锈蚀钢筋混凝土柱及框架结构抗震性能与地震易损性研究

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由于外界环境的侵蚀作用,钢筋混凝土结构的抗震性能会随服役期的增长而发生劣化。我国的耐久性环境区划及第五代地震动参数区划图表明,我国有很多同时处于耐久性环境恶劣及高烈度抗震设防的地区。钢筋锈蚀是造成钢筋混凝土结构抗震性能劣化的主要原因。钢筋混凝土结构中钢筋的锈蚀作用会降低结构的抗震能力。与此同时,由于锈蚀引起的结构的抗震性能下降,使得在相同的地震动激励下锈蚀结构反应可能较未锈蚀结构更大,即锈蚀放大结构的地震需求。因此如何评估这些地区在役钢筋混凝土结构在地震作用下的安全性已经成为地震工程领域所关注的重点。自以风险导向的基于性能的地震工程(Performance-Based Earthquake Engineering,PBEE)评估框架提出以来,多年来世界各地的研究人员基于PBEE评估框架,不断完善了结构的风险评估流程。作为PBEE框架中核心的一环,地震易损性表征了结构在不同地震动强度水平下发生不同极限状态破坏的概率,近年来针对结构的易损性研究已经得到了相关研究人员的广泛关注。然而,在传统的地震易损性研究中,通常只考虑“地震作用”这一个致灾因子,而对“钢筋锈蚀”这一潜在致灾因子考虑不足,造成工程人员无法准确掌握既有钢筋混凝土结构的地震安全。因此,开展锈蚀钢筋混凝土结构的地震易损性研究,可以考虑“地震作用”与“钢筋锈蚀”的多灾害耦合,促进全寿命PBEE的研究和发展,帮助工程人员合理评估钢筋混凝土结构的全寿命地震风险,服务于城市的综合抗震防灾决策和可持续发展。基于上述问题,本文以钢筋混凝土框架结构为研究对象,考虑钢筋锈蚀及地震的联合作用对结构的影响,分别在构件及结构层面对锈蚀钢筋混凝土结构的地震易损性进行了研究,主要研究内容如下:(1)搜集既有锈蚀钢筋混凝土柱拟静力循环往复试验数据,建立锈蚀钢筋混凝土柱试验数据库。基于唯象学方法,采用改进Ibarra-Medina-Krawinkler材料模型对试件的模型参数进行校准。给出了锈蚀试件骨架曲线的锈蚀修正系数及滞回耗能参数的回归方程,建立了锈蚀钢筋混凝土柱试件的恢复力模型。(2)考虑锈蚀方法的差异性,分别采用人工气候环境(Artificial Climate Environment,ACE)模拟及电化学氯离子侵蚀(Electrochemical Chloride Erosion,ECE)法加速锈蚀了12根钢筋混凝土柱试件,分别从细观及宏观力学角度分析了两种锈蚀方法的差异性。结果表明,由于锈蚀机理的差异性,在相似锈蚀程度下不同锈蚀方法获得的锈蚀试件在锈蚀产物、外观、抗震性能等方面均存在差别。同时,探讨了锈蚀柱试件随轴压比及不同锈蚀损伤程度下抗震性能及失效模式的变化规律。研究结果表明,低轴压比锈蚀柱试件的抗震性能退化更多取决于试件的锈蚀程度,而高轴压比锈蚀试件在严重锈蚀前受轴压比影响较大,而在严重锈蚀后抗震性能急剧退化。(3)通过国内外文献调研,搜集了满足我国现有规范设计的钢筋混凝土柱试件的试验数据。基于FEMA P58构件易损性函数建立方法,获得了满足我国现有设计规范的柱试件的易损性函数。提出了一种基于拉丁超立方体抽样技术的锈蚀柱构件易损性函数预测方法,并采用该方法给出了满足我国现有设计规范的柱构件在不同锈蚀损伤程度的易损性曲线区间。(4)建立了基于集中塑性模型及分布塑性模型的锈蚀钢筋混凝土框架结构有限元模型,并对其进行了抗震性能分析。探讨了集中塑性模型及分布塑性模型在计算锈蚀结构地震易损性的差异性。结果表明,相同地震动强度下,分布塑性模型建立的完好结构与锈蚀结构在较低的极限状态下的易损性曲线的超越概率差异性较明显。集中塑性模型在较高极限状态时易损性曲线的超越概率要高于纤维模型。考虑参数的不确定性,建立了算例结构的概率模型,揭示了参数不确定性对于结构的影响。
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