针对老化钢筋混凝土水闸结构抗震性能的分析方法

摘要

本发明公开了一种针对老化钢筋混凝土水闸结构抗震性能的分析方法，根据水闸闸室结构特点，建立了包含地基、水体、闸墩、闸底板、钢闸门、上部启闭机房结构以及钢筋的水闸闸室结构三维有限元模型，采用有限元数值模拟技术，考虑混凝土碳化和钢筋锈蚀的影响，对老化水闸结构进行了非线性地震动损伤分析，阐明了老化作用对水闸结构抗震性能的影响机制。本发明能较为准确和科学地反映出老化作用对水闸结构抗震性能的影响，填补现阶段既有老化水闸闸室结构抗震能力分析的空白。

说明书

技术领域

本发明涉及抗震安全分析，具体涉及一种针对老化钢筋混凝土水闸结构抗震性能的分析方法。

背景技术

水闸具有挡水、泄水的双重作用，在水利工程中应用十分广泛。大中型病险水闸均存在钢筋混凝土病害问题，且病害现象分布位置广泛、形式多样、起因复杂，严重影响水闸的承载能力和耐久性能，为水闸的正常运行埋下巨大安全隐患的同时，也带来了不菲的工程损失和修缮费用，必须引起高度重视。

钢筋混凝土病害是目前水闸中较为突出的问题之一，其中，混凝土碳化和钢筋锈蚀现象尤为普遍；同时，水闸的多次地震灾害表明，与其他水工建筑物相比，地震对水闸的破坏更为严重。因此，有必要对这两种病害现象的产生机理、发展规律，及其对地震作用下水闸结构承载能力和耐久性能的影响进行更为深入的研究。

目前，国内外学者对碳化混凝土和老化钢筋混凝土结构抗震性能进行了大量研究，但多集中于钢筋混凝土构件层次，小部分集中于桥梁和框架结构；此外，研究重点多在结构加固及其抗震性能评估，研究方法以模型试验为主，且大部分试验为锈蚀试件，锈蚀方法常采用电化学快速锈蚀。事实上，相对于桥梁和框架结构而言，水闸结构不仅形式复杂，而且经常处于干湿交替的运行环境中，混凝土碳化和钢筋锈蚀现象更为明显。但目前关于混凝土碳化和钢筋锈蚀作用对水闸结构抗震性能影响的相关研究还无人涉及，混凝土碳化和钢筋锈蚀作用对水闸结构抗震性能具体影响到何种程度也不得而知，而这恰恰是水闸管理部门和工程设计人员所关心的问题。

综上所述，现有的水闸结构抗震分析方法集中在钢筋混凝土构件层次，没有考虑混凝土碳化和钢筋锈蚀的影响，不适用于分析老化钢筋混凝土水闸结构抗震性能。

发明内容

发明目的：本发明的目的是提供一种针对老化钢筋混凝土水闸结构抗震性能的分析方法，解决现有分析方法未考虑混凝土碳化和钢筋锈蚀的影响，不能准确分析老化钢筋混凝土水闸结构抗震性能的问题。

技术方案：本发明所述的针对老化钢筋混凝土水闸结构抗震性能的分析方法，包括以下步骤：

(1)根据既有水闸闸室的结构尺寸和配筋情况，建立三维水闸闸室结构有限元模型，模型中包括地基、水体、闸底板、闸墩、钢闸门、公路桥、上部启闭机房结构和混凝土内钢筋；

(2)基于ADINA有限元分析，考虑无限地基辐射阻尼效应、混凝土动态损伤、钢筋混凝土的粘结滑移作用、水体和水闸结构的流固耦合作用、碳化以及锈蚀的影响，，，输入预设的材料参数、边界条件和不同荷载，对建立的模型进行非线性地震动损伤计算，得到地震荷载作用下不同碳化深度和不同锈蚀程度的闸室结构各部位的动力响应；

(3)基于步骤(2)的计算结果，选取位移、应力及损伤值最大的区域的特征点，

绘制特征点处位移、应力及损伤值随地震历时的变化曲线，曲线以地震历时为横轴，以位移响应、应力响应或损伤值为纵轴。

其中，所述步骤(1)中地基单元范围以闸底板上游、下游、左侧、右侧以及底部高程为准，分别向上游、下游、左岸、右岸以及竖直向下延伸2倍闸室高度，其中闸室高度为启闭机房顶部高程与闸底板底部高程之差。同时，为便于建立模型，上下游水体单元节点与闸墩和钢闸门节点共用；钢筋单元节点与混凝土单元节点不共用，采用插值形式进行计算，在单弹簧联结单元法中，根据如下公式计算钢筋节点的法向位移，具体公式如下：

式中，

所述步骤(2)中碳化混凝土的力学参数具体如下：

f

E

ε

式中，f

既有未碳化混凝土力学性能具体如下：

式中，E

碳化深度选择1cm、3cm、5cm、7cm以及全部碳化，对不同碳化深度有限元模型计算动力响应。

所述步骤(2)中锈蚀钢筋力学参数与锈蚀率ρ之间的关系具体如下：

当0＜ρ％≤5％时：

f

f

δ

ε

E

当ρ％＞5％时：

f

f

δ

ε

E

式中，E

锈后钢筋混凝土的粘结强度退化系数公式如下：

式中，ρ为钢筋锈蚀率(％)，β为锈后钢筋和混凝土之间的粘结强度降低系数；

钢筋锈蚀选择1％、3％、5％、7％以及10％，对不同钢筋锈蚀率有限元模型计算动力响应。

所述步骤(2)中混凝土采用四参数动态损伤本构模型，其破坏准则为

式中：ε

在地震荷载作用下，混凝土不可避免地存在软化段的卸载与重新加载过程，本次模拟中残余应变计算采用如下公式：

式中，ε

钢筋-混凝土间的相互作用通过基于混合坐标系的单弹簧联结单元法进行模拟，其中钢筋与混凝土之间的相互作用方程为

式中，Δu、Δu

采用势流体单元模拟地震作用下闸前后水体与闸墩和钢闸门之间的流固耦合作用，其控制方程如下：

式中，P代表动水压力，c为水中声波波速，

在水体和闸墩、闸底板以及钢闸门之间设置流固耦合边界，以此来模拟水体和钢闸门之间的能量传递，具体如下：

式中，n为流固耦合面上流体域的外法线方向；

基于标准设计反应谱采用三角级数展开的方法生成2条地震加速度时程曲线，并通过积分生成速度和位移时程曲线，计算过程中基于粘弹性人工边界条件，从地基底部垂直输入速度波和位移波。

所述步骤(4)中，用地震作用下闸室结构混凝土损伤区域截面面积占比大小判定闸室结构不同破坏水平，具体判定标准如下：

判别标准

有益效果：本发明针对目前既有老化水闸结构抗震能力分析中存在的问题，本发明根据水闸闸室结构特点和配筋情况，建立了包含地基、水体、闸墩、闸底板、钢闸门、上部启闭机房结构以及钢筋的水闸闸室结构三维有限元模型，采用有限元数值模拟技术，考虑混凝土碳化和钢筋锈蚀的影响，对老化水闸结构进行了非线性地震动损伤分析，阐明了老化作用对水闸结构抗震性能的影响机制，可较为准确和科学地反映出老化作用对水闸结构抗震性能的影响，填补现阶段既有老化水闸闸室结构抗震能力分析的空白。

附图说明

图1是浅孔闸中孔闸室结构混凝土碳化和钢筋锈蚀情况

图2是浅孔闸中孔闸室结构整体有限元模型；

图3是浅孔闸中孔闸室结构有限元模型；

图4是浅孔闸闸墩和闸底板有限元模型；

图5浅孔闸钢闸门有限元模型；

图6浅孔闸启闭机房有限元模型

图7是浅孔闸启闭机房排架柱内钢筋有限元模型有限元模型；

图8是浅孔闸检修平台有限元模型；

图9是浅孔闸公路桥有限元模型；

图10是浅孔闸钢闸门和闸前水体有限元模型；

图11是标准设计反应谱；

图12是x向加速度时程曲线；

图13是y向加速度时程曲线；

图14是x向速度时程曲线；

图15是y向速度时程曲线；

图16是x向位移时程曲线；

图17是y向位移时程曲线；

图18浅孔闸闸室结构特征点位置示意图；

图19是未碳化和碳化情况下特征点A处顺河向位移时程曲线对比情况；

图20是未碳化和碳化情况下特征点B处第一主应力时程曲线对比情况；

图21是未碳化和碳化情况下特征点B处损伤值时程曲线对比情况；

图22未碳化情况下闸室结构损伤示意图

图23全碳化情况下闸室结构损伤示意图

图24是未锈蚀和0％钢筋锈蚀率情况下特征点A处顺河向位移时程曲线对比情况；

图25是未锈蚀和0％钢筋锈蚀率情况下特征点B处第一主应力时程曲线对比情况；

图26是未锈蚀和0％钢筋锈蚀率情况下特征点B处损伤值时程曲线对比情况；

图27未锈蚀情况下闸室结构损伤示意图；

图28 10％钢筋锈蚀率情况下闸室结构损伤示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实例对本发明进行进一步说明。

某枢纽浅孔闸工程共22孔，每孔净宽4.2m，高8.2m，闸底板顶面高程22.49m，闸墩采用C25钢筋混凝土，闸墩分缝，两孔一联，边墩厚度0.7m，中闸墩厚度1.0m，闸墩底部加贴角。经过长时间运行，枢纽工程排架柱混凝土碳化严重和钢筋锈蚀现行严重，具体如附图1所示。

本次计算主要对中孔一联闸室结构进行非线性地震动损伤分析。根据浅孔闸结构特点，建立包括地基、水体、闸底板、闸墩、钢闸门、公路桥、检修平台、上部启闭机房以及钢筋的三维有限元模型，具体模型如说明书附图2-附图10所示。其中，地基单元范围以闸底板上游、下游、左侧、右侧以及底部高程为准，分别向上游、下游、左岸、右岸以及竖直向下延伸2倍闸室高度，其中闸室高度为启闭机房顶部高程与闸底板底部高程之差。同时，为便于建立模型，上下游水体单元节点与闸墩和钢闸门节点共用；钢筋单元节点与混凝土单元节点不共用，采用插值形式进行计算，在单弹簧联结单元法中，根据如下公式计算钢筋节点的法向位移，具体公式如下：

式中，

本次采用的碳化混凝土力学参数具体如下：

f

E

ε

式中，f

既有未碳化混凝土力学性能具体如下：

式中，E

本次采用的锈蚀钢筋力学参数与锈蚀率ρ之间关系具体如下：

当0＜ρ％≤5％时：

f

f

δ

ε

E

当ρ％＞5％时：

f

f

δ

ε

E

式中，E

锈后钢筋混凝土的粘结强度退化系数公式如下：

式中，ρ为钢筋锈蚀率(％)，β为锈后钢筋和混凝土之间的粘结强度降低系数。

本次计算过程中混凝土采用四参数动态损伤本构模型，其破坏准则为：

式中：ε

在地震荷载作用下，混凝土不可避免地存在软化段的卸载与重新加载过程，本次模拟中残余应变计算采用如下公式：

式中，ε

钢筋-混凝土间的相互作用通过基于混合坐标系的单弹簧联结单元法进行模拟，其中钢筋与混凝土之间的相互作用方程为

式中，Δu、Δu

采用势流体单元模拟地震作用下闸前后水体与闸墩和钢闸门之间的流固耦合作用，其控制方程如下：

式中，P代表动水压力，c为水中声波波速，

在水体和闸墩、闸底板以及钢闸门之间设置流固耦合边界，以此来模拟水体和钢闸门之间的能量传递，具体如下：

式中，n为流固耦合面上流体域的外法线方向；

浅孔闸中孔闸室结构正常蓄水位工况下闸前闸后水位如表1所示。

表1浅孔闸闸室结构闸前后水深表

浅孔闸中孔闸室结构材料参数见表2所示。

表2浅孔闸闸室结构混凝土材料参数

需要指出，根据《水工建筑物抗震设计标准》(GB 51247-2018)，混凝土材料弹模在静弹模的基础上提高50％，混凝土动态抗压强度标准值较静态抗压强度标准值提高20％，混凝土动态抗拉强度标准值取动态抗压强度标准值的10％。另外，本次数值模拟计算过程中水体密度为1000kg/m

由《中国地震动参数区划图》(GB18306-2015)可知，该浅孔闸枢纽工程地区地震设防烈度为VIII度，本工程地基反应谱特征周期T

附图11为本次计算所采用的设计反应谱示意图，按此设计反应谱采用三角级数展开的方法生成2条地震加速度时程，2条地震加速度时程曲线如附图12-13所示，速度和位移时程曲线分别如附图14-15和附图16-17所示，计算过程中基于粘弹性人工边界条件，从地基底部垂直输入速度波和位移波。

基于上述材料参数和荷载参数，对浅孔闸闸室结构进行了非线性地震动损伤分析。为了便于分析钢筋混凝土闸室结构地震作用下的位移、加速度、应力以及损伤分布等响应结果，在该浅孔闸闸室结构选取一定数量的特征点，特征点位置如附图18所示。

同时，在现场检测过程中，发现浅孔闸排架柱混凝土碳化严重，经检测碳化深度已达到5cm。考虑最不利工况，假设混凝土全部发生碳化，探究混凝土碳化对涡河枢纽工程浅孔闸闸室结构抗震性能的影响。附图19给出了混凝土全碳化情况和混凝土未碳化情况下浅孔闸闸室结构特征点A处横河向位移计算结果对比情况。由图可知，混凝土全碳化情况下特征点A处横河向位移震荡频率及最值均较混凝土未碳化情况偏大，这主要是由于碳化混凝土较未碳化混凝土弹性模量提高60％所致。

附图20给出了混凝土全碳化情况和混凝土未碳化情况下浅孔闸闸室结构特征点B处第一主应力计算结果对比情况。可以看出，受混凝土碳化的影响，地震作用下，4s以后特征点B处第一主应力开始出现一定较大程度的偏差，其中，混凝土全碳化情况下计算结果较未碳化情况计算结果偏大，特别是4.86s、5.58s、6.31s以及7.74s，混凝土全碳化情况下特征点B处第一主应力出现了明显的增大。

附图21给出了不同方法计算下浅孔闸闸室结构特征点B处损伤计算结果对比情况。可以看出，地震作用下未碳化混凝土结构在3s处开始出现损伤，混凝土全碳化情况下特征点B处4.86s开始出现损伤，特征点B处开始出现损伤的时间相对滞后，这主要是因为碳化混凝土弹性模量和抗压强度均提高了60％，相应的混凝土动态抗拉强度也得到提高。另外，结合特征点B处第一主应力对比情况可知，混凝土全碳化情况下特征点B处第一主应力在4.86至7.74s之间出现若干次较大主应力峰值，这些主应力峰值一方面导致混凝土损伤数值不断累加，另一方面又不断降低该处混凝土的承载能力。因此，随着地震荷载的持续，全碳化混凝土情况下特征点B处最终损伤值较未碳化情况计算结果偏大。

为了更进一步突出混凝土碳化对水闸闸室结构抗震性能的影响，附图22-23给出了地震末阶段闸室结构整体损伤情况。可以看出，受混凝土碳化的影响，虽然全碳化混凝土工况下闸室结构损伤区域未发生明显变化，但损伤区域最大损伤值较未碳化情况计算结果明显偏大。

综上所示，地震作用下混凝土碳化增大了混凝土的弹性模量，使闸室结构整体刚度增大，随着碳化深度的增加，闸室结构的整体抗震性能逐步降低，闸室结构发生地震损伤破坏的可能逐渐增大，在工程实际中要采取相应处理措施尽量避免混凝土碳化现象发生。

为了判定混凝土全碳化情况下闸室结构破坏水平，根据图22-23地震末阶段闸室结构整体损伤情况，得到地震结束时混凝土全碳化情况下启闭机房结构混凝土排架柱横截面损伤区域截面面积占比为53％，而混凝土未碳化情况下启闭机房结构混凝土排架柱横截面损伤区域截面面积占比为36％。

基于上述计算结果，结合提出的判别标准，可知地震中作用下混凝土全碳化时破坏水平为中等破坏，而混凝土未碳化时破坏水平为一般破坏。具体判别标准如下：

判别标准

另外，在现场检测过程中，发现浅孔闸排架柱钢筋锈蚀严重，经检测锈蚀率达到了10％。附图24给出了10％钢筋锈蚀情况和钢筋未锈蚀情况下浅孔闸闸室结构特征点A处横河向位移计算结果对比情况。由图可知，地震作用下，10s前10％钢筋锈蚀情况和钢筋未锈蚀情况下计算结果基本一致，10s以后二者位移出现一定程度的偏差，10％钢筋锈蚀情况计算结果较钢筋未锈蚀情况计算结果偏大，这主要是受钢筋锈蚀的影响，10s以后闸室结构出现了一定程度的损伤破坏，导致顶部排架柱结构位移偏大。

附图25给出了10％钢筋锈蚀情况和钢筋未锈蚀情况下浅孔闸闸室结构特征点B处第一主应力计算结果对比情况。可以看出，受钢筋锈蚀的影响，地震作用下，7s以后特征点B处第一主应力开始出现一定程度的偏差，其中，10％钢筋锈蚀情况计算结果较钢筋未锈蚀情况计算结果偏大，特别是8s和10s时，10％钢筋锈蚀情况下特征点B处第一主应力出现了明显的增大。

附图26给出了10％钢筋锈蚀情况和钢筋未锈蚀情况下浅孔闸闸室结构特征点B处损伤计算结果对比情况。可以看出，地震作用下，7s前10％钢筋锈蚀情况和钢筋未锈蚀情况下特征点B处损伤计算结果基本一致，7s以后二者损伤计算结果开始出现一定程度的偏差，且钢筋锈蚀情况损伤计算结果较钢筋未锈蚀情况下计算结果逐渐偏大，这主要是因为7s、8s和10s时两种工况下第一主应力出现了偏差，导致损伤计算结果出现差异。

为了更进一步突出钢筋锈蚀对水闸闸室结构抗震性能的影响，附图27-28给出了地震末阶段闸室结构整体损伤情况，可以看出，受钢筋锈蚀的影响，10％锈蚀情况下闸室结构损伤区域偏大，且最大损伤数值也较未锈蚀情况计算结果偏大。

综上所示，钢筋锈蚀降低了钢筋材料的力学性能和与混凝土之间的粘结滑移作用，地震作用下，随着钢筋锈蚀率的增加，闸室结构的整体抗震性能逐渐降低，闸室结构发生地震损伤破坏的可能逐渐增大，在工程实际中需尽量避免钢筋锈蚀现象。

为了判定10％锈蚀情况下闸室结构破坏水平，根据图27-28地震末阶段闸室结构整体损伤情况，得到地震结束时10％锈蚀情况下启闭机房结构混凝土排架柱横截面损伤区域截面面积占比为47％，而钢筋未锈蚀情况下启闭机房结构混凝土排架柱横截面损伤区域截面面积占比为36％。

基于上述计算结果，结合提出的判别标准，可知地震中作用下10％锈蚀时破坏水平为中等破坏，而未锈蚀时破坏水平为一般破坏。