銹蝕環境下損傷混凝土結構抗震數值模擬

冷玲倻，梁文文，黃志勇

(1.江西科技學院城市建設學院，江西 南昌 330098；2.廣西大學土木建筑工程學院，廣西 南寧 530004)

1 引言

建筑建設都需要滿足安全性的要求，按照結構設計規范建設，但有些建筑在構建過程中沒有對結構的耐久性進行考慮，在自然環境作用下以及使用年限的增長，鋼筋混凝土會出現混凝土碳化和鋼筋銹蝕等現象，降低了建筑結構的整體性能[1]。導致銹蝕損傷的混凝土結構在地震作用下容易出現破壞現象。建筑結構中的承載構件主要包括梁和鋼筋混凝土，在一定程度上主要承載構件的抗震能力直接決定著整體建筑的抗震定能[2]，因此對銹蝕損傷混凝土結構的抗震性能進行分析具有重要意義。

劉小娟[3]等人采用ABAQUS軟件建立混凝土有限元模型，根據有限元模型對構件進行彈塑性和靜力推覆分析，獲得構件在地震作用下的損傷情況。邵田東[4]等人采用PERFROM-3D軟件在纖維模型理論的基礎上建立混凝土有限元模型對混凝土結構的阻尼進行計算，根據計算結果構建彈性動力時程分析方程，完成抗震數值模擬。苑溦[5]等人對混凝土的銹蝕損傷進行考慮，在Opensees軟件的基礎上建立有限元纖維模型，對銹蝕損傷混凝土進行延性分析，獲取混凝土的性能劣化機制和腐蝕損傷機制，完成抗震性能模擬。在上述方法的基礎上，提出銹蝕損傷混凝土結構抗震性能數值模擬方法。

2 銹蝕損傷混凝土本構分析

2.1 受壓屈曲性能分析

混凝土結構在地震作用下保護層會出現脫落問題，導致在箍筋間距范圍內縱向受力受壓屈曲，在短時間內建筑邊緣的混凝土增大的現象即為受壓屈曲效應[6，7]。

設x代表的是鋼筋的平均銹蝕深度，其計算公式如下

(1)

式中，Qcor代表的是鋼筋對應的平均截面損失率。

設s代表的是箍筋間距，用μp表示無量綱受壓屈曲參數，其計算公式為

(2)

式中，fyc，cor代表的是鋼筋出現銹蝕損傷時的受壓屈服應力，可通過下式計算得到

fyc，cor=fyc-βfycQcor

(3)

式中，fyc描述的是鋼筋沒有出現銹蝕損傷時對應的屈服強度；參數β受鋼筋細長比的影響，為經驗系數，其表達式如下

(4)

鋼筋受壓屈曲本構關系可通過無量綱應力-應變坐標系得以描述，用η=σ/fyc，cor表示鋼筋的無量綱應力，用ξ=ε/εyc，cor表示鋼筋的無量綱應變，其中，ε為鋼筋應變，εyc，cor為鋼筋出現銹蝕損傷時的應變。在受壓屈曲效應下，通過下式表示鋼筋的本構關系

(5)

2.2 混凝土保護層本構分析

鋼筋銹蝕的過程在物理層面上可以表示為材料體積膨脹的過程，此時損傷在鋼筋上不斷積累，混凝土保護層在體積膨脹的過程中會出現剝落或開裂的現象[8，9]。通過下式計算混凝土保護層出現銹蝕損傷后的受壓強度fcc，cor

fcc，cor=fcc/(1+ε1K/εco)

(6)

式中，fcc描述的是混凝土未出現鐵銹損傷時對應的受壓強度；εco代表的是混凝土沒出現損傷時的應變；系數K與鋼筋直徑和粗糙度相關；ε1代表的是混凝土開裂后對應的平均拉伸應變，其表達式如下

ε1=bf/bo-1

(7)

式中，bf代表的是構件在損傷開裂狀態下的截面寬度；bo代表的是構件在未損傷狀態下對應的初始截面寬度。通過下式描述截面在銹蝕損傷前后的變化情況

wcrnbars=bf-bo

(8)

式中，nbars代表的是鋼筋在受壓區內存在的數量；wcr=2πvrsx-2πx描述的是裂縫總寬度，其中vrs代表的是銹蝕損傷狀態下鋼筋對應的膨脹系數。

2.3 黏結滑移分析

針對混凝土與銹蝕鋼筋之間存在的黏結滑移效應，銹蝕損失混凝土結構抗震性數值模擬方法采用黏結滑移模型進行分析[10，11]。混凝土和鋼筋之間存在的黏結滑移性能受保護層混凝土和箍筋約束效應的影響。在CEB-FIP規范中黏結滑移存在“未約束”和“完全約束”兩個極端狀態。縱向受力的鋼筋在實際工程結構中通常介于兩個極限狀態之間，屬于“部分約束”狀態。縱向受力鋼筋在銹蝕鋼筋混凝土結構中的約束狀態通常受鋼筋銹蝕率的影響，用τb表示部分約束狀態的差值，可通過下式計算得到

τb=τb，unconf-kcorτb，unconf+kcorτb，conf

(9)

式中，參數kcor通常由實際情況決定；參數τb，unconf、τb，conf可通過CEB-FIP規則計算得到。

根據滑移軸方向混凝土-鋼筋黏結滑移本構關系的位移量Δs=8.1x獲得最終的本構關系。

3 有限元模型

銹蝕損傷混凝土結構抗震性能數值模擬方法采用ANSYS軟件[12，13]構建有限元模型，有限元模型的加載方式如圖1所示。

圖1 加載制度曲線

1)鋼筋單元

對混凝土在地震作用下的受力特點進行分析，采用三維桿單元Link8軟件根據受力分析結果在有限元模型中構建鋼筋單元，有限元模型中的單元都對應兩個節點，每個節點在x、y、z方向中都存在三個不同的位移自由度，在數值模擬過程中單向壓縮和單向拉伸主要由節點單元承受。

2)混凝土單元

八節點實體單元Solid65Z在ANSYS軟件中可以構建分離式和整體式有限元模型，對混凝土在數值模擬過程中的壓碎和開裂進行模擬。在數值模擬過程中不對混凝土的壓碎進行考慮，采用位移-荷載曲線對混凝土在數值模擬過程中的軟化進行分析，并通過彌散裂縫模型[14，15]對混凝土的開裂情況進行分析。

3)加載方式

采用單側靜力推覆分析[16]根據加載制度獲得有限元模型的位移-荷載曲線，并通過R.PARK法對混凝土構件的屈服位移進行計算，采用位移控制加載方式對柱子的滯回曲線進行模擬，將屈服位移設置為有限元模型的初始位移。

4 抗震性能數值模擬

為了分析銹蝕環境下損傷混凝土結構抗震性能，在圖2所示的實驗平臺進行抗震測試。

應用于購物中心、連鎖品牌店、通信營業廳、超市等線下零售場景。幫助企業統計消費者人數、把握消費者屬性、了解消費行為，為企業經營管理者決策提供大數據支持。

圖2 實驗測試平臺

運用該平臺對受銹蝕的混凝土結構施加壓力，模擬地震作用力，將模擬結果輸入至采用ANSYS軟件中進行處理，分析混凝土結構抗震性能。

4.1 參數設置

經調查發現，受力鋼筋周圍存在的混凝土當鋼筋界面損失率為20%時已經開始脫落，因此，銹蝕損傷混凝土結構抗震性能數值模擬方法進行數值模擬時，將鋼筋截面損失率設置為20%以內，具體參數如表1所示。

表1 銹蝕鋼筋混凝土參數

銹蝕鋼筋在數值模擬分析過程中的力學性能如表2所示。

表2 縱筋在不同銹蝕率條件下的參數

4.2 性能分析

1)銹蝕率與混凝土結構抗震性能的關系

獲得不同鋼筋銹蝕率條件下有限元模型的滯回曲線，如圖3-圖5所示。

圖3 未銹蝕和5%銹蝕率的滯回曲線

圖4 7%銹蝕率和10%銹蝕率的滯回曲線

圖5 15%銹蝕率和20%銹蝕率的滯回曲線

分析圖3、圖4和圖5可知，未發生銹蝕損傷的柱子與發生銹蝕損傷的柱子相比，其曲線呈弓形，較為飽滿，表明該混凝土鋼筋的抗震性能較高，曲線逐漸變為反s型，表明柱子在混凝土結構中的抗震性能變弱。

2)柱子承載力與銹蝕率之間的關系

結合圖3、圖4和圖5獲得每圈滯回環峰值在不同銹蝕率下的荷載下降規律，如表3和表4所示。

表3 正向荷載變化

表4 負向荷載變化

分析表3和表4中的數據可知，柱子承載力與銹蝕率之間成反比關系，與后幾圈的峰值承載力相比，第一圈的峰值承載力較小，造成這種現象的主要原因是柱子在加載初期產生的損傷較小，降低了其承載力。

3)銹蝕率與承載力之間的關系

混凝土試件的各項力學性能在受力過程中的變化情況均可通過骨架曲線得以反映，通過骨架曲線可以衡量混凝土結構或構件的抗震性能，不同銹蝕率下混凝土滯回曲線峰值點構成的骨架線如圖6所示。

圖6 柱子骨架曲線

對圖6進行分析可知：

銹蝕率與承載力之間成反比關系，隨著銹蝕率的增加承載力逐漸減小，表明銹蝕率對承載力會產生較大的影響，承載力的下降幅度與銹蝕率之間成正比關系，承載力的下降幅度隨著銹蝕率的增加不斷增加。從線性段開始，柱子損傷程度逐漸增加，進入非線性強化段，表明構件隨著損傷程度的增大逐漸達到峰值荷載，構件的延性隨著骨架曲線斜率的降低而減小，表明此時構件的變形能力變弱。

4)剛度退化分析

混凝土裂縫在反復荷載作用下不斷加大，構件剛度在荷載作用下出現退化，在加載過程中針對構件的剛度退化特性，銹蝕損傷混凝土結構抗震性能數值模擬方法通過割線剛度進行表示，用Ki表示第i級加載時構件的割線剛度，可通過下式計算得到

(10)

根據上述公式獲得柱子在不同銹蝕率下的剛度退化結果，如圖7所示。

圖7 剛度退化結果

分析圖7可知，在試件加載初期銹蝕柱子的剛度在短時間內衰減，試件剛度在加載中期和后期的衰減速度變慢，出現銹蝕損傷柱子對應的剛度與未出現銹蝕損傷的柱子相比，其剛度在短時間內不斷下降，剛度在達到極限荷載以后的衰減變為平緩。出現銹蝕的柱子剛度與未出現銹蝕的柱子剛度相比，衰減速度隨著銹蝕程度的增加不斷加快，表明當柱子剛度的退化在不同銹蝕率下呈現非線性。

5 結束語

在長期使用過程中鋼筋混凝土會出現材料劣化的現象包括混凝土碳化和鋼筋銹蝕等，當材料出現劣化現象時其結構性能變差。在土木工程領域中鋼筋混凝土的結構耐久性是專家和學者研究的熱點，在鋼筋混凝土結構中，鋼筋銹蝕是主要原因，容易導致結構耐久性失效，鋼筋銹蝕是土木工程中常見的問題，鋼筋銹蝕容易降低混凝土結構的整體性能，在地震作用下導致混凝土整體結構被破壞，因此對銹蝕損傷混凝土結構的抗震性能進行分析，可以提高整體結構的抗震性和穩定性，具有重要意義。