海洋环境下混凝土结构性能退化规律的数值模拟

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处于海洋环境中的混凝土结构往往遭受到氯离子、硫酸根离子等无机盐离子的侵蚀,这些离子能够侵入混凝土内部,进而与混凝土和钢筋材料发生一系列的物理化学反应,结构服役一段时间后,其耐久性和承载能力会有所降低,因此,必须对海洋环境中混凝土结构的性能演化过程有明确的认识,有必要通过数值模拟手段预测可能存在的风险。本文基于海洋环境中钢筋混凝土材料的劣化规律,建立了混凝土和钢筋的损伤模型,并基于Open Sees有限元分析软件建立了受海水侵蚀的混凝土构件模型,利用Pushover和动力时程分析方法计算了混凝土结构的地震响应,深入探讨了海洋环境中混凝土结构的性能退化及其原因,内容总括如下:(1)描述了基于推覆(Pushover)分析的能力谱方法求解结构位移响应的计算步骤;给出了增量动力分析(IDA)的演算过程,以及在IDA结果基础上进行结构易损性分析的具体方法,通过编制相应的MATLAB程序,实现了地震响应数据后处理的自动化计算。(2)基于硫酸根离子和氯离子在混凝土中的扩散传输规律,采用MATLAB数值求解了二者在混凝土内的时空分布规律。通过蚀强率系数建立了构件截面上混凝土力学性能和硫酸根离子浓度的关系;根据钢筋在氯离子侵蚀下的锈蚀发展特征,模拟了钢筋剩余截面面积随服役时间变化的函数。(3)在Open Sees有限元分析软件中建立了受侵蚀的混凝土柱的分析模型,该模型能够模拟海洋环境中混凝土构件由外向内损伤程度减轻的特点,以及钢筋材料性能随时间演变的规律,对柱构件在不同工况下的性能表现进行分析,考察了侵蚀后构件抗压、抗弯承载力和对应刚度、弹塑性变形能力以及滞回性能等力学特性的变化。(4)以某一底层浸没于海水中的五层混凝土平面框架为例,采用时程分析方法对结构在地震中构件端部塑性铰的形成过程进行了分析,重点考察了服役0-50年这一时间段内结构构件屈服的情况,并基于上述结果,结合Pushover方法和时程分析方法,对结构的位移响应、层间位移响应的演变进行了计算和分析。(5)按一定的选波规则选取了10条地震动记录,以地震峰值加速度(PGA)作为地震动强度指标,以层间位移角作为结构损伤指标,对某一底层浸没于海水中的七层混凝土空间框架进行了增量动力分析,分析了结构在不同服役时间、不同强度地震作用时的性能表现,并在此基础上拟合了结构在各服役时间节点的结构响应-地震强度回归模型,获取了结构的易损性曲线和易损性矩阵,从概率角度对结构的抗震性能作出评估。
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