反复荷载作用下锈蚀钢筋混凝土柱力学性能研究苏佶智;邢国华;马煜东;刘伯权【摘要】采用有限元软件ABAQUS,以锈蚀率(0％、5％、10％、15％和20％)为变量,对5根钢筋混凝土柱的力学性能进行了数值模拟,研究各试件的滞回性能、骨架曲线、延性及耗能能力,分析钢筋锈蚀率对承载力、延性、耗能和塑性铰转动能力的影响.研究结果表明:模拟分析得到的锈蚀钢筋混凝土柱的强度和变形与试验结果吻合较好,建立的有限元模型可用于锈蚀钢筋混凝土柱的力学性能分析;混凝土开裂前,锈蚀构件的力学性能基本与未锈蚀构件相同,混凝土开裂后,构件的承载力、屈服荷载、极限位移、延性等均随钢筋锈蚀率的增大而降低;轻度锈蚀构件的滞回性能和破坏形式与未锈蚀构件类似,随着钢筋锈蚀率逐渐增大,滞回环的饱满程度降低,“捏拢”现象严重,滞回曲线由“弓形”逐渐发展成“反S形”,耗能能力降低,破坏形式趋于脆性破坏,位移延性系数、平均耗能系数等指标逐渐下降.【期刊名称】《震灾防御技术》【年(卷),期】2018(013)003【总页数】12页(P512-523)【关键词】锈蚀;钢筋混凝土柱;力学性能;数值模拟【作者】苏佶智;邢国华;马煜东;刘伯权【作者单位】长安大学,建筑工程学院,西安710061;长安大学,建筑工程学院,西安710061;长安大学,建筑工程学院,西安710061;长安大学,建筑工程学院,西安710061【正文语种】中文钢筋混凝土结构在设计使用年限内受到自然环境、使用环境及自身裂化发展的影响，必然会出现不同程度的耐久性损伤。
损伤逐步累积，最终导致结构耐久性降低、承载力下降、力学性能退化。
在诸多影响结构耐久性的因素中，钢筋锈蚀最为重要（Mehta，1991），主要体现在以下2个方面：①锈蚀使钢筋的有效截面面积和力学性能受到损失，使其与混凝土之间的胶结能力和咬合作用减弱，导致混凝土结构承载能力降低；②钢筋受锈蚀的影响，体积膨胀，导致混凝土在钢筋长度方向发生胀裂，使结构的刚度降低。
锈蚀会对混凝土结构的正常使用造成不可逆转的损害，大量的混凝土结构因锈蚀严重而被迫停止使用，这对社会经济的发展及社会活动的正常运行造成了极大的损失（张誉等，2003）。
已有的研究成果大部分只考虑了一般静力荷载的作用，对在地震作用下材料劣化结构的研究相对较少，这使得处于地震多发区的在役钢筋混凝土结构存在严重的安全隐患。
近年来，抗震工程在巨大的地震灾难推动下不断发展（曲哲等，2009），锈蚀钢筋混凝土构件逐渐受到重视，越来越多的学者对其在地震作用下的力学性能进行了研究，并取得了一定的成果。
Berto等（2009）通过研究发现，锈蚀会对钢筋混凝土构件的承载能力和延性造成影响，锈蚀率越大，构件的承载能力和延性越低，当锈蚀达到一定程度时，结构的破坏状态会从塑性破坏转变为脆性破坏；蒋连接等（2011a，2011b）对钢筋混凝土压弯构件的力学性能进行了反复荷载试验，通过人工改变气候环境的方法，加快了钢筋的锈蚀速率，研究了钢筋锈蚀与混凝土构件刚度退化之间的关系，并以恢复力模型为基础，推导了其中用于计算与钢筋锈蚀率相关的特征参数的公式，建立了在压弯情况下适用于锈蚀钢筋混凝土构件的退化双折线恢复力模型；马颖等（2011）以轴压比和锈蚀率为变量，采用低周反复加载的方式对钢筋混凝土圆柱进行了抗震性能试验，通过研究得到了钢筋锈蚀率、轴压比与屈服荷载及极限荷载间的关系；程玲等（2012）采用Pushover方法对锈蚀钢筋混凝土构件在地震作用下的力学性能和变形性能进行了分析研究，结果表明，锈蚀率会对构件的变形造成一定的影响，锈蚀率越大，变形越大，且变形速率随地震强度的增大而加快；Yalciner等（2012）采用数值分析的方法，评估了锈蚀钢筋混凝土结构的地震易损性；李悦等（2013）利用有限元软件ABAQUS，在考虑不均匀锈蚀的情况下对钢筋混凝土构件进行了模拟，研究了钢筋锈蚀对混凝土内应力发展的影响，并对混凝土主拉应力的分布规律进行了总结；刘婕等（2016）通过改变锈蚀位置和锈蚀率，对一座混凝土连续梁桥桥墩进行了数值模拟分析，结果表明，桥墩的抗弯承载力会随钢筋锈蚀程度的增加而降低，墩底钢筋的局部锈蚀会加剧桥墩的塑性发展，改变桥墩的塑性区位置，而桥墩中部及以上的钢筋的局部锈蚀只有在达到一定程度时才会使塑性区的分布发生改变。
工程界的研究人员对锈蚀钢筋混凝土构件力学性能的研究多是通过模型试验和理论分析的形式，有限元分析则不多。
利用有限元方法模拟锈蚀钢筋混凝土构件的力学性能是试验研究的有效补充，通过有限元模型不仅可以获取试验中难以获得的一些参数，还可以避免试验结果的离散性给后期分析带来的困难（阎红霞等，2010）。
在2008年汶川地震中，重灾区钢筋混凝土框架结构的梁柱构件破坏较为普遍，大多数RC框架结构的柱端破坏严重，而梁端基本保持完好，这种“强梁弱柱”的破坏机制在很大程度上影响了结构的整体抗震性能（李小军等，2008；闫培雷等，2010）。
为此，本文以史庆轩等（2000）的锈蚀钢筋混凝土柱为对象，采用非线性有限元软件ABAQUS，系统地研究了钢筋锈蚀率对钢筋混凝土柱承载力、延性、耗能能力及塑性铰转动能力等力学性能指标的影响，以期为锈蚀钢筋混凝土柱的抗震性能评估及基于性能的钢筋混凝土结构全寿命的抗震设计方法提供参考依据。
钢筋混凝土结构在受力状态下的应力-应变关系呈现明显的非线性特征，因此，正确的材料本构关系对结构或构件的力学性能分析结果至关重要。
本文通过大量试算，给出了所选用的本构模型及相关参数建议值。
混凝土材料采用ABAQUS有限元软件自带的混凝土损伤塑性模型（CDP模型），该模型将混凝土的非线性行为以各向同性弹性损伤和受拉、受压塑性来模拟，同时考虑了拉压塑性应变导致的弹性刚度退化及反复加卸载过程的刚度恢复，适合模拟混凝土在循环荷载作用下的受力情况。
CDP模型中没有混凝土应力-应变关系的具体表达式，需要研究者以输入σc-εinc（σt-εint）正值的形式来定义混凝土单轴受压（受拉）本构模型。
经笔者多次试算，发现丁发兴-余志武损伤本构模型（丁发兴等，2008）计算收敛性较好，故选用该本构模型定义混凝土材料。
此外，CDP模型中的塑性参数还包括膨胀角Y、流动势偏心率j、双轴抗压强度与单轴抗压强度之比fb0/fc0、第二应力不变的拉伸子午线与压缩子午线之比Kc、粘性系数m、模拟微裂缝张开-闭合行为的刚度恢复系数wt和wc。
本文建议上述参数的取值见表1。
混凝土保护层在钢筋锈蚀的影响下，抗压强度会降低，且其开裂部位与剥落程度不具有规律性，本文采用邢国华等（2014）推荐的简化公式进行计算。
为了计算简便，建模时对模型进行了合理简化：①由于一般混凝土试验构件的配箍率较低，核心混凝土受到的约束作用较弱，所以建模时忽略了箍筋对核心混凝土的约束作用，并假设内部核心混凝土不受钢筋锈蚀的影响，锈蚀只对保护层有一定的削弱作用；②仅考虑钢筋锈蚀对屈服强度、有效截面面积及与混凝土之间的胶结力的影响；③假设构件内部钢筋的锈蚀程度相同且均匀锈蚀，忽略钢筋的局部非均匀锈蚀。
钢筋材料采用清华大学开发的PQ-Fiber模型集合中的USTEEL02单轴滞回本构模型（曲哲，2010），该模型是Clough提出的最大点指向型双线性模型的改进形式（图1），考虑了钢筋屈服后因刚度退化产生的包兴格效应和累积损伤引起的受弯承载力退化，并且在骨架曲线上引入下降段来考虑构件的失效。
现有研究结果表明，锈蚀未造成钢筋弹性模量的明显变化，而屈服强度、极限强度、有效截面面积等均呈负方向变化（龙渝川等，2011），故本文在模拟钢筋锈蚀时，仅考虑了钢筋截面面积减小及本构关系的退化，具体计算公式如下：式中：η为钢筋截面锈蚀率（%）；d0、d分别为锈蚀前、后钢筋直径（mm）；fy0、fyc分别为锈蚀前、后钢筋的屈服强度（MPa）；εf为钢筋极限塑性变形率；λv为配箍特征值；λN为轴压比。
钢筋在锈蚀后，其表面的螺纹会有所损失，粗糙程度降低，导致其与混凝土之间的粘结滑移性能减弱。
建模时，通过在混凝土与钢筋的节点重合处设置连接单元来处理二者之间的粘结滑移问题。
假定滑移现象仅出现在钢筋纵长度方向，垂直于钢筋纵长度方向的粘结状况良好，即在垂直方向设置2个刚度较大（本文取2×1015）的线性弹簧单元，沿钢筋方向通过修改inp文件添加力-位移的关系（F-D曲线），设置1个非线性弹簧单元，力-位移关系曲线按下式计算：式中：τ为粘结滑移剪切应力（N/mm2），锈蚀钢筋剪切应力-位移关系与欧洲规范CEB-FIB1990定义的剪切应力-位移曲线类似（Kivell等，2015），故本文采用CEB-FIB1990推荐的粘结滑移本构关系来定义非线性弹簧单元的剪切应力参数；Ai为单个弹簧单元所对应的接触面面积（m2），如图2所示；R为钢筋半径（m）；l为弹簧单元间距（m）。
锈蚀削弱了混凝土与钢筋之间的粘结力，本文通过极限粘结强度降低系数b来考虑锈蚀对两者间粘结滑移关系的影响（Bhargava等，2008）：式中：τ0、τs为钢筋锈蚀前、后，钢筋与混凝土之间的剪切应力（N/mm2）；b 为粘结强度降低系数。
首先以未锈蚀的钢筋混凝土柱为例进行有限元建模，并用试验数据对其进行验证，以确保模型的准确性；在此基础上，以锈蚀率为变量，对不同的钢筋混凝土柱的力学性能进行模拟分析。
试验试件选自史庆轩等（2000）的相关研究，编号ZZ-1。
试件柱总长1400mm，底端固定，竖向千斤顶加压227.58kN，轴压比约为0.27，水平循环反复荷载通过液压作动器施加在距柱顶100mm处。
柱截面尺寸为200mm×200mm，基础梁截面尺寸为250mm×300mm，保护层厚度25mm。
混凝土强度等级按C25设计，实测标准立方体抗压强度31.1N/mm2，初始弹性模量约为30GPa，泊松比0.2；纵筋采用Ⅱ级钢筋，实测屈服强度为415.6N/mm2，弹性模量约为200GPa，对称配筋，截面配筋率为1.355%，箍筋采用Ⅰ级钢筋。
详细几何参数及截面配筋示意图见图3。
采用分离式建模以模拟锈蚀对钢筋混凝土粘结滑移的影响，混凝土材料采用C3D8R单元，钢筋材料采用T3D2单元，连接单元采用SPRING2单元，假设钢筋仅在纵向发生滑移，因此仅在钢筋纵向设置非线性弹簧，在其它2个方向不考虑钢筋的滑移，设置刚度为2×1015N/mm的线性弹簧。
建立的有限元分析模型如图4所示。
基础梁底端网格采用固定约束，竖向千斤顶的作用通过在柱顶施加227.58kN集中力的方式来模拟，参考点RP1建立在距柱顶100mm处，并与柱顶面建立相互耦合作用，以位移加载的形式在该点施加水平循环往复荷载：按照屈服位移的倍数（Δy、2Δy、3Δy等）每级3次循环加载，当试件的承载力下降至峰值荷载的85%时停止加载。
