近海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 研究背景及研究意义 2004年苏门答腊地震后，全球进入地震高发期，我国作为典型的地震多发国家，同样进入了新的地震活跃期，这为我国防震减灾工作带来了严峻考验。据不完全统计，进入21世纪以来，我国仅6.5级以上的大地震就发生了十余次，不仅给人民生命财产安全带来了巨大损失，也对我国经济和社会发展产生了巨大冲击［1］。地震的发生不可避免，但其造成的后果却是可控的。2011年4月，世界著名地震工程学家罗伯特 盖勒在《自然》杂志撰文呼吁日本政府公开承认“地震不可预测”，把更多精力投入到地震对策上来［2］。美国科罗拉多大学的地震工程学家也曾指出：“造成伤亡的是建筑物本身，而不是地震。”［3］因此，提升建筑结构的抗震能力，是减轻地震灾害的根本方法。 科学全面认识建筑结构的抗震性能，是有效提升其抗震能力的重要前提。近年来，随着性能化抗震理念的不断深入，世界地震工程学界针对建筑结构抗震性能开展了大量研究，取得了丰硕成果，有力推动了建筑结构抗震能力提升。然而，值得指出的是，上述研究成果大都是针对新建建筑结构提出的，显然忽略了既有建筑结构耐久性损伤引发的抗震性能时变退化特性，这意味着建筑结构在服役一定时间后，其抗震能力将有可能不再满足规范要求，存在一定的安全隐患。而我国大中城市中，20世纪80年代后兴建的钢筋混凝土（reinforced concrete，RC）框架、框架剪力墙、剪力墙和框架核心筒结构等既有建筑，作为人们生活和生产的主要场所，已暴露出明显的耐久性损伤问题。2008年汶川地震的震害统计资料［4］（表1.1）表明，建造时期较早的建筑结构在同等强度地震作用下的破坏情况较为严重，不仅是早期建筑结构的抗震设防水平较差所致，还包括早期建筑在使用过程中由于耐久性损伤导致的抗震性能退化。因此，为减轻城市建筑结构地震灾害风险，有必要对发生耐久性损伤的在役RC结构的抗震性能展开研究。 1991年，Mehta教授在第二届混凝土耐久性国际学术会议上作的题为“混凝土耐久性——50年进展”的主题报告中指出［5］，“当今世界，造成RC结构性能退化的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，侵蚀环境的物理化学作用。”可见，混凝土中的钢筋锈蚀是导致RC结构耐久性损伤与抗震性能退化的主要原因。据统计，世界各国RC结构中，因钢筋锈蚀问题产生的工程结构维护费用高达1000亿美元［6］；美国1975年到1995年期间，由钢筋锈蚀引发的经济损失从300亿美元上升到了1500亿美元［7］；《中国腐蚀调查报告》指出，我国每年由钢筋锈蚀引发的经济损失可达1000亿元［8］。巨大的经济损失背后，暗示着钢筋锈蚀问题已在我国乃至世界各国既有RC结构中广泛存在，不容忽视。表1.1汶川地震的震害统计资料［4］ 建造年代可以使用/%加固后使用/%停止使用/%立即拆除/%1978年前10398431979～1988年353313181989～2001年40311614注：数据合计非100%为四舍五入造成，原资料数据如此。 近海大气环境中的氯离子侵蚀是造成混凝土中钢筋锈蚀的首要原因。我国拥有漫长的海岸线，沿海城市中的大量在役RC结构不仅长期面临地震灾害威胁，还同时遭受服役环境中氯离子侵蚀作用影响。据调查，距我国海岸线500m处的RC结构，每年每平方米吸附的氯离子质量高达10.771g［9］，且该环境中较高水平的空气湿度与温度，进一步加速了氯离子侵蚀速率，因此随着时间推移，越来越多近海大气环境中的RC结构将会出现不同程度的钢筋锈蚀问题。图1.1给出了近海大气环境下在役RC结构中钢筋锈蚀实例。 图1.1 近海大气环境下在役RC结构中钢筋锈蚀实例 混凝土中钢筋锈蚀不仅会削弱纵向受力钢筋的有效截面面积，锈蚀产物膨胀还会导致混凝土保护层沿钢筋轴向锈胀开裂，削弱钢筋与混凝土间黏结性能，箍筋锈蚀还会减小其对核心区混凝土的约束作用［10］，氯离子侵蚀造成的钢筋坑蚀，还将导致钢筋中出现应力集中现象，从而引发RC结构力学与抗震性能不同程度的退化，并加剧沿海城市建筑结构的地震灾害风险。在此背景下，为有效提升近海大气环境下在役RC结构的震害抵御能力，降低沿海城市的地震灾害风险，研究揭示近海大气环境下RC结构的抗震性能退化规律，建立其数值模拟分析方法十分必要和迫切。 鉴于此，本书首先通过人工气候环境模拟技术模拟近海大气环境，对RC框架梁、柱、节点及剪力墙进行加速腐蚀试验，进而进行拟静力加载试验，系统研究其抗震性能退化规律，并在此基础上结合理论分析，研究建立各类RC构件的宏观恢复力模型，以期为近海大气环境下在役RC结构数值建模分析及抗震性能评估与提升提供理论支撑。 1.2 国内外研究现状 1.2.1 氯离子扩散及钢筋锈蚀模型研究现状 研究混凝土中氯离子扩散规律，建立氯离子扩散模型，是研究揭示近海大气环境下锈蚀RC构件与结构抗震性能时变退化规律的基础。1972年，Collepardi等［11］基于Fick第二定律提出的氯离子扩散系数计算方法，为氯离子扩散理论研究奠定了坚实基础。此后，各国学者以该理论为基础，结合试验与观测数据，考虑不同因素影响，建立了多种氯离子侵蚀模型。例如，Bentz等［12］考虑氯离子浓度时变性及其与水化物的结合作用，建立了一种有限差分的氯离子侵蚀模型;Onyejekwe等［13］考虑温度与时间对氯离子扩散的影响，采用格林函数法建立了氯离子扩散模型。余红发等［14］考虑结构微观缺陷、氯离子结合能力和扩散系数时变性等的影响，建立了修正的氯离子扩散模型。吴相豪等［15］在已有研究基础上，综合考虑扩散系数的时变性、氯离子结合能力、水灰比和应力状态等的影响，建立了修正的氯离子扩散计算模型。 氯离子扩散进入混凝土内部后，将会破坏混凝土内部碱性环境，进而破坏钢筋表面钝化膜，引发钢筋锈蚀，并导致结构抗震性能退化。近海大气环境下，混凝土内部钢筋锈蚀过程主要分为四个阶段［16］（图1.2）：①氯离子传输阶段；②钢筋去钝化及锈蚀产物生成阶段；③保护层混凝土开裂阶段；④保护层混凝土剥落阶段。由此可以看出，氯离子传输阶段时，钢筋未发生锈蚀，结构抗力并未发生退化；当氯离子浓度达到临界氯离子浓度时，钢筋去钝化发生，开始锈蚀，产生锈蚀产物，结构抗力开始退化；随着钢筋锈蚀产物不断累积膨胀，沿钢筋四周形成放射型微裂缝，不断向构件表面延伸直至混凝土保护层开裂，导致氯离子渗透速率增加，钢筋锈蚀加快，结构抗力退化加剧；随锈胀裂缝宽度不断增加，构件角部混凝土保护层开始剥落，钢筋裸露，进一步加速了钢筋的锈蚀，结构抗力退化直至无法满足抗震要求。 图1.2 RC结构钢筋锈蚀过程 揭示并表征钢筋锈蚀程度时变规律及锈蚀钢筋力学性能退化规律，建立钢筋锈蚀程度预测模型及锈蚀钢筋本构模型参数标定方法，是量化RC结构抗震性能退化规律的基础。国内外学者通过试验研究与理论分析，建立了多种钢筋锈蚀程度预测模型。例如，Morinaga等［17］基于大量试验结果，考虑温度、湿度、氧气浓度及氯离子含量等环境条件影响，建立了氯离子侵蚀环境下钢筋锈蚀程度预测模型。Bazant［18］基于化学反应动力学和电化学腐蚀原理，提出了海洋环境下钢筋锈蚀程度计算模型。肖从真［19］基于法拉第定律，建立了阴极反应控制的钢筋锈蚀程度计算模型，并根据试验结果进行了修正。牛荻涛等［20］基于腐蚀电化学理论，考虑环境湿度影响，建立了保护层开裂前后钢筋锈蚀程度计算模型。Vidal等［21］通过对自然环境下放置的RC梁构件裂缝宽度进行连续17年的观测，建立了钢筋锈蚀率与锈胀裂缝宽度间的量化关系。吴锋等［22］以锈蚀RC梁为研究对象，建立了基于锈胀裂缝宽度的钢筋锈蚀率量化模型，并通过与试验结果对比，验证了模型的准确性。 此外，为量化表征锈蚀钢筋的力学性能退化规律，袁迎曙等［23］基于试验研究结果，建立了锈蚀钢筋名义屈服强度、名义极限强度和延伸率与钢筋质量损失率间的量化关系。王雪慧等［24］基于氯离子侵蚀下钢筋锈蚀的试验结果指出，钢筋的坑蚀现象将导致锈蚀钢筋的截面面积损失率大于质量损失率，并建立了锈蚀钢筋截面面积损失率与质量损失率的关系。惠云玲［25］根据试验结果，提出了锈蚀钢筋屈服强度、极限强度及伸长率的计算模型。上述模型的建立，为揭示表征近海大气环境下在役RC结构抗震性能退化规律提供了一定的理论支撑，但锈蚀钢筋力学性能退化规律并不能全面反映锈蚀RC构件与结构的抗震性能退化规律，因此开展锈蚀RC构件与结构抗震性能研究仍十分必要。 1.2.2 锈蚀RC构件抗震性能研究现状 1. 锈蚀RC受弯构件 受弯构件作为RC结构中主要受力构件，受氯离子侵蚀后其力学性能退化将直接影响RC结构的整体抗震性能。国内外学者对锈蚀RC受弯构件的抗震性能开展了一些研究。例如，Al-Sulaimani等［26］基于不同锈蚀程度RC梁的试验结果，建立了RC梁受弯承载力与钢筋锈蚀率的相关关系。Torres-Acosta等［27，28］通过10根锈蚀RC框架梁试件的拟静力加载试验，研究了钢筋锈蚀程度对梁抗弯刚度的影响规律；此后，进一步研究了钢筋锈蚀对RC框架梁抗弯承载力的影响规律，结果表明：钢筋*大坑蚀深度是造成RC框架梁抗弯承载力降低的*主要因素。Du等［29］基于锈蚀RC梁的单调加载试验结果指出，钢筋锈蚀不仅降低了RC梁的抗弯承载力，还改变了其破坏模式，并降低了其延性。Rodriguez等［30］基于电化学腐蚀下锈蚀RC梁的静力加载试验指出，钢筋锈蚀不仅降低了RC梁的抗弯刚度和抗弯承载力，还会导致其破坏模式由弯曲破坏向剪切破坏转变。Ou等［31］基于大尺寸锈蚀RC梁的低周往复加载试验发现，钢筋锈蚀将改变RC梁的破坏模式。黄振国等［32］基于服役结构拆除的9榀RC梁构件的静力加载试验，分析了钢筋锈蚀程度对RC梁破坏形态影响规律。蔡立伦［33］通过锈蚀RC梁的静力加载试验指出，箍筋锈蚀将降低其对核心混凝土的约束作用，导致锈蚀RC梁的抗剪承载力削弱，剪切变形增大，破坏模式改变。 在试验研究基础上，国内外学者还通过理论与数值模拟分析，研究了锈蚀RC受弯构件的抗震性能退化规律。例如，袁迎曙等［34］考虑锈蚀钢筋力学性能及钢筋与混凝土黏结性能退化，建立了锈蚀RC梁数值模型，并通过模拟分析得到锈蚀RC梁承载力、延性、变形能力随钢筋锈蚀率的变化规律，建立了锈蚀RC梁性能退化模型。Val［35］通过理论分析，分别研究了一般锈蚀和坑蚀对RC梁抗弯和抗剪承载力及其可靠度的影响规律。结果表明，钢筋锈蚀，特别是坑蚀，对RC梁的可靠度具有显著影响。Cui等［36］通过减小钢筋截面面积、削弱钢筋与混凝土材料力学性能及两者间黏结性能，以考虑钢筋锈蚀影响，建立了锈蚀RC梁的三维有限元模型，并分析了配筋率和钢筋锈蚀程度对RC梁力学性能的影响。Elghazy等［37］通过建立三维有限元模型，对纤维增强复合材料（fiber reinforced polymer，FRP）增强锈蚀RC梁进行受弯性能分析，并将模拟得到的梁试件的承载力、荷载位移曲线等与试验值进行对比，验证了所建立的数值分析模型的准确性。杨成等［38］采用有限元方法模拟箍筋锈断导致的锚固失效和黏结退化，对锈断位置呈不同分布的RC梁的受剪性能进行了研究。 2. 锈蚀RC压弯构件 压弯构件是RC结构中的主要承重与抗侧力构件，其抗震性能的优劣将直接影响RC结构整体抗震性能。近年来，国内外学者对氯离子侵蚀下锈蚀RC压弯构件的抗震性能进行了部分研究，例如，陶峰等［39］基于20根电化学腐蚀压弯构件的静力加载试验发现，钢筋锈蚀率小于15%时，压弯构件的截面平均应变仍近似符合平截面假定，但钢筋锈蚀将导致构件的极限承载力和延性降低。杨满［40］对实际工程中使用21年的RC柱进行低周反复加载试验，分析了轴压和钢筋锈蚀程度对RC柱抗震性能影响规律。王学民［41］通过三种