锈蚀对钢筋混凝土框架结构抗震性能的影响研究

论文摘要

钢筋混凝土是当今世界上应用最广泛的建筑材料,大量用于建筑、桥梁、隧道、海洋工程等。在建筑或者桥梁服役过程中,环境侵蚀作用会导致钢筋混凝土材料性能的劣化,进而也必然导致结构安全性和适用性的降低。在众多环境侵蚀作用中,因钢筋锈蚀而导致的经济损失占主要部分,所以说钢筋锈蚀的监测显得尤为重要。另外,对于如何合理的评估钢筋锈蚀程度对钢筋混凝土结构动态性能的影响,已经进行了较多的数值模拟研究和构件试验研究,但是还比较缺乏结构层次的试验研究。因此本文采用试验分析与数值模拟相结合的方法进行了如下研究:首先,进行了加速锈蚀试验和钢筋锈蚀的电化学监测。制作了四组框架和两根柱子,采用恒电流通电法对柱子和三个框架进行加速腐蚀,根据法拉第定律,控制电流密度与腐蚀时间,得到两种锈蚀率的框架和对应相同的两种钢筋锈蚀率的柱子。然后对腐蚀之后的柱子进行了电化学监测,通过半电位法、Gecor6仪器测试和恒电位阶跃法进行了试验,试验结果表明上述三种监测方法都是可行的,五电极法更加稳定可靠。在实际工程应用中可以结合几种方法进行钢筋锈蚀的电化学监测。其次,进行了锈蚀后构件的力学性能试验、单层框架的模态分析试验和框架的动力弹塑性数值分析。通过对锈蚀后的柱子进行了钢筋拔出试验,得到了锈蚀钢筋与混凝土的粘结关系,试验结果表明光圆钢筋在10%的锈蚀率下,与混凝土的粘结力由于钢筋锈蚀膨胀而增大,30%的锈蚀率下由于胀裂而导致粘结力下降。对锈蚀后的钢筋进行了拉拔试验,结果表明不同锈蚀率对钢筋的屈服强度变化不大,而对极限强度影响较大,从而确定了钢筋锈蚀前后的应力应变关系,并将此结果应用于ABAQUS中建立的框架模型,并对其进行了地震响应时程分析。最后,对某四层真实结构新建与碳化作用50年后的抗震性能进行了仿真对比分析。分析了碳化的作用对钢筋混凝土材料力学性能的影响,包括混凝土强度、钢筋截面、屈服强度、伸长率等,并将此分析结果应用于四层真实结构模型的动态弹塑性分析中。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题来源及研究的目的和意义
• 1.1.1 课题来源
• 1.1.2 研究的目的和意义
• 1.2 国内外研究现状
• 1.2.1 锈蚀结构的有限元数值模拟的国内外研究现状
• 1.2.2 钢筋锈蚀及检测、加固及抗震性能国内外研究状况
• 1.2.3 混凝土碳化对结构性能影响研究现状
• 1.3 课题的研究内容
• 第2章 钢筋混凝土框架柱的锈蚀检测对比研究
• 2.1 引言
• 2.2 试验设计
• 2.2.1 腐蚀设备
• 2.2.2 试验步骤
• 2.3 半电位法的钢筋锈蚀检测
• 2.3.1 试验原理
• 2.3.2 试验方法
• 2.3.3 试验结果分析
• 2.4 钢筋锈蚀仪Gecor6 检测钢筋锈蚀
• 2.4.1 工作原理
• 2.4.2 Gecor6 测试方法
• 2.4.3 试验结果分析
• 2.5 恒电位阶跃法的钢筋锈蚀检测
• 2.5.1 恒电位阶跃原理
• 2.5.2 测试方法
• 2.5.3 试验结果分析
• 2.6 钢筋实际锈蚀率的测定与电化学检测结果对比
• 2.7 本章小结
• 第3章 单层锈蚀框架结构的模态分析与数值模拟
• 3.1 引言
• 3.2 框架的设计和制作
• 3.2.1 框架设计
• 3.2.2 框架制作
• 3.2.3 轴压比的计算
• 3.2.4 对框架进行加速通电锈蚀
• 3.3 钢筋和混凝土粘结力测定试验
• 3.3.1 粘结滑移模型
• 3.3.2 钢筋拔出试验
• 3.3.3 试验结果分析
• 3.4 钢筋拉伸试验
• 3.4.1 试验方法
• 3.4.2 试验结果分析
• 3.5 模态测试试验
• 3.5.1 试验方法
• 3.5.2 试验结果分析
• 3.6 单层框架结构地震作用仿真分析
• 3.6.1 模型几何参数
• 3.6.2 模型中各种材料的本构与力学性能参数
• 3.6.3 结构有限元模型的建立
• 3.6.4 模态分析
• 3.6.5 结构地震响应时程分析
• 3.7 本章小结
• 第4章 碳化作用对四层钢筋混凝土结构抗震性能影响分析
• 4.1 引言
• 4.2 碳化引起钢筋锈蚀的机理
• 4.3 碳化引起钢筋锈蚀对钢筋与混凝土性能的影响
• 4.3.1 钢筋截面面积的减小
• 4.3.2 钢筋力学特性的变化
• 4.3.3 混凝土保护层退化
• 4.4 结构动力响应分析
• 4.4.1 结构模型参数
• 4.4.2 模型力学性能参数
• 4.4.3 框架结构模拟
• 4.5 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 致谢