针对老化钢筋混凝土水闸结构抗震性能的分析方法技术

本发明专利技术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。本发明专利技术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。构抗震能力分析的空白。构抗震能力分析的空白。

【技术实现步骤摘要】
针对老化钢筋混凝土水闸结构抗震性能的分析方法


[0001]本专利技术涉及抗震安全分析，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。

技术介绍

[0002]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。
[0003]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。
[0004]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。<br/>[0005]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。

技术实现思路

[0006]专利技术目的：本专利技术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。
[0007]技术方案：本专利技术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：
[0008](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；
[0009](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；
[0010](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，
[0011]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。
[0012]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：
[0013][0014]式中，为局部坐标系下钢筋节点第i维的位移值；n为模型维数；r
ij
为插值系数，即坐标转换矩阵元素；u
j
为整体坐标系下混凝土节点第j维的位移值。
[0015]所述步骤(2)中碳化混凝土的力学参数具体如下：
[0016]f
c
＝1.6f
c0
[0017]E
c
＝1.6E
c0
[0018]ε
c
＝0.7ε
c0
[0019]式中，f
c
、E
c
、ε
c
分别为碳化混凝土的抗压强度、弹性模量、极限应变，f
c0
、E
c0
、ε
c0
分别为完全未碳化混凝土的抗压强度、弹性模量、极限应变；
[0020]既有未碳化混凝土力学性能具体如下：
[0021][0022][0023]式中，E
t
、β
d
为既有未碳化混凝土的弹性模量、延性比；E0为同强度新混凝土的弹性模量；t为既有未碳化混凝土的使用年限；
[0024]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。
[0025]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：
[0026]当0＜ρ％≤5％时：
[0027]f
y,c
＝f
y0
(1
‑
0.029ρ)
[0028]f
u,c
＝f
u0
(1
‑
0.026ρ)
[0029]δ
s,c
＝δ
s0
(1
‑
0.0575ρ)
[0030]ε
y,c
＝ε
y0
(1
‑
0.0575ρ)
[0031]E
u,c
＝E
u0
(1
‑
0.052ρ)
[0032]当ρ％＞5％时：
[0033]f
y,c
＝f
y0
(1.175
‑
0.064ρ)
[0034]f
u,c
＝f
u0
(1.18
‑
0.062ρ)
[0035]δ
s,c
＝δ
s0
(1
‑
0.0575ρ)
[0036]ε
y,c
＝ε
y0
(1
‑
0.0575ρ)
[0037]E
u,c
＝E
u0
(0.895
‑
0.031ρ)
[0038]式中，E
u,c
，f
y,c
，f
u,c
，δ
s,c
，ε
y,c
分别为锈蚀钢筋的名义弹性模量、屈服强度、极限强度、伸长率和极限应变；E
u0
，f
y0
，f
u0
，δ
s0
，ε
y0
分别为未锈蚀钢筋的弹性模量、屈服强度、极限强度、伸长率和极限应变；...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种针对老化钢筋混凝土水闸结构抗震性能的分析方法，其特征在于，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、混凝土碳化以及钢筋锈蚀的影响，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混凝土碳化深度和不同钢筋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，绘制不同混凝土碳化深度和不同钢筋锈蚀程度下特征点处位移、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。(4)根据不同混凝土碳化深度和不同钢筋锈蚀程度下闸室结构损伤值随地震历时的变化曲线，确定损伤区域截面面积占比，依据损伤区域截面面积占比判定老化水闸结构破坏水平。2.根据权利要求1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，，其特征在于，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，为局部坐标系下钢筋节点第i维的位移值；n为模型维数；r
ij
为插值系数，即坐标转换矩阵元素；u
j
为整体坐标系下混凝土节点第j维的位移值。3.根据权利要求1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，其特征在于，所述步骤(2)中碳化混凝土的力学参数具体如下：f
c
＝1.6f
c0
E
c
＝1.6E
c0
ε
c
＝0.7ε
c0
式中，f
c
、E
c
、ε
c
分别为碳化混凝土的抗压强度、弹性模量、极限应变，f
c0
、E
c0
、ε
c0
分别为完全未碳化混凝土的抗压强度、弹性模量、极限应变；既有未碳化混凝土力学性能具体如下：既有未碳化混凝土力学性能具体如下：式中，E
t
、β
d
为既有未碳化混凝土的弹性模量、延性比；E0为同强度新混凝土的弹性模量；t为既有未碳化混凝土的使用年限；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。4.根据权利要求1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，其特征在于，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
y,c
＝f
y0
(1
‑
0.029ρ)f
u,c
＝f
u0
(1
‑
0.026ρ)δ
s,c
＝v
s0
(1
‑
0.0575ρ)ε
y,c
＝ε
y0
(1
‑
0.0575ρ)E
u,c
＝E
u0
(1
‑
0.052ρ)当ρ％＞5％时：f
y,c
＝f
y0
(1.175
‑
0.064ρ)f
u,c

【专利技术属性】
技术研发人员：程诚，郭博文，张春林，宋力，锁雷，范冰，马奥，常芳芳，何源，王韵哲，高玉琴，施佳琦，李桐，朱升，孙峰辉，王程，余元宝，校永志，杨志刚，汪德华，查阳光，
申请(专利权)人：王家坝闸管理处，
类型：发明
国别省市：