摘要
服役钢筋混凝土(RC)柱在氯盐侵蚀环境等恶劣条件下，会使结构中钢筋产生不同程度的锈蚀，大大降低了RC柱的承载能力。钢筋锈蚀会导致钢筋截面面积减小和屈服强度降低，尤其削弱了箍筋对结构的约束作用。此外，由于钢筋锈蚀过程中产生的锈蚀产物会导致混凝土保护层开裂破坏，降低结构的有效面积并进一步加剧锈蚀程度。因此，需要就钢筋锈蚀对RC柱轴压性能的影响及如何进行有效的加固等问题展开研究。本文在调研国内外现有RC柱加固方法的基础上，提出采用超高强度和超强耐久性的新型纤维增强混凝土复合材料——超高性能混凝土(UHPC)进行加固。由于RC柱在结构中主要承受竖向荷载，以锈蚀RC柱和UHPC加固后各自的轴压性能为研究对象，采用理论分析、试验与有限元相结合的技术路线，重点展开了钢筋锈蚀劣化混凝土柱轴压性能、UHPC加固锈蚀柱增强轴压性能等方面的研究。主要研究工作及结论如下: 1.基于RC柱轴压承载力模型和钢筋锈蚀机理剖析，明晰了纵筋与箍筋共同锈蚀的RC柱性能劣化机理，从截面面积和应力两个方面，针对其锈蚀后的承载力提出了考虑纵筋屈曲问题的修正模型;在UHPC加固模型中，基于普通混凝土增大截面法与FRP加固等模型，引入了原构件混凝土强度提高系数和UHPC强度利用程度系数两项系数。研究结果表明，锈蚀RC柱轴压承载力模型可以充分考虑锈蚀导致承载力降低的原因，UHPC加固柱模型也给出了分项系数的计算方法和取值范围，两个模型可以准确的计算锈蚀柱与加固柱的极限承载力，误差均在7％以内。 2.开展了8根不同锈蚀率的锈蚀RC柱和10根不同锈蚀率的UHPC-RC加固柱平行对比轴压试验，研究了锈蚀率和UHPC加固层等因素对混凝土柱轴压性能的影响。研究结果表明，钢筋锈蚀会明显劣化混凝土柱的轴压性能，文中的试件随着锈蚀率的增大，极限承载力降幅达20％;也证明UHPC加固法是一种有效的加固方法，能大幅度的提高锈蚀柱的极限承载力、峰值应变、开裂荷载及延性，设计的加固柱极限承载力的增幅均在119％以上。 3.利用ANSYS非线性有限元分析软件，针对试验柱的理论极限承载力、混凝土应力云图等关键力学参数进行了数值模拟分析，并将模拟结果与试验结果、公式计算结果进行对比。结果表明，ANSYS非线性有限元分析可以有效地模拟柱的实际情况，既验证了有限元模型的可靠性，又验证了理论模型的可行性，三组结果误差不超过7％。此外，确定了薄层加固尺寸的合理取值范围，即建议加固层厚度大于20mm，加固层面积与原结构面积之比小于0.5。 本文研究成果可为UHPC加固锈蚀损伤的RC柱提供理论和试验借鉴。
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