差Ef/(%)累计耗能误差Ee/(%)
    文献[19] 14.81 19.01
    文献[20] 6.67 16.73
    文献[21] 8.32 11.26
    平均值 9.93 15.67
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    表  2  RC框架梁、柱尺寸及其配筋

    Table  2.   Cross-sectional design of the RC frame columns and beams

    框架
    名称
    层号梁尺寸/
    (mm×mm)
    梁配筋面积/
    mm2
    柱尺寸/
    (mm×mm)
    柱配筋面积/
    mm2
    边柱中柱
    3层1300×50017851155400×4001287929
    214301155
    312171155
    6层1300×50020261031500×500983983
    220261031
    318951031
    416771031
    513991031
    611571031
    8层1300×50021611031550×55010351035
    224911031
    323811031
    423001031
    519791031823823
    617561031
    714071031
    811551031
    注:3层、6层框架梁、柱箍筋为8@100/200;8层框架梁、柱箍筋为8@80/150;箍筋均为四肢箍。
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    表  3  氯离子扩散模型参数取值

    Table  3.   Value of chloride ion diffusion model parameter

    参数均值标准差
    ke0.924 mm2/a0.155×10−12 m2/s
    kc1.0 mm2/a
    kt0.832 mm2/a0.024×10−12 m2/s
    D0473 mm2/a43.2×10−12 m2/s
    n0.362 mm2/a0.245×10−12 m2/s
    Ccr0.90 %0.150 %
    Acs7.758 %1.360 %
    εcs01.105 %
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    表  4  3层、6层及8层RC框架Pushover曲线特征点位移、荷载及其退化率

    Table  4.   Feature point displacement and load of Pushover curve and its degradation rate of three, six and eight story RC frame

    层数服役期/a屈服点峰值荷载点破坏点位移延性
    位移/m退化率/
    (%)
    荷载/kN退化率/
    (%)
    位移/m退化率/
    (%)
    荷载/kN退化率/
    (%)
    位移/m退化率/
    (%)
    荷载/kN退化率/
    (%)
    系数退化率/
    (%)
    3层 0 0.0402 0.00 469.8 0.00 0.0995 0.00 550.1 0.00 0.229 0.00 467.6 0.00 5.70 0.00
    30 0.0396 1.49 459.8 2.13 0.0977 1.81 526.7 4.25 0.225 1.75 447.7 5.03 5.68 0.35
    50 0.0395 1.74 440.5 6.24 0.0962 3.32 505.2 8.16 0.213 6.99 429.4 8.40 5.39 5.44
    70 0.0391 2.74 426.6 9.20 0.0934 6.13 489.9 10.94 0.198 13.54 416.4 10.95 5.06 11.23
    6层 0 0.0713 0.00 537.3 0.00 0.1670 0.00 619.7 0.00 0.395 0.00 526.7 0.00 5.54 0.00
    30 0.0695 2.52 502.6 6.46 0.1600 4.19 578.3 6.68 0.369 6.58 491.6 6.68 5.31 4.15
    50 0.0691 3.09 485.0 9.73 0.1575 5.69 556.5 10.20 0.338 14.43 473.0 10.21 4.89 11.73
    70 0.0687 3.65 470.0 12.53 0.1525 8.68 541.6 12.60 0.294 25.57 460.4 12.62 4.28 22.74
    8层 0 0.0945 0.00 536.4 0.00 0.2590 0.00 609.1 0.00 0.496 0.00 517.7 0.00 5.25 0.00
    30 0.0916 3.07 504.0 6.04 0.2470 4.63 573.4 5.86 0.476 4.03 487.4 5.85 5.20 0.95
    50 0.0900 4.76 485.3 9.53 0.2400 7.34 550.9 9.56 0.452 8.87 468.3 9.54 5.02 4.38
    70 0.0899 4.87 474.9 11.47 0.2360 8.88 538.3 11.62 0.400 19.35 457.6 11.61 4.45 15.24
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    表  5  不同服役期RC框架屈服和倒塌PGA

    Table  5.   Yield PGA and collapse PGA of multi-age RC frame

    结构服役期/a8度设防 PGA/g屈服PGA/g8度罕遇 PGA/g倒塌 PGA/g
    3层00.20.2110.40.421
    300.2080.416
    500.2030.405
    700.1970.389
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出版历程
  • 收稿日期:  2019-09-02
  • 修回日期:  2019-10-27
  • 网络出版日期:  2020-07-03
  • 刊出日期:  2020-07-03

氯离子侵蚀下RC框架结构时变抗震性能研究

doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2019.09.0519
    基金项目:  国家重点研发计划课题项目(2019YFC1509302);国家自然科学基金计划项目(51678475);西安市科技计划项目(2019113813CXSF016SF026);陕西省教育厅产业化项目(18JC020)
    作者简介:

    周 炎(1993−),男,湖北随州人,博士生,从事结构工程与工程结构抗震研究(E-mail: zhouyan@live.xauat.edu.cn)

    龙 立(1992−),男,重庆酉阳人,博士生,从事结构工程与工程结构抗震研究(E-mail: 1152684330@qq.com)

    张艺欣(1991−),女,河南洛阳人,博士生,从事结构工程与工程结构抗震研究(E-mail: zyx19910619@126.com)

    贺金川(1962−),女,陕西西安人,高工,学士,从事建筑结构抗震设计研究(E-mail: 1138088650@qq.com)

    董立国(1990−),男,山西晋中人,博士生,从事结构工程与工程结构抗震研究(E-mail: dlg_15@163.com)

    通讯作者: 郑山锁(1960−),男,陕西渭南人,教授,博士,博导,从事结构工程与工程结构抗震研究(E-mail: zhengshansuo@263.net)
  • 中图分类号: TU375

摘要: 氯离子侵蚀作用引发的结构耐久性损伤将导致RC结构抗震性能发生时变劣化。在材料层次,该文通过考虑钢筋截面削弱、保护层混凝土开裂软化、核心区混凝土极限压应变降低等模拟氯离子侵蚀对RC框架结构材料性能的影响,并基于试验数据验证了模拟方法的准确性;在结构层次,基于上述材料力学性能退化模型和纤维模型,对3层、6层与8层多不同服役期(0年、30年、50年和70年)RC框架结构进行数值建模,继而进行了静力与动力弹塑性分析,研究了其随服役期增长承载与变形能力退化规律和层间位移角分布变化规律。研究结果表明:结构腐蚀后,随着服役期的增加,结构承载力、特征点位移、位移延性、软化段刚度等抗震性能指标均逐渐减小,结构的屈服PGA和倒塌PGA亦不断降低,结构最大层间位移角不断增大,且结构在罕遇地震作用下层间位移反应受服役期影响较设防地震作用更为明显。

English Abstract

周炎, 郑山锁, 龙立, 张艺欣, 贺金川, 董立国. 氯离子侵蚀下RC框架结构时变抗震性能研究[J]. 工程力学, 2020, 37(7): 214-222. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2019.09.0519
引用本文: 周炎, 郑山锁, 龙立, 张艺欣, 贺金川, 董立国. 氯离子侵蚀下RC框架结构时变抗震性能研究[J]. 工程力学, 2020, 37(7): 214-222. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2019.09.0519
Yan ZHOU, Shan-suo ZHENG, Li LONG, Yi-xin ZHANG, Jin-chuan HE, Li-guo DONG. STUDY ON SEISMIC PERFORMANCE OF MULTI-AGE RC FRAME STRUCTURES UNDER CHLORIDE ION ATTACK[J]. Engineering Mechanics, 2020, 37(7): 214-222. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2019.09.0519
Citation: Yan ZHOU, Shan-suo ZHENG, Li LONG, Yi-xin ZHANG, Jin-chuan HE, Li-guo DONG. STUDY ON SEISMIC PERFORMANCE OF MULTI-AGE RC FRAME STRUCTURES UNDER CHLORIDE ION ATTACK[J]. Engineering Mechanics, 2020, 37(7): 214-222. doi: 10.6052/j.issn.1000-4750.2019.09.0519
  • 我国较多沿海城市处于高抗震设防烈度区域,常年面临地震灾害的威胁。同时,近海RC框架结构由于长期受氯离子侵蚀影响,混凝土中钢筋锈蚀严重,引发钢筋截面削弱与力学性能劣化、混凝土保护层开裂与脱落、钢筋与混凝土之间粘结性能退化等,且随着服役期的增长上述退化程度日益加重,导致在役RC框架结构抗震性能呈时变退化特性,加剧了近海RC框架结构的地震灾害风险。

    近年来,国内外学者在RC框架结构抗震性能方面研究成果诸多,但在氯离子侵蚀下混凝土耐久性和结构抗震性能交叉领域的研究相对较少,如金伟良、郑山锁、贡金鑫、蔡立伦等[1-4]通过人工加速腐蚀试验方法模拟氯离子侵蚀环境,对锈蚀RC框架柱、梁及节点的力学与抗震性能进行了试验研究与数值分析,揭示了其随锈蚀程度的劣化规律。Coronelli等[5]考虑氯离子侵蚀对纵筋非弹性屈曲和低周疲劳退化的影响,建立了锈蚀矩形钢筋混凝土柱时变抗震能力评估的非线性有限元分析方法。Zandi Hanjari等[6]通过对点蚀和均匀锈蚀的RC梁分别进行建模分析,提出了钢筋均匀锈蚀和点蚀引起的破坏模式和剩余承载能力变化的预测模型。Yalciner等[7]考虑钢筋横截面积损失、混凝土强度降低和粘结滑移的影响对单自由度RC框架进行IDA分析,预测了RC框架结构抗震性能水平随锈蚀程度的变化规律,但其评估结果的准确性受到材料力学性能时变退化模型可靠性的制约。Shimomura等[8]在对锈蚀RC连续梁进行数值与对比分析后建议,应对锈蚀整体结构而不仅是其中的某些构件进行建模分析,以便充分了解结构的整体性能。

    由上述相关研究成果可知,目前针对氯离子侵蚀下不同服役期RC结构抗震性能的研究大多集中于构件层次抗震性能的衰减规律,对于RC整体结构结构抗震性能的研究相对较少,难以揭示结构抗震能力随服役期的劣化规律,从而影响了氯离子侵蚀环境下在役钢筋混凝土结构抗震性能评估的准确性。鉴于此,本文提出氯离子侵蚀环境下不同服役期RC整体结构的抗震性能研究,考虑服役期对材料力学性能的影响,分别对不同服役期、不同层数的RC框架结构进行了静力与动力弹塑性分析,并分析了其承载与变形能力和屈服、倒塌PGA随服役期退化规律和层间位移角变化规律,所得结果为既有RC框架结构全寿命周期内的抗震性能评价与分析提供理论支撑。

    • 氯离子侵蚀下钢筋锈蚀可分为去钝化阶段、发展阶段和锈胀开裂阶段,即:1) 氯离子不断渗透扩散到钢筋表面,其浓度累积达到钢筋脱钝阈值后,钢筋开始发生锈蚀;2) 在腐蚀电池作用和氯离子的去极化、导电作用下,钢筋锈蚀速度加快;3) 锈蚀产物累积,产生的锈胀力大于混凝土抗拉强度,保护层开裂。因此,为确定钢筋在某一服役期下的锈蚀程度,需先确定钢筋起锈时间,然后建立钢筋锈蚀后锈蚀程度与时间的关系模型。

    • 氯离子在混凝土中传输机理复杂,扩散被认为其主要传输方式[9],通过Fick第二定律可以将氯离子的扩散浓度、扩散系数与扩散时间联系起来,且与实测结果吻合较好。不同深度处氯离子时变浓度按下式计算[10]

      $$C(x,t) = {C_{\rm{s}}}\left[ {1 - {\rm{erf}}\left( {\frac{x}{{2\sqrt {Dt} }}} \right)} \right]$$ (1)

      式中:Cs为混凝土表面氯离子浓度;erf(·)为误差函数;t为结构服役期;x为距混凝土表面的深度;D为扩散系数,其是时间的函数,Dura Crete[11]考虑测量参数的不确定性和环境条件的不同,提出扩散系数的经时模型如式(2)所示:

      $$D = D(t) = {k_{\rm{e}}}{k_{\rm{t}}}{k_{\rm{c}}}{D_0}{\left( {\frac{{{t_0}}}{t}} \right)^n}$$ (2)

      式中:D0为经验扩散系数;t0为暴露时间;ke为环境修正参数;kt为考虑D0测量方法差异的修正参数;kc为考虑养护条件差异的修正参数;n为服役期因子。

      当氯离子扩散Tcorr时间后,氯离子侵蚀深度达到混凝土保护层厚度dc,且浓度达到钢筋脱钝临界氯离子浓度Ccr时,钢筋开始发生锈蚀,即:

      $$C({d_{\rm{c}}},{T_{{\rm{corr}}}}) = {C_{{\rm{cr}}}}$$ (3)