锈蚀钢筋混凝土柱抗震性能劣化研究

Because of the tough environment attack the performance of reinforced concrete structure will degrade. Due to the reduction of concrete strength, the rebar corrosion, the formation of crack and broken of concrete cover, the load-bearing capacity will decrease. Earthquakes occur randomly, the dynamic behavior of a degraded concrete structure draws a lot of attention. It is necessary to investigate the degraded performance of reinforced concrete structure under a seismic attack. In this project, hysteric test will be carried out by using 20 reinforced concrete columns with a size of 400*400*1500mm. The specimens are firstly degraded by means of different corrosion rate. The hysteric performance and failure mode will be focused on. The bond and slip performance between corroded rebar and concrete will be simulated by using a modified version of MSC.MARC. The concrete cracks induced by volume expand of rust, the element birth and death function will be used to simulate the peeling off of the concrete cover. Based those functions detailed FEM model will be set-up to simulate the hysteric performance of reinforced concrete columns with corroded rebar. The influence parameters will be taken into account means of by FEM analysis. Finally a mechanical model of hysteric performance for reinforced concrete with corroded rebar will be proposed.

钢筋混凝土结构受各种环境腐蚀作用时，结构的性能不断劣化，如混凝土强度降低、钢筋锈蚀、混凝土保护层开裂、剥落，导致钢筋混凝土结构的承载能力不断降低。地震是随机的，结构性能劣化到一定程度时，即使能够承受静力荷载，却不一定能够承受地震的动荷载，因此有必要研究锈蚀钢筋混凝土结构的抗震性能的劣化规律，本课题将在总结国内外关于锈蚀钢筋混凝土柱承载力劣化的基础上，对20个400*400*1500mm的钢筋混凝土试件进行滞回试验，研究不同锈蚀程度对试件的滞回性能及破坏模式的影响；对MSC.MARC进行二次开发，模拟锈蚀钢筋-混凝土的粘结与滑移，钢筋锈蚀引起的混凝土开裂，利用单元生死控制模拟混凝土的剥落，建立锈蚀钢筋混凝土柱的滞回曲线模拟的精细有限元模型；在模拟试验结果的基础上，进行有限元模型参数分析，最终基于试验结果和有限元分析结果提出适用于描述锈蚀钢筋混凝土柱滞回性能劣化的力学模型。

本项目研究的原定主要目标是通过控制柱不同锈蚀率试件的实验研究，得到抗震性能劣化程度与锈蚀率之间的关系。研究的第一步需要通过加速锈蚀试验得到不同锈蚀率的试件。在这一步实验中，采用外加电流的加速锈蚀方法，研究者通常采用法拉第定律来估计混凝土中钢筋的锈蚀率，实验表明实际锈蚀率要远远低于理论锈蚀率。通常研究者根据理论锈蚀率停止加速锈蚀实验，然后进行承载性能实验，实验后破开混凝土，根据钢筋的公称质量计算钢筋的实际锈蚀率。研究过程中通过实验发现，这种外加电流的加速锈蚀方法不能够精确控制试件的锈蚀率、锈蚀位置等，因此将研究课题集中在解决这一问题上。.钢筋锈蚀是影响钢筋混凝土构件承载能力的一个重要的因素，是钢筋混凝土结构耐久性必须研究清楚的问题。钢筋在混凝土构件内的锈蚀是一个非常缓慢的过程，加速锈蚀是研究锈蚀钢筋混凝土构件的重要方法。首先总结了国内外研究钢筋锈蚀所使用的加速钢筋锈蚀方法，从所使用的构件形式、材料配比和使用的环境等比较各种方法的优劣；然后深入研究了外加电流的钢筋加速锈蚀方法，包括辅助阳极对锈蚀位置的影响、外加电流的腐蚀效率、钢筋锈蚀长度的精确控制等问题；并且实验回归得到了辅助电极和钢筋之间存在的电流流向扩散参数——扩散角α，并且根据现有实验数据，建立扩散角度α和钢筋保护层厚度C两者的关系模型，得出相应经验参数；根据实验结果，拟合出法拉第修正参数λ随着氯离子浓度[Cl-]/[OH-]及电流密度i变化的经验值。最后对4根的钢筋混凝土梁的某一侧部分箍筋进行循环水局部加速锈蚀实验，并对锈蚀后的构件进行剪力试验。实验结果表明，循环水系统的增加，能够在不需要建立电解池进行构件浸泡的情况下，保证在较低电压下对构件进行加速锈蚀，且贴面加速的方法，能够实现目标区域的定向锈蚀果。另外，承载力试验结果表明，循环水局部加速梁受剪区域箍筋锈蚀，能够合理获取研究所需要的锈蚀劣化构件。.研究成果已经发表学术论文共5篇（标注4篇），其中SCI收录3篇，申请发明专利4项，培养博士后1名，联合硕士研究生2名（1名毕业，1名在读）。