重复拉伸荷载下锈蚀钢筋力学性能及本构关系研究

通过锈蚀钢筋重复拉伸荷载试验,分析了重复拉伸荷载作用下锈蚀对钢筋力学性能的影响,并建立了锈蚀钢筋本构关系模型.试验表明,重复荷载作用下,随着锈蚀率的增大,钢筋力学性能退化,变形能力下降,屈服平台逐渐缩短甚至消失;耗能性能降低,破坏时更加表现为脆性断裂,使得结构在地震发生时更易出现脆性破坏,甚至突然倒塌.基于试验成果本文建立了锈蚀钢筋应力-应变本构关系模型,研究成果可为锈损结构耐久性、残余承载力及抗震性能评估提供技术依据.     

腐蚀损伤对Q345钢材力学性能的影响

根据重庆地区年降雨时间及其分布特点,结合经典概率理论及统计知识建立降雨概率分布模型,基于此模型,结合钢材腐蚀特征建立环境腐蚀损伤试验模型;然后,根据重庆酸雨成分及其含量配置高浓度模拟酸雨溶液,对5组共计19个Q345钢材材性试件进行不同时间的"间浸"式腐蚀损伤试验,观察分析试件在腐蚀环境中的破坏形态;最后,对各组腐蚀试件开展拉拔试验,由腐蚀试件屈服强度、极限抗拉强度、弹性模量以及伸长率等材料力学性能参数的变化情况,分析Q345钢材力学性能参数随腐蚀损伤的退化规律。结果表明:Q345钢材屈服强度和极限抗拉强度等承载力参数随腐蚀损伤增加而退化,加速腐蚀84 h后分别退化了10.67%和8.83%,部分试件甚至出现屈服平台消失;与承载力参数相比,弹性模量、截面收缩率、伸长率等衡量构件变形能力的参数退化最为显著,退化率约20%。     

锈蚀钢筋应力-应变关系研究

从三种途径获取共267根锈蚀钢筋试件，其中，156根试验室外加电流锈蚀钢筋试件，35根大气环境自然裸露锈蚀钢筋试件，76根实际工程老构件中锈蚀钢筋试件．通过拉伸试验，研究了锈蚀钢筋力学性能变化规律，指出随着锈蚀的发展，钢筋屈服强度、极限强度、极限应变均发生退化，屈服平台缩短直至消失．同时，收集国内外已有锈蚀钢筋力学性能试验数据，建立了相应的数据库，经过统计、分析、比较后，得出了锈蚀钢筋弹性模量、屈服强度、极限强度、极限应变等力学性能特征值的回归公式和屈服平台消失时的临界截面锈蚀率．最后建立了不同环境条件下锈蚀钢筋的应力-应变关系数学模型．     

锈蚀栓钉力学性能试验研究

通过对人工气候环境和恒电流加速锈蚀得到的锈蚀栓钉进行拉伸试验,研究2种加速锈蚀方法对锈蚀栓钉力学性能的影响,分析比较不同锈蚀程度的栓钉各项力学性能的变化规律。研究结果表明:人工气候环境和恒电流加速锈蚀方法可有效模拟自然环境引起的栓钉锈蚀;随着栓钉锈蚀程度的增加,屈服强度和极限强度减小,塑形性能下降,弹性模量降低。在试验结果分析基础上,建立锈蚀栓钉力学性能退化模型和本构关系模型,为侵蚀环境下钢-混凝土组合结构数值仿真、耐久性评估及寿命预测提供应用参考。     

酸雨侵蚀箍筋约束混凝土本构模型研究

采用人工气候环境模拟技术模拟酸雨环境,对15组箍筋约束混凝土棱柱体试件进行加速腐蚀,进而进行轴压试验,研究了箍筋锈蚀对约束混凝土破坏形态、峰值应力、峰值应变、极限应变和应力-应变曲线形状的影响.基于Mander模型及现有研究成果,确定了未腐蚀试件本构模型峰值应力、峰值应变、极限应变和形状系数等参数的计算公式,并通过对试验结果的回归分析,得到了考虑箍筋锈蚀率影响的形状系数和各特征点参数修正系数拟合公式,最终建立了酸雨侵蚀箍筋约束混凝土本构模型.与试验结果对比发现,采用该模型计算得到的各试件峰值应力、峰值应变、极限应变及应力-应变曲线形状均与试验结果符合较好,表明所建立的本构模型能较为准确地反映遭受酸雨侵蚀箍筋约束混凝土力学性能,可用于该环境下RC结构剩余承载力及抗震性能评估.     

考虑锈蚀损伤的钢框架节点恢复力模型研究

为了研究酸性大气环境下锈蚀钢框架梁柱节点的抗震性能,对6榀钢框架梁柱节点试件进行了酸性大气环境加速腐蚀试验和拟静力加载试验,分析了不同锈蚀程度钢框架梁柱节点的滞回特性.试验结果表明,随着锈蚀程度的加重,试件强度、刚度、延性及滞回耗能等力学与抗震性能不断劣化.通过分析试验结果,得到钢框架梁柱节点核心区弯矩-剪切转角三折线骨架曲线,并根据未锈蚀节点试件恢复力模型的特征参数,得到了考虑钢材锈蚀损伤的钢框架梁柱节点核心区骨架曲线特征点计算公式.引入基于滞回耗能的循环退化指数βi,提出了适用于遭受锈蚀循环损伤的钢框架梁柱节点的滞回规则,进而建立了可综合考虑试件强度、刚度循环退化效应的锈蚀钢框架梁柱节点恢复力模型.将理论滞回曲线与试验结果进行对比,结果表明两者间具有较高的吻合度,进一步验证了所建立的考虑锈蚀损伤的钢框架节点恢复力模型具有较好的适用性.研究成果可为酸性大气环境下在役钢框架结构的地震反应分析及抗震性能评估提供理论参考.     

锈损冷成型钢表面形貌及力学性能

为研究锈蚀对冷成型钢表面形貌特征和力学性能的影响,对工业环境下服役10 a的冷成型钢进行表面三维形貌扫描、单调拉伸试验和断口扫描,得到了锈蚀钢材表面二维和三维形貌图、锈蚀损伤参数、应力-应变曲线、力学性能指标以及微观断口形貌图,并分析了锈蚀损伤参数、力学性能指标的变化规律,最后建立了锈蚀冷成型钢材料本构模型.结果表明:随着锈蚀程度增加,钢材表面蚀坑数量减少且蚀坑形貌发生明显变化,均匀锈蚀所占比例、最大蚀坑深度逐渐增大,锈蚀钢材表面变得越来越粗糙;弹性模量、屈服强度、极限强度、断后伸长率随材料损失率的增加呈线性下降趋势,屈服平台变短甚至消失,宏、微观断口形貌变化明显,并且所建立的本构模型能够精准地反映锈蚀冷成型钢应力-应变曲线的变化趋势.     

酸性土壤环境中多龄期埋地钢管地震易损性分析

在酸性腐蚀土壤环境中,埋地钢管的抗震性能会随着服役龄期的延长而显著降低.为了研究酸性土壤环境中多龄期埋地钢管的抗震性能,对钢材进行人工加速腐蚀试验与拉伸破坏试验,建立了钢材屈服强度、极限强度、弹性模量及伸长率与失重率之间的关系;在全面腐蚀模型的基础上,揭示了酸性土壤环境中埋地钢管力学性能与几何尺寸随服役龄期的变化规律,并建立时变本构模型.基于ANSYS有限元分析软件,建立了酸性土壤条件中考虑锈蚀钢材几何尺寸及力学性能退化的不同服役龄期有限元模型;采用增量动力分析法及云图法,建立了描述地震动强度与结构地震响应之间关系的概率地震需求模型,结合管道破坏状态的划分和概率意义上极限损伤限值的确定,对埋地钢管进行地震易损性分析,从而建立了考虑锈蚀耐久性能退化的不同服役龄期埋地钢管时变地震解析易损性模型,表征了管道单元损伤指标与地震动强度指标之间的关系,并进一步给出了不同管径多龄期埋地钢管的地震易损性曲线.结果表明:在酸性腐蚀土壤环境中,随着服役龄期的延长,埋地钢管的几何尺寸及力学性能均不断削减,出现不同震害状态的概率呈现不同幅度的升高;在其他条件相同的情况下,随着管径增大,出现不同震害状态的概率有一定程度的降低.     

重复荷载作用后栓钉连接件的剩余力学性能

为研究钢-混凝土组合结构中栓钉连接件在疲劳荷载作用后的力学性能退化规律,基于标准推出试验方法,对共计11个栓钉连接件的推出试件进行了三组试验,分别为推出试件的静载破坏试验、完全疲劳破坏试验以及经历一定疲劳荷载循环次数后的静载破坏试验.在得到栓钉推出试件的静力承载力和疲劳寿命的基础上,分析总结了不同疲劳荷载循环次数后的栓钉推出试件的抗剪承载力、抗剪刚度、延性等力学性能的变化情况,并建立了考虑力学性能退化的栓钉荷载-滑移本构模型.结果表明:(1)栓钉连接件在静载破坏、疲劳破坏以及疲劳后静载破坏下呈现三种不同的截面破坏特征;(2)疲劳荷载作用下,栓钉推出试件的各项剩余力学指标均呈非线性退化,退化趋势显著;(3)文中所建立的栓钉荷载-滑移本构模型,形式简单,便于应用,且计算值与试验值吻合良好.     

不同锈蚀程度下Q235钢框架梁恢复力模型研究

为研究不同锈蚀程度下Q235钢框架梁的力学性能,基于Q235钢框架梁抗震性能试验,通过对6根锈蚀程度不同钢框架梁试件的低周反复荷载试验,根据试验结果得到其滞回曲线、骨架曲线及刚度退化规律,分析试验数据得到不同锈蚀程度对钢框架梁抗震性能的影响.引入循环退化指数,拟合了具有累计损伤效应的特征点(屈服点、极限点、破坏点)公式,提出了适用于锈蚀钢框架梁的滞回规则,进而建立了考虑锈蚀作用的钢框架恢复力模型.其中3根试件进行模拟曲线与试验曲线的对比,另3根试件进行模拟曲线与有限元分析的对比,对比结果表明恢复力模型有较高的精度,吻合情况良好,所建恢复力模型可为不同锈蚀程度的钢框架梁分析提供理论依据,为钢框架梁在不同锈蚀程度下的弹塑性分析奠定了基础.