冻融大气环境下钢筋混凝土结构抗震性能试验研究

第1章 绪论 1.1 引言 冻融作为混凝土破坏的三大因素之一，在混凝土耐久性研究领域具有举足轻重的地位，自20世纪40年代就备受各国学者关注。1991年，Mehta教授在召开的第二届混凝土耐久性国际学术会议上做了题为“混凝土耐久性——50年进展”的主题报告，并指出：“当今世界，混凝土结构的破坏原因按重要性排列为：混凝土中的钢筋锈蚀、寒冷气候下的冻害、侵蚀环境下的物理化学作用”。 钢筋混凝土（reinforced concrete，RC）结构发生冻融破坏的必要条件有两个：①有水渗入使其处于高饱和状态；②温度正负交替。因此，混凝土的冻融破坏一般发生于寒冷地区的RC结构，特别是那些处于干湿交替环境中的RC结构。我国地域辽阔，其中东北、华北和西北大部分地区属于严寒或寒冷地区，这些地区的RC结构难免遭受冻融循环作用。除三北地区外，在冬季气温较低的华中和华东部分地区亦存在冻融劣化现象。中华人民共和国成立以来，我国兴建了大量的RC结构工程，随着服役时间的增加，这些处于严寒地区的水工、港工、道路、桥涵以及工业与民用建筑中的RC结构或构筑物均发生了不同程度的冻融剥蚀破坏，如图1.1所示。调查显示，在我国东北地区，约有50%的住宅（20世纪70年代建造）出现了不同程度的冻融破坏，该地区兴建的水工混凝土结构，几乎全部出现局部或大面积的冻融破坏，一些冻融破坏严重路段延续数千米，路面主板、边板、拦水梗均产生剥蚀，出现较多裂缝。位于吉林省集安市的云峰水电站，大坝建成运行不到10年，溢流坝表面混凝土的冻融破坏面积达10000m2，混凝土的平均冻融深度超过100mm；黑龙江省和内蒙古自治区东部的热电厂中16座冷却塔，长期与冷却水接触的构件表面混凝土保护层严重剥落，钢筋外露。 综上所述，RC结构的冻融破坏问题已成为寒冷地区建（构）筑物老化病害的主要问题，严重影响了工程结构的正常使用和安全运行。另外，由于我国位于世界两大地震带——环太平洋地震带与欧亚地震带之间，地震频发，位于我国寒冷地区的大多数结构亦面临着严峻的地震灾害威胁。因此，开展RC结构冻融损伤后抗震性能研究，将对我国寒冷地区RC结构的可靠性评估与震害预测提供理论基础。 图1.1 RC结构冻融损伤实例 1.2 RC结构冻融损伤国内外研究现状 1.2.1 冻融损伤机理研究现状 目前，混凝土材料冻融破坏机理揭示主要有冰晶形成理论［1］、Litvan冻融破坏理论［2］、临界饱水值理论［3，4］、静水压力理论［5，6］和渗透压力理论［7］，其中以Powers提出的静水压力理论和渗透压力理论认可度*高。 1945年，Powers提出静水压力假说［5］，认为混凝土内部的孔隙水冻结膨胀所产生的静水压力是造成混凝土冻害的根本原因。在低温环境中，由于混凝土内部的孔隙水冻结时体积膨胀，迫使未冻结的孔隙水从冻结区向外迁移。孔隙水克服黏滞阻力，在可渗透的水泥浆体结构中移动，从而产生静水压力。此压力的大小主要取决于毛细孔的含水率、冻结速率、水迁移时路径长短及材料的渗透性等。静水压力随孔隙水流程长度的增加而增大，因此混凝土中存在一个极限流程长度，当孔隙水的流程长度大于该极限长度时，产生的静水压力将超过混凝土的抗拉强度，从而造成混凝土破坏。随后，Powers进一步从理论上定量地确定了此静水压力的大小［5］。 虽然静水压力理论的提出，与一些试验现象符合较好，但Powers发现静水压力理论无法解释一些重要现象，如温度保持不变时非引气浆体出现的连续膨胀、引气浆体在冻结过程中的收缩等。随后，Powers等又发展了渗透压力理论［8］，该理论认为，由于水泥浆体孔隙水呈弱碱性，冰晶体的形成使这些孔隙中未结冰孔隙水的浓度上升，与其他较小孔隙中的未结冰孔隙水之间形成浓度差。在这种浓度差的作用下，较小孔隙中的未结冰孔隙水向已经出现冰晶体的较大孔隙中迁移，而大孔中碱离子向浓度较低的小孔隙水渗透，产生渗透压力；孔隙水的迁移使结冰孔隙中冰和溶液的体积不断增大，渗透压也相应增长，并作用于水泥浆体，导致水泥浆体内部开裂。渗透压力理论与静水压力理论*大的不同在于未结冰孔溶液迁移的方向。静水压力理论认为孔溶液离开冰晶体，由大孔向小孔迁移；渗透压力理论则认为孔溶液由小孔向冰晶体迁移。一般情况下，混凝土的水灰比较大、强度较低、龄期较早、水化程度较小时，静水压将导致混凝土冻融破坏；而对水灰比较小、强度较高及处于含盐量大的环境下冻结的混凝土，渗透压将导致混凝土冻融破坏。但静水压和渗透压目前既不能由试验测定，也很难用物理化学公式准确计算，使得众多学者对静水压和渗透压中具体哪个才是冻融破坏的主要因素这一问题无法达成一致；虽然Powers本人后来偏向渗透压假说［7］，但Fagerlund［3］、Pigeon［9］的研究结果却从不同侧面支持了静水压假说。我国学者李天瑗［10］从理论计算和试验现象说明静水压是混凝土冻害的主要因素；张士萍等［11］则对渗透压假说提出了质疑。 自Powers提出静水压力、渗透压力理论后，关于混凝土冻融损伤机理的研究便没有更加突出的进展，也未形成统一的理论。近二三十年，一些学者在Powers的理论基础上进一步定量研究结冰时混凝土内部的微观动态发展、内部应力和应变状态等变化；而更多学者则从材料试验层面出发，研究混凝土及其组成部分的性质和外部环境对混凝土冻融的影响，如降温速率、饱水度、自愈合作用、环境湿度和冻融*低温度等［12，13］。 1.2.2 冻融混凝土材料及RC结构试验研究现状 1.材料层面研究现状 施士升［14］通过试验研究了冻融循环对混凝土基本力学性能（抗压、抗拉及抗剪强度，弹性模量，泊松系数和剪切模量）的影响，并利用显微镜检验了混凝土承受不同冻融循环次数后的微观结构，研究了冻融后高强混凝土和普通混凝土力学性能退化与微观结构之间的关系。 宋玉普等［15］对经历不同冻融循环次数的C30普通混凝土进行了试验研究，通过回归分析得到普通混凝土抗压强度与冻融循环次数之间的关系。 商怀帅［16］对不同水灰比的受冻普通混凝土试件进行了试验研究，得到单轴抗拉、抗压、抗折、劈拉强度和动弹性模量等力学性能指标随冻融循环次数的变化规律，并给出其单轴抗压、抗拉应力-应变曲线。 段安［17］通过棱柱体试件的单轴抗压破坏试验，建立了立方体抗压强度为30～50MPa的受冻非约束与约束混凝土应力-应变全曲线。 程红强等［18］通过试验分析了冻融循环对C30普通混凝土抗压、抗折、劈拉强度的影响，并从微观结构探讨了混凝土冻融破坏机理，结果表明不同强度的混凝土对冻融循环作用的敏感程度不同。 陈有亮等［19］通过试验研究了裂纹数目和冻融循环次数对混凝土的抗压强度、弹性模量和应力-应变关系等力学性能的影响，指出初始裂纹将加速混凝土冻融破坏。 曹大富等［20-22］通过强度为20～50MPa的冻融混凝土试块单轴受拉、劈拉及抗压试验，建立了其受拉峰值应力与劈拉强度的关系及受压应力-应变全曲线。 罗昕和卫军［23］采用超声波声速作为冻融损伤变量，计算相对动弹性模量，建立其与冻融混凝土相对强度之间的关系式。Petersen等［24］采用相同方法研究了混凝土冻融损伤演化规律，指出随着冻融循环次数的增加，损伤由表及里逐渐深入，即冻融分布具有不均匀性。 综上所述，混凝土的各项力学性能指标随冻融循环次数的增加而不断劣化，本构关系发生改变。此外，部分学者针对冻融后混凝土与钢筋间的黏结性能开展了研究： Shih等［25］通过冻融梁式构件的单调与反复加载试验，指出随着冻融循环次数增加，钢筋与混凝土间黏结强度逐渐降低，黏结因子（即*大黏结力与混凝土强度比值）不断减小。 Hanjari等［26］通过拔出试验研究了不同冻融损伤程度的钢筋-混凝土黏结滑移关系，指出随着冻融循环次数增加，黏结应力降低，黏结刚度减小，在峰值处存在不同程度平缓段。 冀晓东和宋玉普［27］对冻融后光圆钢筋与混凝土间的黏结性能开展了试验研究，并基于静水压力理论和黏着摩擦理论，揭示了冻融后钢筋与混凝土间黏结强度的退化原因。 Xu和Wang［28］通过冻融RC拉拔试件的单调与反复加载试验，指出随着冻融循环次数的增加和混凝土强度的降低，混凝土与钢筋间的黏结刚度、强度退化加剧。 2.构件层面研究现状 曹大富等［29-31］基于静力加载试验，研究了不同冻融损伤程度下预应力RC梁、普通RC梁的受弯性能以及RC柱偏心受压性能，指出冻融作用可导致构件破坏形态的改变。 徐港等［32］通过试验研究了盐冻环境下RC梁抗弯性能的退化规律，指出受冻RC梁承载力降低的主要原因是受压区混凝土保护层的剥落。 Hayashida等［33］通过试验研究了冻融深度及位置对RC梁变形性能的影响，指出冻融发生在梁的受压区和受拉区时，对梁变形能力和破坏状态的影响不同。 关虓［34］通过冻融RC梁的正截面抗弯承载力试验，分析了冻融循环作用下RC梁承载力的退化规律及挠度变化规律，建立了冻融RC梁承载力计算模型。 刘旭峰［35］基于RC短柱的轴心受压试验，指出随着冻融循环次数的增加，短柱承载力降低，且设计强度越低，承载力损失越大。 Duan等［36］通过冻融RC梁的静载试验，研究了不同冻融循环次数对梁的极限荷载、延性和裂缝分布以及中和轴变化过程的影响。 1.2.3 考虑冻融损伤的RC结构数值模拟研究现状 目前考虑RC结构冻融损伤的数值模拟研究大多集中在混凝土材性层面：Olsen［37］建立了冻融混凝土的二维有限元计算模型，该模型包括湿度和温度微分方程、结冰量与温度关系以及孔隙压力计算，可模拟饱和状态下的混凝土受冻过程；Baant等［38］建立了可预测混凝土抗冻耐久性的数学模型，从理论上确定了对受冻混凝土的应力应变；Zuber和Machand［39］基于混凝土处于完全饱和状态的假定，建立了孔隙水压力与结冰量、基体变形间的微分方程；Duan等［40］以热力学和孔隙弹性力学为基础，基于有限元软件Comsol Multiphysics进行三维数值模拟分析，预测出饱和砂浆试件受冻过程中的变形、孔隙压力及温度分布；Dai等［41］采用有限元方法对冻融损伤引起的混凝土内部裂缝发展进行了模拟。 在冻融RC结构构件层面，Hanjari等［42］采用分离式有限元模型对冻融后RC梁的抗弯承载力及变形性能进行了模拟分析，但由于缺乏对冻融不均匀性的考虑，试件承载力的模拟结果小于试验值；Berto等［43］考虑冻融损伤对混凝土抗拉、抗压强度的影响，结合所建立的等效冻融循环次数计算模型，对RC简支梁进行了数值分析；Gong和Maekawa［44］通过分析混凝土孔隙结构的形成，研究了其微观层面的冻融损伤，进而考虑温度分布、钢筋位置等因素，研究了冻融作用对RC结构构件力学性能的影响。 综上所述，目前对于冻融环境下RC结构的研究多集中于机理与材料层面，且针对RC结构构件层面的相关试验多采用静力加载方式，缺乏冻融损伤构件抗震性能试验与数值模拟方面的研究，结构层面的研究更是未见报道。因此，开展冻融环境下各类RC构件力学特性与抗震性能的研究十分必要。 1.3 本书研究思路 为研究冻融大气环境下混凝土损伤对RC构件抗震性能的影响，本书采用先进的人工气候环境模拟技术对不同RC构件（包括RC框架梁、柱、节点，剪力墙）进行快速冻融试验，进而对其进行拟静力试验，以研究各RC构件在遭受冻融损伤作用后抗震性能（破坏过程与特征、承载力、刚度、延性、耗能能力等）的变化；同时结合国内外学者建立的不同RC构件恢复力模型研究成果，在试验研究的基础上提出适用于各冻融RC试件的恢复力模型；*后，基于纤维截面分析方法，提出考虑冻融损伤不均匀分布的混凝土强度退化模型、