文摘

SAP2000软件被用来建立的有限元模型six-storey-three-span钢筋混凝土(RC)框架结构。的数值模拟钢筋混凝土框架结构的抗震性能将不同级别的钢筋腐蚀是使用推覆分析方法进行的。的降解特性腐蚀严重的地震下结构的抗震性能进行了分析。结果表明,钢筋混凝土框架的抗震性能显著降低由于纵向钢筋的腐蚀。和interstory漂移率与腐蚀速率的增加显著增加。形成和发展的同时,塑料铰链合页(铰链梁或列)会加速,导致一个更加剧了罕见的地震作用下结构的变形,导致负面影响结构的抗震承载力。

1。介绍

建筑抗震设防要求世界各地正在逐步改善,严格按照设计、施工和建筑在地震代码也表现出良好的抗震性能。但近年来,房屋倒塌,高速公路裂缝(1),以及由地震造成的伤亡人数仍然很高,如汶川地震,印巴地震(2),智利地震(3]。灾后的调查数据显示,摧毁或严重损坏或混凝土框架结构主要是多层砌体房屋建筑与相对贫穷的抗震性能4]。

目前,多层砌体房屋已逐步限制建造和使用在大中型城市,而钢筋混凝土框架建筑仍广泛用于学校、写字楼、住宅建筑、街道商店和其它建筑由于其灵活的规划布局和适应性强。增加的服务多年,在外部腐蚀因素的诱导下,钢筋混凝土框架结构的材料将恶化5- - - - - -8),导致耐久性损伤(如表面裂缝(9)、碳化、剥落和钢腐蚀(10])。其中,钢筋的腐蚀,被认为是影响混凝土结构耐久性的主要因素(11- - - - - -13]。腐蚀导致几何参数的退化和钢筋的力学性能,在某种程度上削弱了静态混凝土结构的承载力和增加其脆性。与此同时,抗震性能将不可避免地损害14- - - - - -17]。因此,它具有重要的理论意义和工程指导价值的降解规律研究锈蚀钢筋混凝土框架结构的抗震性能。与此同时,它还可以提供参考的抗震性能评估和维修加固的钢筋混凝土框架结构在地震区域。

本文的有限元模型six-storey-three-span锈蚀钢筋混凝土(RC)框架结构建成使用SAP2000软件(18,19]。的数值模拟腐蚀钢筋混凝土框架结构的抗震性能进行了推覆分析方法(20.因为推覆分析方法是应用最广泛的和方便的方法的抗震性能分析中古低地RC框架结构水平。容易做的事情的方法是基于结构静力弹塑性分析理论,通过增加横向负载的惯性力中心每层结构的获得内力和变形响应之间的关系。最后,利用地震需求谱和能力谱(ATC-40反应谱或中国代码响应谱)来估计结构的性能点指数,一个可以很容易地评估结构的抗震性能(21]。推覆分析方法的主要优势在于结构的弹塑性反应可以考虑和计算结果稳定。本文还分析了退化法腐蚀钢筋混凝土框架结构的抗震性能指标在严重的地震。结果将提供一个参考地震安全性分析、可靠性评估、维护加固和重建腐蚀钢筋混凝土框架结构。

2。锈蚀钢筋混凝土材料的力学性能

2.1。混凝土的力学性能退化

大量的实验和理论分析表明,钢筋混凝土框架结构的混凝土保护层将裂缝和剥落由于锈钢腐蚀后膨胀力的作用。此外,它削弱了钢筋和混凝土之间的粘结强度,因此,降低结构的使用寿命(22,23]。考虑到一个普通的核心混凝土约束力钢筋水泥混凝土构件主要是保护层的开裂和剥落的混凝土保护层将减少其约束核心混凝土和进一步削弱的载荷和变形能力的成员。因此,力学性能的退化混凝土保护层的保护作用在结构分析不应该被忽视。由于强烈的随机特性的恶化覆盖混凝土,很难用解析的方法来确定恶化的程度和位置。为了简化计算,(1这里使用)来计算覆盖混凝土的强度(24,25]。 在哪里 的峰值抗压强度的钢筋腐蚀后的混凝土保护层; 之间的相关系数是钢筋表面形状和直径,通常是建议0.1; 是广义开裂混凝土的应变; 是原始成员的宽度; 的横截面宽度腐蚀成员; 纵向钢筋的数量; 是完全腐蚀裂纹的宽度; 生锈氧化产品,体积比系数锈之前,它可以采取值2.0; 的宽度吗 腐蚀裂纹; 钢筋腐蚀的深度; 是腐蚀钢筋截面损失率;和 钢筋腐蚀前的半径,并且它可以作为加权平均值时,钢筋直径是不同的。

2.2。腐蚀钢筋力学性能退化

通常,因为生锈的分布因素(如裂缝、氯离子和硫酸盐离子(26)具有显著的随机特征,钢筋混凝土中钢筋腐蚀状态成员常常表现为点状腐蚀。数值分析通常采用等效均匀腐蚀的方法处理坑腐蚀钢筋的力学性能退化,以提高数值模拟的准确性或理论分析27]。假设钢筋的截面是一个统一的腐蚀状态,但其力学性能degradated根据坑蚀方程。为了考虑点状腐蚀的影响锈蚀钢筋的力学性能,腐蚀的名义屈服应力和弹性模量计算了钢筋(2)[28),和最终的应力和应变29日可以计算)(3)。 在哪里 ( )的名义屈服强度钢筋前(后)腐蚀; ( )的名义弹性模量是钢筋前(后)腐蚀; ( )的名义极限强度钢筋前(后)腐蚀; ( )的名义极限应变钢筋前(后)腐蚀;和 代表的质量损失率腐蚀钢铁。之间的关系 和 (中可以看到4)[28]。

3所示。推覆分析结果Noncorroded RC框架结构

3.1。工程背景和计算参数

为了便于比较,noncorroded RC框架构建的模型提出了这里。建筑模型与典型的层高3.6米,有6个故事,总体规划面积24×12米。所有梁是300×550毫米。1 - 3层的列是500×500毫米,而列4 - 6层400×400毫米,长方形的。图1显示了典型的结构布局。可以看出,建筑模型是一个典型的双轴对称的结构。因此,为了简化计算后,只在轴平面框架③-③(图1 (b))被选中进行推覆分析。

(一)
(一)
(b)
(b)
图1
钢筋混凝土框架的布局。(一)钢筋混凝土框架结构的平面。(b)海拔RC框架结构的轴③③。

根据中国标准gb50011 - 2010,建筑抗震设计规范》(30.),位于二级网站建设与设计地震群2,设计基本的地面运动加速度0.20克。载荷作用于建筑是严格按照中国标准gb50009 - 2012,建筑结构荷载规范设计(31日),重力荷载代表值如表所示1。

表1
的重力荷载代表值RC框架。

C30混凝土的设计强度等级、纵向钢筋是二级钢筋(HRB335),而一级钢筋(HPB300)是用于箍筋。图2显示了几何参数和梁、柱的钢筋布置。详细设计材料参数和加固梁、柱的参数如表所示2和3,分别。

(一)
(一)
(b)
(b)
(c)
(c)
(d)
(d)
图2
维度和加固RC框架成员的布局。(一)强化的列布局1 - 3层。(b)强化列4 - 6层的布局。(c)加固的梁①布局(图1 (b))。(d)加固的梁②布局(图1 (b))。
表2
noncorroded成员的材料参数。
表3
详细的梁、柱钢筋参数。
3.2。推覆分析方法

推覆分析是一种静态非线性分析方法(20.]。在推覆分析,结构承受横向荷载不断增加通过弹性和非弹性行为直到到达最终的条件。这里的关键是,塑性铰理论在推覆分析起着重要的作用。塑料铰链通常用来模拟结构的非线性行为;塑料的发展程度的塑料铰链是用来反映塑料发展程度的结构。在SAP2000程序中,收益率和postyielding行为可以模仿使用默认铰链或用户定义的铰链。每个铰链代表postyield行为集中在一个或多个自由度。默认的铰链包括非耦合力矩(米),扭转(T),轴向力(P)、剪切(V)铰链和耦合P-M2-M3(或P-M-M)铰链收益率基于交互铰链轴力和弯矩的位置。P-M-M铰链,交互(收益率)表面三维P-M2-M3空间中指定应该代表不同组合的收益率第一位置的轴向力P、小时刻M2和M3重大时刻。在SAP2000程序,内置的默认铰链钢构件的属性提供了基于联邦应急管理局- 356标准(32),和内置的默认铰链混凝土构件的属性通常是基于ATC-40标准(33]。为用户定义的塑料铰链,XTRACT [34)软件通常是用来确定moment-rotation曲线对曲线梁和P-M-M交互列。在分析钢筋混凝土框架结构,塑性铰区域通常是分配给成员的结束。梁单元的塑性铰通常只是由弯矩(米),塑性铰通常被认为是由轴向力和双向弯矩相关性(P-M-M)列元素。当默认采用铰链来模拟结构的非线性行为,只有钢筋腐蚀的影响降解法可以考虑塑性铰的参数。然而,从上面的分析,可以看出,力学性能的退化混凝土保护层的保护作用在结构分析不应该被忽视。用户定义的铰链可以充分考虑钢筋腐蚀的影响和保护混凝土保护层的力学性能退化以及塑性铰参数退化法律,所以我们采用一个用户定义的塑料铰链结构的非线性分析。

决定塑料的发展取决于帧结构、力-位移曲线(moment-rotation)可以定义根据联邦应急管理局- 356标准,使屈服值和塑性变形后的收益。这样做是在曲线的值5分,A-B-C-D-E,如图3。


图3
典型的非线性骨架曲线在SAP2000根据联邦应急管理局- 356。

所提出的数字3有四个线段(即。,AB, BC, CD, and DE) in the skeleton curve, representing the elastic stage, the strengthening stage, the unloading stage, and the failure stage, respectively. Moreover, FEMA-356 criteria also set three performance points (i.e., IO, LS, and CP) between the characteristic points B and C. IO is the abbreviation for “Immediate Occupancy,” which means that the structure is in the serviceability limit state. LS is the abbreviation for “Life Safety,” which means that the structure is close to the safety limit state. CP is the abbreviation for “Collapse Prevention,” which means that the structure is close to the collapse limit state.

3.3。推覆分析结果
3.3.1。比较P-M-M曲线之间的默认铰链和用户定义的塑料铰链

针对双轴对称截面的noncorroded框架柱,人物4礼物只有轴向力的相关曲线P主要的M3的时刻x柱截面的方向。可以看出P-M-M曲线获得的用户定义塑性铰是在良好的协议与内置的默认的铰链在SAP2000软件。

(一)
(一)
(b)
(b)
图4
比较P-M-M noncorroded RC柱截面的曲线。(一)钢筋混凝土柱截面为500×500毫米。(b)钢筋混凝土柱截面为400×400毫米。

表4提供的参数P-M-M noncorroded柱截面的曲线。从图可以看出4和表4P-M-M曲线的计算关键参数使用用户定义的铰链通常与那些获得一致通过内置的默认铰链在SAP2000软件。最大的差异在5%。这表明,用户定义的铰链具有相对较高的精度,可用于后续的分析。

表4
参数的关键点P-M-M钢筋混凝土框架柱的曲线。
3.3.2。比较之间的推覆分析结果默认铰链和用户定义的铰链

考虑到负载模式可能会影响大幅推覆分析结果,重要的是要考虑至少两种不同的侧推覆情况下代表不同序列的反应可能发生在动态加载29日]。因此,应该执行推覆分析本文使用以下的横向荷载模式:统一模式,对应于均匀单向横向加速度;和第一模态模式。第一模态力的模式是一个模式的关节正比于该产品的基本模式形状乘以它的圆频率的平方乘以质量支流的关节。针对混凝土的材料非线性,基于位移控制的加载模式是本文选择融合,以避免麻烦。推覆曲线轴平面框架的③,③在不同加载模式如图5。

(一)
(一)
(b)
(b)
图5
比较的推覆曲线noncorroded RC框架在不同加载模式。(一)均布荷载下的模式。(b)在第一模态加载模式。

从仿真结果图5,我们可以看到,尽管框架的推覆曲线有很大的不同在不同横向荷载模式,推覆曲线获得通过使用用户定义的铰链几乎完全配合使用默认的塑料铰链在SAP2000在同样的横向荷载模式。

表5给出了计算结果的弹塑性interstory漂移率noncorroded罕见的地震作用下平面框架。从表5,也可以看出故事漂移率获得通过使用用户定义的铰链一般符合那些通过使用默认的铰链在SAP2000在同样的横向荷载模式。的最大误差小于5%,最大故事漂移率非常接近1/120,可以满足要求的代码(32]。

表5
故事漂移率的noncorroded罕见的地震作用下平面框架。

4所示。推覆分析框架结构腐蚀的结果

4.1。腐蚀梁、柱塑性铰的性质

当考虑钢筋锈蚀,钢筋的几何参数和力学性能会退化,这将不可避免地影响锈蚀梁的塑性铰属性和列。下列计算简化,本文P-M-M交互曲线对不同腐蚀钢筋混凝土柱计算使用用户定义的铰链XTRACT软件的帮助下,而那一刻曲率(M3)对不同锈蚀钢筋混凝土梁可以使用用户定义的铰链获得由文献[35]。

理解不同数量的钢筋腐蚀对钢筋混凝土框架结构的抗震性能,四组的操作条件,包括noncorroded,轻微腐蚀,温和的腐蚀,严重腐蚀,被选中。根据文献[35),相应的均匀腐蚀速率的钢筋截面在上述四个条件分别为0%,5%,10%,和18%,分别。相应的混凝土保护层和加固参数根据四个病例,包括混凝土保护层的强度、钢筋的屈服强度,钢筋的弹性模量,等等,表中列出6。

表6
锈蚀钢筋混凝土材料的力学性能参数在不同程度的腐蚀。
以下4.4.1。P-M-M退化曲线腐蚀列使用用户定义的铰链

根据参数表6P-M-M曲线的钢筋混凝土柱在不同程度的腐蚀,和结果如图所示6。可以看出,腐蚀速率增加,压缩的极限承载力,张力和弯曲后的框架柱截面减少钢筋腐蚀。然而,相对而言,截面的极限弯矩显著地恶化。表7显示了详细的结果最大弯矩退化的情况下有不同的腐蚀速率。

(一)
(一)
(b)
(b)
图6
列的P-M-M曲线的比较在不同程度的腐蚀。(a)柱截面为500×500毫米。(b)柱截面为400×400毫米。
表7
退化的腐蚀柱截面的极限弯矩。
4.1.2。退化的腐蚀框架梁的弯曲强度

摘要noncorroded梁的弯曲强度铰链(M3)可以使用内置的默认计算铰链在SAP2000属性。锈蚀梁的塑性铰性质,梁的弯曲强度铰链(M3)的帮助下可以获得文献的计算结果35]。锈蚀梁的极限弯矩与四个不同的腐蚀表所示8。

表8
锈蚀梁的弯曲强度铰链(M3)在不同程度的腐蚀。
4.2。推覆分析结果腐蚀钢筋混凝土框架

一般来说,钢筋的腐蚀钢筋混凝土框架结构主要是由碳化引起的,开裂和剥落的混凝土保护层。因此,可以合理地假设列和梁的腐蚀速率是相同的(12]。参数的基础上对锈蚀梁的塑性铰属性和列在图6和表6- - - - - -8,静推覆分析罕见的地震作用下进行了合并非弹性材料行为对混凝土和钢腐蚀速率不同。

4.2.1。准备塑性铰的形成和发展

数据7和8显示腐蚀平面框架塑性铰的分布在轴③-③性能点(如图3)。从这些数据可以看到,增加钢筋腐蚀速率,在梁、柱塑性铰的数量逐渐增加。同时,铰链发展迅速从底部层越来越发展水平就越高。轻微的腐蚀条件下(腐蚀速率小于5%),数量和分布的腐蚀的塑料铰链框架noncorroded框架大致相同(腐蚀速率等于0%)。为中度或严重腐蚀,塑料铰链的数量显著增加相对于noncorroded结构,和比列铰链梁铰链有很大的发展。相比之下,在均匀横向荷载模式下,发展程度的相同的腐蚀的塑料铰链框架下高于第一模态加载模式。

(一)
(一)
(b)
(b)
(c)
(c)
(d)
(d)
图7
塑性铰分布均布荷载下的模式。(一)0%的腐蚀速率。(b) 5%的腐蚀速率。(c) 10%的腐蚀速率。(d) 18%的腐蚀速率。
(一)
(一)
(b)
(b)
(c)
(c)
(d)
(d)
图8
第一模态下塑性铰分布加载模式。(一)0%的腐蚀速率。(b) 5%的腐蚀速率。(c) 10%的腐蚀速率。(d) 18%的腐蚀速率。

如数据所示7和8,有6段(即。,B-IO, IO-LS, LS-CP, CP-C, C-D, and D-E) in the legend band. Each legend band is represented by a different colour, which can help the reader to judge the damage state of the structure or member. For example, it can be seen from the frame figure that there are pink points, blue points, and green points in the frame beams and columns, which are distributed in the B-IO segment, IO-LS segment, and LS-CP segment of the legend band, respectively. Therefore, according to the explanation shown in Figure3,我们可以确定这些点的应力状态为正常使用阶段,安全阶段,分别和防止崩溃的阶段。

4.2.2。退化的腐蚀罕见的地震作用下结构的抗震性能

图9为腐蚀提供推覆曲线坐标系下不同程度的腐蚀。很容易看到,推覆曲线和退化的趋势法基本上是相同的,尽管细微差别的曲线在不同横向加载模式。表9列出框架的抗震承载力的值在不同的腐蚀率。从图中的结果9和表9,可以得出结论,腐蚀框架的抗震承载力显著降低由于钢筋的腐蚀。此外,随着钢筋腐蚀速率增加,承载能力的退化逐渐增加。

(一)
(一)
(b)
(b)
图9
比较容易曲线的锈蚀钢筋混凝土框架在不同加载模式。(一)均布荷载下的模式。(b)在第一模态加载模式。
表9
抗震承载力的罕见的地震作用下腐蚀帧。
4.2.3。腐蚀结构罕见的地震作用下的变形性能

为了更好地理解腐蚀结构的侧向变形能力,本文还提供了故事漂移率,如表所示10。同样的,我们可以看到interstory漂移率的增加显著增加结构的腐蚀速率。然而,增加程度不同的地板位置;例如,有一个负面的现象增加在第五和第六层,这主要是由于不同横向荷载下内力重新分配的模式。

表10
Interstory漂移率的侵蚀的框架结构。

每一层的添加interstory漂移,可以得到结构的楼层位移,也代表全球的腐蚀行为框架刚度和延性。图10揭示了不同横向荷载下腐蚀结构的楼层位移模式。结果表明,腐蚀速率的层位移增加而增加。此外,该框架的变形图与它的第一模态形状一致。

(一)
(一)
(b)
(b)
图10
比较不同程度的腐蚀下故事的位移。(一)均布荷载下的模式。(b)在第一模态加载模式。

5。结论

本文的有限元模型six-storey-three-span锈蚀钢筋混凝土(RC)使用SAP2000软件建立了框架结构。的数值模拟腐蚀钢筋混凝土框架结构的抗震性能有四个不同数量的腐蚀是使用推覆分析方法进行的。主要结论如下:(1)noncorroded RC框架,P-M-M柱截面曲线获得的帮助下通过使用用户定义的铰链XTRACT软件通常与那些获得一致通过内置的默认在SAP2000铰链。锈蚀钢筋混凝土框架柱截面,计算P-M-M曲线基于用户定义的铰链呈现出相同的变化趋势noncorroded。因此,XTRACT软件可以用来确定用户定义的属性P-M-M塑料铰链。(2)钢筋腐蚀速率的增加,塑性铰钢筋混凝土框架梁、柱的发展迅速从底部层越来越发展水平更高,从而导致更严重的地震作用下结构的变形严重。(3)腐蚀框架的抗震承载力显著降低由于钢筋的腐蚀。此外,随着钢筋腐蚀速率增加,承载能力的退化逐渐增加。(4)interstory漂移率显著增加,增加结构的腐蚀速率。然而,增加随层的位置,它有很强的相关性与横向荷载模式。

的利益冲突

作者宣称没有利益冲突有关的出版。

确认

这项研究已经由郑州大学的优秀青年人才研究基金(批准号1521322004)和广东省重点实验室的土木工程耐久性,深圳大学(批准号GDDCE 12-06)和基础由河南大学青年骨干教师(批准号2015年ggjs - 151)。