【摘 要】
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几十年来,针对预制结构已有大量的研究和应用。通过使用施工质量好、可快速安装的预制构件,可取得良好的综合效益。然而,出于对其抗震能力的担忧,预制结构在抗震地区的应用往往受限。为此,各国研究人员开展了大量的研究来提高预制结构的抗震能力,特别是预制构件节点的抗震能力,并提出了一系列预制装配结构体系,如预应力混凝土装配整体式框架体系(世构体系)。对于预制混凝土结构,由于连接部位和后浇叠合层的存在,锈蚀介质
【基金项目】
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国家重点研发计划项目(2016YFC0701400); 江苏省研究生科研创新计划项目(KYCX18_0114);
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几十年来,针对预制结构已有大量的研究和应用。通过使用施工质量好、可快速安装的预制构件,可取得良好的综合效益。然而,出于对其抗震能力的担忧,预制结构在抗震地区的应用往往受限。为此,各国研究人员开展了大量的研究来提高预制结构的抗震能力,特别是预制构件节点的抗震能力,并提出了一系列预制装配结构体系,如预应力混凝土装配整体式框架体系(世构体系)。对于预制混凝土结构,由于连接部位和后浇叠合层的存在,锈蚀介质更容易侵入到混凝土中;同时,锈蚀过程高度依赖于结构构造及建造方法。值得注意的是,目前预应力混凝土装配整体式框架结构已应用于沿海环境,锈蚀可能导致其结构性能发生退化。然而,针对锈蚀预制预应力混凝土结构抗震性能的研究尚鲜有报道。本论文通过试验和数值分析,对锈蚀预应力混凝土装配整体式框架结构的时变抗震性能进行了研究,具体包括:(1)介绍了氯离子侵蚀过程和材料性能的退化,以及预应力混凝土装配整体式框架结构的构造。对不同锈蚀程度下预应力混凝土装配整体式框架梁柱节点的抗震性能进行了试验研究。制作了5个不同锈蚀程度的预应力混凝土装配整体式框架梁柱节点,并进行循环加载测试。对其开裂模式、滞回曲线、骨架曲线、承载能力、延性和耗能能力进行了对比分析,得到了承载能力、延性以及耗能能力的退化规律及退化模型。(2)试验研究了不同锈蚀程度及不同U形钢筋搭接长度对梁柱节点的抗震性能影响。制作了十个不同锈蚀程度及不同搭接长度的梁柱节点,并进行低周反复加载,对滞回曲线、骨架曲线、承载能力、延性、耗能能力进行了对比分析。结果表明,锈蚀显著影响了结构的抗震性能。大部分试件呈现出弯曲失效的破坏模式,而对于锈蚀极为严重的试件,预制梁和键槽接触界面可能出现失效破坏。总体上,拥有较短键槽长度的试件抗震性能优于键槽长度相对较长的试件。然而,随着锈蚀率的增加,这个差距有所减小。根据试验结果,给出了锈蚀环境下预应力混凝土装配整体式框架结构的设计建议。(3)通过长期加载试验,研究了恒载和锈蚀耦合作用下预应力混凝土叠合梁的时变性能。在加速锈蚀过程中,对6根预应力叠合梁施加不同等级的恒载,同时记录预应力损失及混凝土应变随时间的变化。试验结果表明,不同的恒载等级明显影响了预应力钢绞线的局部锈蚀损伤(坑蚀)。同时,恒载和锈蚀耦合作用所产生的的损伤大于单个因素所产生的损伤。通过长期监测试验,给出了不同条件下预应力混凝土叠合梁预应力损失及混凝土应变时变曲线,为理解和评估预应力混凝土叠合梁的长期性能提供参考。(4)为评估锈蚀预应力混凝土装配整体式框架的时变抗震性能,对一个不同锈蚀程度的4层框架进行了多尺度建模。在ABAQUS中通过用户自定义材料(UMAT)模块建立了一个纤维单元模型来模拟锈蚀钢筋的滞回行为,并通过先前的节点试验数据验证了多尺度模型建模方法的有效性。该多尺度建模方法可以有效地平衡计算工作量和计算精度。基于所提出的多尺度模型,通过增量动力分析方法开展了锈蚀框架的易损性分析。分析结果表明,不同地震动和锈蚀率下的结构响应存在高度的离散性。同时,结构地震易损性与锈蚀率高度相关。随着锈蚀率的增加,结构失效概率呈指数增长趋势。(5)基于可靠度理论,以Fick第二定律为基础,阐述了氯离子扩散规律及钢筋锈蚀机理,结合Duracrete模型及以往试验结果,确定了沿海环境参数及锈蚀参数的概率分布类型及统计特征。基于路径概率模型建立了综合考虑离子输运、钢筋锈蚀及承载力退化等多过程的装配式混凝土结构时变性能不确定性分析框架,针对各个极限状态开展了结构时变可靠性分析,揭示了结构可靠度指标的时变规律。最终,建立起一种预制预应力混凝土结构全寿命抗震性能评估模型。
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