氯盐-溶蚀环境下混凝土结构抗震性能退化规律的数值模拟

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长期处于溶蚀和氯盐侵蚀环境下的混凝土结构,不仅遭受溶蚀、氯盐等多种环境因素侵蚀,还受到地震、强风等各种荷载作用。环境水中的氯离子侵入混凝土内部,引起钢筋的锈蚀;长期的溶蚀导致混凝土微结构劣化及力学性能下降,加速了氯离子在混凝土中的传输进程,所以溶蚀和氯盐侵蚀是导致混凝土性能劣化、结构耐久性降低和服役寿命缩短的重要原因之一。因此,必须对溶蚀和氯盐侵蚀环境下混凝土结构的性能退化过程有明确的认识,有必要通过数值模拟手段预测可能存在的风险。本文基于溶蚀和氯盐侵下钢筋混凝土材料的劣化规律,建立了混凝土和钢筋的损伤模型,探讨了溶蚀和氯盐侵蚀环境下混凝土结构的性能退化过程及其原因,为长期服役于水环境下混凝土结构的性能评估、寿命预测提供基础。本文主要研究内容如下:(1)以氯离子和钙离子在混凝土中的扩散传输规律为基础,建立了钙离子-氯离子扩散传输模型,采用MATLAB进行数值求解得到钙离子、氯离子在混凝土内的时空分布规律。通过孔隙率建立了溶蚀损伤下混凝土的损伤系数,进而建立混凝土损伤本构模型,结合实验数据得出特征参数;根据氯离子侵蚀下钢筋锈蚀规律,基于恒定腐蚀电流密度模型和时变腐蚀电流密度模型,建立了钢筋剩余截面面积随服役时间变化的函数。(2)基于氯盐-溶蚀环境下材料的损伤规律。建立混凝土的溶蚀损伤本构的时变模型以及确定锈蚀钢筋有效截面的计算方法。通过对Open SEES有限元分析软件的内置材料本构模型的二次开发,建立了氯盐-溶蚀环境下混凝土构件的分析模型,该模型能够体现混凝土构件的损伤由外至内递减的特点,以及钢筋有效截面面积能随服役时间的变化规律。对圆柱构件在不同工况下的性能表现进行分析,考察了侵蚀后构件抗压、抗弯承载力和对应刚度、弹塑性变形能力以及滞回耗能能等力学特性的变化。(3)借助ETO前后处理软件建立有限元分析模型,对氯盐-溶蚀环境下八层混凝土框架结构进行弹塑性分析。采用动力弹塑性分析法和Pushover法对结构在地震中的响应进行对比分析,考察了结构全生命周期内各项性能指标,其中包括:结构薄弱层的最大层间位移角、层间位移以及结构性能点随腐蚀时间的变化规律,结果表明:高层框架结构的抗震性能随着腐蚀时间的增加而降低。
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