在役钢筋混凝土结构的性能退化与抗震性能评估

论文摘要

混凝土中的钢筋锈蚀问题日益突出,锈蚀使钢筋混凝土结构的性能逐渐退化,考虑锈蚀损伤对在役结构的抗震性能进行评估对于减轻地震灾害具有重大的实际意义。为此,论文采用试验研究、有限元模拟与理论分析相结合的方法,对钢筋锈蚀引起的结构性能退化与在役损伤结构的抗震性能评估进行了系统的研究。 从钢筋锈蚀对混凝土保护层约束力与钢筋表面状况的影响入手,通过理论分析,提出了钢筋锈胀力和保护层最大剩余约束力的确定方法;基于现有的试验研究,给出了锈蚀钢筋表面摩擦系数以及胶着与咬合综合作用力的取值;对锈蚀钢筋与混凝土的粘结作用机理进行了力学分析,建立了能够综合考虑钢筋锈蚀程度、保护层厚度、钢筋直径、混凝土强度、铁锈体积膨胀率的极限粘结强度模型,模型分析结果与试验吻合较好。 对锈蚀无粘结钢筋混凝土受弯构件进行了模拟试验与有限元分析,系统分析了严重锈蚀混凝土构件中钢筋应力水平的主要影响因素;结果表明,截面配筋指标可综合反映混凝土强度和截面配筋率对受拉钢筋应力水平的影响;并建立了基于截面配筋指标的受拉钢筋强度利用系数计算公式。在此基础上,对一般锈蚀钢筋混凝土梁抗弯承载力的退化机理进行了深入分析,综合考虑钢筋锈蚀程度和截面配筋指标的影响,提出了概念明确、通用性强的抗弯承载力计算方法,并与大量试验结果进行了分析对比,吻合较好。 分析了锈蚀钢筋混凝土梁抗弯刚度的影响因素,明确了锈蚀引起粘结力退化使裂缝间受拉钢筋应变趋于均匀和钢筋应变与混凝土应变不协调是影响锈蚀混凝土梁抗弯刚度计算模型建立的关键因素;抛弃传统的平截面假定,采用刚度解析法对粘结力退化后构件截面刚度进行了理论分析,采用综合应变系数考虑裂缝间钢筋应变趋于均匀和应变不协调的影响,建立了锈蚀钢筋混凝土梁抗弯刚度的计算模型,并通过有限元数值分析,确定了综合应变系数与粘结强度退化系数的关系;模型计算结果与试验结果吻合较好。 考虑到在役结构的后续使用期往往小于其设计使用期,提出应按照与结构原设计等地震风险水平的原则确定在役结构评估用抗震设防标准,并结合现行规范的抗震设防水平,分析给出了不同后续使用期内结构评估用三水准烈度、评估用地震加速度和评估用地震影响系数的取值方法。为便于在役结构的随机地震反应分析,提出了基于现行抗震设计规范的随机地震动模型参数确定方法。

论文目录

• 1 绪论
• 1.1 选题背景及研究意义
• 1.1.1 混凝土耐久性问题的严重性
• 1.1.2 本课题的立足点
• 1.2 锈蚀钢筋混凝土构件性能的研究现状
• 1.2.1 锈蚀构件混凝土的力学性能
• 1.2.2 锈蚀钢筋的力学性能
• 1.2.3 锈蚀钢筋与混凝土的粘结性能
• 1.2.4 锈蚀钢筋混凝土构件的承载力
• 1.2.5 锈蚀钢筋混凝土构件的刚度
• 1.3 在役损伤结构抗震性能评估的研究现状
• 1.3.1 在役结构评估用荷载取值
• 1.3.2 锈损构件的动力特性与抗震性能
• 1.3.3 在役损伤结构抗震能力评估
• 1.3.4 在役损伤结构抗震可靠性分析
• 1.4 论文主要研究工作
• 参考文献
• 2 锈蚀钢筋与混凝土的极限粘结强度分析
• 2.1 引言
• 2.2 锈胀力与钢筋锈蚀量的关系
• 2.2.1 计算模型
• 2.2.2 内径处径向位移与所受内压力的关系
• 2.2.3 钢筋锈蚀深度与半径增量的关系
• 2.2.4 锈胀力随锈蚀量变化关系的影响因素分析
• 2.3 锈蚀光圆钢筋与混凝土的极限粘结强度
• 2.3.1 未锈光圆钢筋与混凝土的极限粘结强度
• 2.3.2 锈蚀光圆钢筋与混凝土的极限粘结强度
• 2.3.3 试验验证
• 2.4 锈蚀变形钢筋与混凝土的极限粘结强度
• 2.4.1 未锈变形钢筋与混凝土的极限粘结强度
• 2.4.2 锈蚀变形钢筋与混凝土的极限粘结强度
• 2.4.3 试验验证
• 2.5 小结
• 参考文献
• 3 锈蚀无粘结钢筋混凝土梁模拟试验与有限元分析
• 3.1 引言
• 3.2 无粘结预应力混凝土构件研究概述
• 3.2.1 影响无粘结预应力筋应力增量的因素
• 3.2.2 无粘结预应力筋极限应力增量的确定方法
• 3.3 无粘结受弯构件试验研究
• 3.3.1 试验概况
• 3.3.2 试验结果及分析
• 3.4 无粘结受弯构件有限元分析
• 3.4.1 材料本构关系
• 3.4.2 ANSYS有限元建模过程
• 3.4.3 有限元分析与试验结果对比
• 3.5 无粘结受弯构件钢筋应力水平确定
• 3.5.1 无粘结受弯构件钢筋应力水平的影响因素分析
• 3.5.2 无粘结受弯构件钢筋应力简化计算公式
• 3.6 小结
• 参考文献
• 附表 构件参数与有限元分析结果
• 附照片 极限荷载下部分构件裂缝分布情况
• 4 锈蚀钢筋混凝土梁抗弯承载力计算方法
• 4.1 引言
• 4.2 现有的锈蚀钢筋混凝土梁承载力计算方法
• 4.3 锈蚀钢筋混凝土梁抗弯承载力分析
• 4.3.1 锈蚀钢筋的强度
• 4.3.2 粘结性能退化对钢筋应力的影响
• 4.3.3 锈蚀钢筋混凝土梁受拉钢筋强度利用系数的确定
• 4.4 锈蚀钢筋混凝土梁抗弯承载力计算方法
• 4.5 试验验证
• 4.6 小结
• 参考文献
• 5 锈蚀钢筋混凝土梁抗弯刚度研究
• 5.1 引言
• 5.2 锈蚀钢筋混凝土梁抗弯刚度试验研究
• 5.2.1 试验概况
• 5.2.2 试验结果及分析
• 5.3 锈蚀钢筋混凝土梁抗弯刚度分析
• 5.3.1 钢筋混凝土梁抗弯刚度分析方法
• 5.3.2 影响锈蚀钢筋混凝土梁刚度的因素
• 5.3.3 粘结力退化后钢筋混凝土梁的刚度分析
• 5.4 综合应变系数的有限元分析
• 5.4.1 本构关系
• 5.4.2 ANSYS有限元建模
• 5.4.3 有限元计算结果与试验结果对比分析
• 5.4.4 综合应变系数的确定
• 5.5 锈蚀钢筋混凝土梁抗弯刚度的计算
• 5.6 试验验证
• 5.7 小结
• 参考文献
• 6 在役结构评估用地震作用与随机地震动模型
• 6.1 引言
• 6.2 在役结构评估用地震作用分析
• 6.3 评估用抗震设防标准
• 6.3.1 新建结构抗震设防标准
• 6.3.2 结构在设计使用期内的地震风险率
• 6.3.3 在役结构评估用抗震设防标准
• 6.4 后续使用期内地震烈度的概率模型
• 6.4.1 设计基准期内地震烈度的概率模型
• 6.4.2 后续使用期内地震烈度的超越概率
• 6.5 在役结构评估用地震作用参数取值
• 6.5.1 评估用三水准烈度
• 6.5.2 评估用基本地震加速度
• 6.5.3 评估用地震影响系数最大值
• 6.5.4 评估用地震影响系数与规范取值的对比分析
• 6.5.5 调整后的评估用地震作用参数
• 6.5.6 考虑服役期间已发生的地震对评估烈度的调整
• 6.6 评估用随机地震动模型及其参数确定
• 6.6.1 Kanai-Tajimi谱及其改进模型
• 6.6.2 非平稳地震动模型参数确定
• 6.6.3 平稳地震动模型参数确定
• 6.7 小结
• 参考文献
• 7 在役锈损结构抗震可靠性的区间分析
• 7.1 引言
• 7.2 区间参数问题的分析方法
• 7.2.1 区间分析的基础知识
• 7.2.2 区间参数问题的分析方法
• 7.2.3 区间参数问题求解的优化方法
• 7.2.4 区间参数问题优化解法的验证
• 7.3 结构锈蚀损伤的区间预测
• 7.3.1 钢筋锈蚀程度的区间预测模型
• 7.3.2 构件锈蚀损伤的区间预测模型
• 7.4 锈损结构抗震可靠性的区间分析
• 7.4.1 确定性结构的抗震可靠性分析
• 7.4.2 锈损结构抗震可靠性的区间分析
• 7.5 工程实例分析
• 7.5.1 工程概况
• 7.5.2 钢筋锈蚀量的区间预测结果
• 7.5.3 栈桥柱承载力与刚度随时间的演化区间
• 7.5.4 栈桥柱时变抗震可靠性区间分析
• 7.6 小结
• 参考文献
• 8 在役锈损结构基于能力谱方法的抗震性能评估
• 8.1 引言
• 8.2 能力谱方法概述
• 8.2.1 推覆分析法
• 8.2.2 能力谱方法
• 8.2.3 能力谱方法的适用条件
• 8.3 在役损伤结构的抗震性能评估
• 8.3.1 损伤构件恢复力骨架曲线
• 8.3.2 在役损伤结构抗震性能评估方法
• 8.4 算例分析
• 8.4.1 建立能力谱曲线
• 8.4.2 建立需求谱曲线
• 8.4.3 在役结构抗震性能评估
• 8.5 小结
• 参考文献
• 9 结论与建议
• 9.1 结论
• 9.2 建议
• 致谢
• 附录
• 附录一 攻读博士学位期间发表的论文
• 附录二 攻读博士学位期间参与的主要科研项目