地震与腐蚀作用下钢筋混凝土框架结构动力响应分析

论文摘要

钢筋混凝土结构在现在以及今后都将是一种重要的建筑,世界上大量的混凝土结构由于环境荷载作用、疲劳效应、腐蚀作用,都面临不同程度的破坏甚至倒塌的危险,给国民经济及人民的生命财产造成巨大的损失。腐蚀对钢筋混凝土框架结构的抗震能力影响非常明显,腐蚀作用不仅使混凝土密度增大,还会降低钢筋混凝土的粘结力,钢筋锈蚀膨胀,混凝土胀裂,使得结构自振周期增大,抗震性能下降。因此,分析钢筋混凝土结构在腐蚀与地震作用下的动力响应,对腐蚀结构抗震性能的准确评估具有重要意义。本课题从以下几方面进行了研究:首先,根据混凝土腐蚀机理,从钢筋和混凝土的力学性能及二者的粘结关系的变化分析了腐蚀对钢筋混凝土结构承载力的影响。在微观上,根据温度膨胀环原理,对一个经受现场腐蚀的钢筋混凝土柱子进行了钢筋锈蚀的数值分析,得出了混凝土应力和损伤随着钢筋锈蚀发展的变化过程。其次,通过现场腐蚀实验数据得到混凝土与钢筋的劣化规律,选用实体单元建立了单层钢筋混凝土钢筋混凝土框架结构的有限元模型,并对其进行了地震响应时程分析。为了研究腐蚀作用对结构抗震性能的影响,本文根据试验数据得到混凝土的应力应变关系,分析了不同腐蚀条件下结构的自振频率的变化,并比较了地震作用下不同腐蚀条件下结构加速度、位移、应力和损伤结果。再次,研究了用实体单元模拟钢筋混凝土框架结构地震响应的有效性。课题分别用ABAQUS和ANSYS对一个十二层钢筋混凝土框架结构的地震响应进行了数值模拟,并根据数值模拟结果与实测数据,对两种软件的模拟效果作了评价。通过模态分析,比较了两种软件所得的结构前十阶自振频率和振型;通过时程分析,得到了结构各层的位移与加速度响应,并与振动台实测数据进行了比较。最后是结论,从宏观和微观上说明了腐蚀对钢筋混凝土混凝土构件的影响,指出了腐蚀是如何影响结构的抗震性能的。同时,分析比较了用实体单元分析钢筋混凝土结构地震响应优点和不足。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题的来源及背景
• 1.2 本课题研究的目的及意义
• 1.3 腐蚀作用下混凝土结构力学性能研究现状
• 1.3.1 腐蚀作用下钢筋混凝土结构力学性能退化
• 1.3.2 钢筋混凝土结构腐蚀试验研究现状
• 1.3.3 钢筋混凝土结构腐蚀作用的有限元研究现状
• 1.4 主要研究内容
• 第2章 腐蚀作用下钢筋混凝土结构力学性能
• 2.1 引言
• 2.2 钢筋锈蚀机理
• 2.2.1 混凝土碳化
• 2.2.2 氯离子的侵蚀
• 2.3 钢筋锈蚀后混凝土梁承载力计算
• 2.3.1 承载力计算方法
• 2.3.2 试验验证
• 2.4 锈蚀混凝钢筋混凝土有限元模拟
• 2.4.1 混凝土单轴抗压应力-应变关系
• 2.4.2 混凝土受拉应力-应变关系
• 2.4.3 锈蚀钢筋混凝土梁荷载位移关系
• 2.4.4 混凝土中钢筋锈蚀过程
• 2.4.5 钢筋锈蚀有限元模拟
• 2.5 本章小结
• 第3章 腐蚀作用下钢筋混凝土框架数值模拟
• 3.1 前言
• 3.2 钢筋混凝土结构现场腐蚀试验
• 3.2.1 混凝土强度劣化试验
• 3.2.2 混凝土强度劣化
• 3.3 数值模拟有限元模型及力学参数
• 3.3.1 模型几何参数
• 3.3.2 锈蚀钢筋截面损失率的确定
• 3.3.3 模型力学参数
• 3.3.4 钢筋混凝土有限元模型
• 3.4 地震波输入选择
• 3.5 腐蚀作用下钢筋混凝土结构地震响应分析
• 3.6 本章小结
• 第4章 高层钢筋混凝土框架地震响应分析
• 4.1 引言
• 4.2 试验概况
• 4.3 框架结构有限元模型
• 4.3.1 ANSYS有限元模型
• 4.3.2 ABAQUS有限元模型
• 4.4 模态分析
• 4.5 地震响应时程分析
• 4.6 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 致谢