锈蚀钢筋混凝土柱抗爆性能研究

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钢筋氯离子腐蚀是影响混凝土结构生命周期性能和承载能力的关键因素之一。钢筋腐蚀使得钢筋的力学性能与钢筋与混凝土的粘结能力退化,导致混凝土的开裂。对于在使用寿命中可能遭受爆炸危险的钢筋混凝土结构,考虑氯离子引起的钢筋腐蚀的分析提供了结构抗爆荷载生命周期性能的定量信息。本研究通过开展腐蚀与未腐蚀钢筋与混凝土动态拔出试验,将钢筋与混凝土动态粘结滑移特性进行定量分析,提出动态粘结滑移模型,在腐蚀钢筋混凝土(RC)柱考虑钢筋与混凝土的粘结退化,分析了腐蚀钢筋混凝土柱的抗爆性能,并对钢筋混凝土柱进行了抗爆易损性分析。本研究通过材料-构件-全寿命的顺序,基于材料试验结论,通过数值模拟的方法对腐蚀钢筋混凝土柱的抗爆性能展开研究,主要包括以下研究内容:(1)本研究首先进行应变率高达100/s时钢筋与混凝土的动态拉拔试验,探讨应变率对钢筋与混凝土粘结滑移关系的影响,得到应变率相关的动态粘结滑移关系,提出动态粘结滑移模型,并将模型应用到LS-DYNA中建立的数值模型中,通过动态拉拔试验的有限元方法进行数值试验以进行参数分析,提出了与混凝土强度、混凝土保护层厚度和钢筋直径相关的粘结强度的动态增长因子(DIF)经验公式,该公式可用于模拟钢筋混凝土构件在爆炸冲击荷载下的响应。(2)在实验室条件下进行了钢筋在混凝土动态拉拔试件的电化学加速腐蚀试验,得到了不同腐蚀率的动态拉拔试件。通过动态拉拔试验,得到了不同应变率和腐蚀程度对应的极限粘结荷载和粘结滑移关系,提出了用于模拟腐蚀钢筋与混凝土粘结退化的粘结折减系数,提出了不同腐蚀率和应变率下极限粘结强度的动态增长因子的经验公式,可用于更好地模拟和预测腐蚀钢筋混凝土结构在动荷载作用下的响应。(3)基于提出的钢筋与混凝土动态粘结滑移模型预测了钢筋混凝土柱在爆炸载荷下的响应。通过模拟钢筋混凝土柱的现场爆破试验,验证了该模型的有效性。利用已验证的数值模型,以不同爆破荷载条件为例,研究考虑和不考虑粘结假设、粘结滑移对混凝土柱响应预测的影响。提出了腐蚀钢筋混凝土构件在预测动态荷载响应时的模拟方法,通过模拟腐蚀钢筋混凝土梁的落锤试验,验证了该模型的适用性。利用已验证的数值模型,研究了腐蚀率、迎爆面和混凝土强度对钢筋混凝土柱抗爆响应的影响。(4)考虑了爆炸荷载下钢筋氯离子引起的腐蚀,基于一般腐蚀和点蚀两种腐蚀模型,通过蒙特卡罗(Monte Carlo)模拟计算了钢筋混凝土柱的失效概率。建立了腐蚀90年后钢筋直径退化和屈服应力退化的均值和标准差,并将其纳入现有的钢筋混凝土柱超压-冲量(P-I)曲线的经验公式中,以预测其抗爆炸载荷能力随时间的退化。分析中采用爆炸比例距离作为需求强度测度,模拟中考虑了峰值反射压力、正相爆破加载时间、混凝土抗压强度、混凝土保护层厚度、钢筋直径和屈服应力的随机波动。根据腐蚀起始年限不同的破坏程度,得到了典型钢筋混凝土柱的爆炸易损性曲线,并讨论了钢筋混凝土柱尺寸、配筋率和腐蚀速率的影响。
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