柱中钢筋腐蚀对钢筋混凝土冷却塔破坏机理及抗震易损性演变的影响

《Engineering Structures》：Impact of rebar corrosion in columns on failure mechanisms and seismic fragility evolution of RC cooling towers

　　

摘要

本研究系统性地探讨了纵筋锈蚀对钢筋混凝土冷却塔破坏机制和抗震易损性的影响，特别关注了柱构件材料退化的空间变异性。采用一种改进的数值模型，该模型纳入了锈蚀引起的柱行为退化，分别评估了均匀和随机场景下的地震响应。通过非线性时程分析考察了多种损伤状态下的破坏模式、内力响应和易损性。结果表明，壳体变形通过环形梁传递，导致垂直于地震方向的柱构件发生过早的受压破坏，随后在荷载重新分配的作用下发生渐进式破坏。钢筋锈蚀显著降低了柱的承载能力，导致地震破坏更早发生且范围更广。未锈蚀柱的内力呈现规律性的空间变化，受柱倾斜角度和环形梁约束控制，在强地震激励下30°、90°和135°方向处出现内力放大。均匀锈蚀加剧了局部应力集中，而材料属性的空间变异性促进了力的重新分配，导致应力集中减轻但受压主导的破坏增加。易损性分析表明，随机材料属性在0.5 g峰值地面加速度下超越概率提高54.14%至222.77%，中位PGA值比均匀假设降低70%至80%。这些趋势与锈蚀引起的内力重分配机制一致，解释了概率评估中观测到的脆弱性增加。研究结果表明，均匀模型会低估抗震风险，可能导致不保守的评估。总体而言，本研究强调了在腐蚀性环境中老化的钢筋混凝土冷却塔时变抗震易损性评估中纳入空间变异性的重要性。所提出的方法改进了可靠性评估，为退化信息驱动的设计和韧性评估提供了基础。

引言

沿海地区的钢筋混凝土结构容易受到海盐气溶胶中氯离子侵入的影响，导致钢筋随时间发生锈蚀[1-6]。锈蚀削弱结构的承载和耗能能力，增加了地震期间关键构件脆性破坏的风险，从而提高了倒塌风险[7-10]。随着经济活动和海上贸易的增长，大量电力基础设施（包括钢筋混凝土冷却塔）已建在高地震活动区的沿海地区[11]。经过长期使用后，这些冷却塔经常发生钢筋锈蚀[11-16]，危及电网运行安全。因此，近年来准确评估沿海环境中锈蚀冷却塔的抗震性能对于保障可靠供电和维持经济功能变得至关重要。

过去几十年间，针对冷却塔的研究已从理论和力学分析[17-19]发展到非线性数值模拟[20,21]和缩尺振动台试验[22,23]。研究范围也从承载力分析[19,22]扩展到地震响应预测[11,24-26]，进一步发展到考虑地面运动不确定性的抗震易损性评估[27,28]，促进了对钢筋混凝土冷却塔结构性能的全面理解。研究表明，冷却塔的支撑柱是抗震薄弱构件，其应力显著高于壳体[11]。在强震作用下，柱的破坏概率远高于壳体。然而，现有研究主要关注未锈蚀结构，忽视了长期环境暴露引起的锈蚀。现场检测[11,29,30]揭示，沿海地区冷却塔在使用10至15年后，柱中普遍出现钢筋锈蚀，箍筋最大锈蚀程度可达0.118，且这些退化指标随时间加剧。在工程实践中，环境作用和由此产生的钢筋锈蚀表现出显著的空间变异性，不同柱之间的锈蚀程度以及壳体构件各区域的锈蚀程度均不相同。Jiang等人[31-33]发现，钢筋混凝土柱中不均匀的钢筋锈蚀导致不同主轴方向弯曲刚度不对称降低，引起弯矩重分配和潜在破坏模式改变。近期研究[23,34-36]进一步证明，钢筋混凝土柱的锈蚀显著改变结构损伤模式和响应特征，材料属性的固有随机性在倒塌风险评估中起着不可忽视的作用。然而，对于结构尺度分析，特别是对于具有空间分布柱的冷却塔，目前尚不清楚纳入柱内随机性能是否会影响破坏机制和抗震易损性演化，这代表了当前研究的一个空白。

因此，对长期服役冷却塔的全面抗震评估必须考虑柱锈蚀如何改变结构性能，包括其破坏机制和整体抗震易损性。该分析为制定延寿和抗震加固策略提供了关键理论基础。本研究将15条天然地面运动记录缩放，生成60条地震输入。考虑四个服役年限，共进行了480次非线性时程分析，以研究均匀和随机两种场景下柱的破坏机制和抗震易损性演化。

小节摘要

数值模型开发

本研究调查了一座位于中国东营的105米高钢筋混凝土双曲冷却塔的地震响应和易损性演化，该塔建于1992年。该结构顶部半径为23.32 m，喉部半径为20.63 m，下环梁半径为36.58 m（图1）。壳体厚度沿竖向变化，采用正交布置的双层钢筋系统加强，包括内外层的环向和经向钢筋。

纵筋锈蚀引起退化的空间变异性建模

现有研究已表明，箍筋锈蚀不仅会降低抗震行为，还会引发短柱破坏模式的转变[34,36,42]。然而，本研究的柱具有高长细比15.27，在较高剪跨比下更易发生弯曲破坏[43]，其中纵筋在承载能力中起主导作用[32,33]。冷却塔原型遵循典型钢筋构造做法。

地面运动记录选择

现有研究表明，选择10至20条合适的地震运动时程记录可以充分覆盖地震运动的主要随机特征，在计算效率和概率可靠性之间取得平衡[34,49-51]。本研究从PEER NGA-West2数据库[52]中选择15条地面运动记录用于冷却塔动力时程分析。所选地面运动的峰值地面加速度范围为0.15 g至……

冷却塔柱破坏模式演化

钢筋混凝土柱的破坏模式通常分为四种类型：受压破坏、弯曲破坏、弯剪破坏和剪切破坏，每种类型由不同的材料行为主导[59-61]。混凝土压碎标志着破坏的起始（约0.0032 [62]），破坏类型由纵筋和箍筋的同时屈服决定，如图6所示。分类破坏模式的具体准则为达到混凝土极限抗压……

冷却塔柱截面内力和弯矩

为进一步阐明柱群内部的力重分配情况，考虑到结构的轴对称性，提取了1至40号柱（0°至180°；图3(a)）的内力和弯矩进行分析。图11展示了在15条地面运动记录下时程分析得到的未锈蚀柱最大截面合力和截面合力弯矩的平均值。AFT和AMT分别表示截面合力最大值的平均……

抗震易损性方法论

抗震易损性分析是性能抗震工程框架中评估结构损坏概率的综合方法。具体来说，易损性定义为在给定地震强度下，结构达到某一损伤水平或经历特定形式损伤的概率，即地震需求超过结构承载力的概率，数学表达如下：

PF = P[SD ≥ SC | IM]

其中PF为……

结论

本研究探讨了钢筋混凝土冷却塔锈蚀引起的破坏机制和抗震易损性，明确纳入了柱材料退化的空间变异性。主要结论总结如下：

(1) 壳体变形通过环形梁约束在垂直于地震方向的柱中产生附加压力，导致过早破坏，而向内变形则减小了沿地震方向柱的轴向需求。

作者贡献声明

Nai-Hao Zheng：初稿撰写、可视化、软件、调研、形式化分析。Wei-Ping Zhang：审阅与编辑、监督、资金获取、概念构思。Yong Zhou：审阅与编辑、方法论。Fei Cai：方法论。Yang Liu：方法论。

利益冲突声明

作者声明不存在可能影响本文报告工作的已知竞争性经济利益或个人关系。

致谢

本研究工作得到了国家自然科学基金（51878486）的资助。作者对这些财务支持表示感谢。

Nai-Hao Zheng | Wei-Ping Zhang | Yong Zhou | Fei Cai | Yang Liu

同济大学 工程结构性能演化与控制教育部重点实验室，上海市四平路1239号，邮编200092