钢筋混凝土桥梁的钢筋锈蚀与疲劳耦合损伤

钢筋混凝土桥梁在运营过程中同时承受环境侵蚀作用和荷载疲劳作用,导致承载力衰变.通过对钢筋混凝土梁的钢筋锈蚀损伤和疲劳损伤过程的相互影响分析,建立了钢筋锈蚀与疲劳损伤耦合效应下的钢筋截面综合损伤计算模型.对空心板梁的计算分析表明,锈蚀作用造成钢筋疲劳寿命显著减小.因此,钢筋截面综合损伤计算模型可为钢筋混凝土桥梁结构时变承载力评价提供依据.     

锈蚀钢筋混凝土柱承载力退化机理

为研究锈蚀钢筋混凝土柱的承载力退化机理,利用约束混凝土柱的受力特征,引入钢筋锈蚀参数,充分考虑锈蚀后混凝土截面损伤情况和受压纵筋屈曲行为,建立了箍筋锈蚀混凝土柱承载力模型,并与箍筋锈蚀混凝土柱承载力试验结果进行对比。结果表明:混凝土柱峰值应力随着箍筋锈蚀率增大有较大幅度减小,应变值略有升高,但受影响程度较小;箍筋约束能够提高混凝土核心区的承载力,约束效果随锈蚀率的升高而减弱;箍筋锈胀导致的混凝土保护层裂缝和截面损伤是承载力下降的主要原因,而非锈蚀率;对比试验结果,模型能够较准确计算承载力。     

腐蚀与荷载耦合作用下混凝土柱徐变机理研究

为了研究腐蚀与荷载耦合作用下钢筋混凝土柱的徐变行为,分别对轴压、小偏压和大偏压3种受力状态的钢筋混凝土柱进行了腐蚀与荷载共同作用下的长期性能试验,并结合试验提出了不同钢筋锈蚀状况下的理论徐变修正模型.研究结果表明：钢筋混凝土柱在相同受力状态下,当钢筋轻度腐蚀时的混凝土徐变略低于未锈蚀试件;当钢筋为重度腐蚀时,相较于未锈蚀试件,混凝土徐变出现了较大增长;经验证,实测值与模型理论值吻合较好.     

钢筋锈蚀作用下盾构隧道结构损伤劣化性能

在长期的水土荷载和侵蚀性物质联合作用下,盾构隧道钢筋混凝土衬砌结构会经历腐蚀-损伤-劣化过程而逐渐失效,导致服役性能大幅降低。本文引入内聚力模型（CZM）及混凝土塑性损伤模型（CDP）,建立考虑钢筋混凝土间粘结滑移的盾构隧道衬砌锈蚀三维数值模型。综合考虑钢筋锈蚀引起的自身力学劣化、混凝土有效截面损失及钢筋混凝土粘结性能退化等因素,分析了围岩水土荷载和钢筋锈蚀耦合作用下衬砌结构形变、损伤演变规律和整体结构劣化特征。研究表明：1）锈蚀作用导致衬砌结构刚度降低,大大加深了衬砌结构的变形程度。锈蚀造成衬砌结构不同部位的刚度损失不同,反映了锈蚀作用下衬砌结构损伤的差异性。2）衬砌结构的围岩侧与临空侧损伤差异较大。相同锈蚀率下,衬砌受压侧受到挤压作用,限制裂缝的发展,导致受压侧损伤很小。3）在锈蚀过程中隧道衬砌结构拱顶弯矩不断减小,拱顶损伤不断加深,损伤区域逐渐扩展,截面刚度损伤最显著。4）衬砌结构自身性能不断劣化,出现内力重分布。衬砌结构的裂缝多出现在围岩侧。研究成果可为隧道衬砌结构服役性能的评估提供参考。     

荷载-硫酸盐共同作用下纤维混凝土柱受压性能

为研究在荷载-硫酸盐共同作用下聚丙烯纤维混凝土柱的偏心受压性能,对8个聚丙烯纤维混凝土柱和1个普通混凝土对照柱进行了偏心受压静力试验,获取了荷载-变形曲线、荷载-钢筋应变曲线以及截面应变,分析了应力比和腐蚀时间对试件破坏形态、延性以及峰值荷载等的影响.结果 表明:聚丙烯纤维的加入,可有效抑制硫酸盐的侵蚀作用;峰值荷载随应力比的增加呈先提高后降低趋势,随腐蚀时间增加亦呈先提高后降低趋势,150 d时承载力较120 d降低了15.83％;位移延性系数随应力比的增加而减小,随腐蚀时间增加呈先增加后降低趋势,150 d时位移延性系数较60 d降低了15.79％.同时考虑应力比及硫酸盐对混凝土的损伤,引入损伤因子,建立经历荷载和硫酸盐作用后的混凝土抗压强度计算公式;考虑聚丙烯纤维混凝土抗拉强度对受拉区的贡献,采用等效矩形应力图简化计算方法,引入受拉区等效系数,建立荷载与硫酸盐共同作用下聚丙烯纤维混凝土柱承载力计算公式;并考虑聚丙烯纤维和硫酸盐腐蚀的影响,建立了最大裂缝宽度计算公式.理论计算值与试验值吻合较好.     

氯盐侵蚀下钢筋混凝土结构锈胀开裂研究综述

氯盐侵蚀引起的钢筋锈蚀是引发钢筋混凝土结构锈胀开裂的主要原因.总结归纳了氯盐侵蚀下的钢筋锈蚀产物分布、钢筋锈蚀引起的作用在混凝土保护层上的锈胀力,以及由锈胀力作用造成的混凝土保护层表面开裂等3个方面的研究成果.在此基础上,针对当前研究中存在的问题提出了一些建议,指出将混凝土视为均质材料的简化模型并不能准确模拟钢筋锈蚀引起的混凝土保护层锈胀开裂行为,今后的研究应着重于建立混凝土的细观分析模型.自然环境下的钢筋锈蚀产物分布形态不唯一,二维模型与实际工程中的三维构件存在较大的差异;人工气候环境引起的钢筋非均匀锈蚀与自然锈蚀间的差异尚不明确,有待进一步研究.     

长期荷载和氯盐环境耦合作用对钢筋混凝土梁挠度的影响

准确预测侵蚀环境下在役钢筋混凝土梁的长期变形规律是保障其结构长期性能与耐久性能的重要方面。通过不同荷载水平与氯盐腐蚀环境耦合作用下钢筋混凝土梁的长期变形试验,研究了腐蚀环境下梁长期挠度增长的规律,采用ACI209R预测模型分析梁试件的长期挠度,并与试验结果进行对比。结果表明:在荷载-氯盐腐蚀环境下,试验梁的挠度持续增长。初期增长较快,10d后增长速率变慢,150d后进一步变缓,300d后由于腐蚀程度增大,挠度发展又出现增长加快趋势,耦合作用效果明显。荷载水平对腐蚀环境下混凝土构件的挠度变形影响明显,干湿交替环境使挠度发展出现波动趋势。由于ACI209R预测模型未考虑钢筋锈蚀的影响,其计算结果并不能与试验结果完全吻合。     

腐蚀环境下钢筋混凝土的轴向受压承载力研究

通过预测混凝土碳化深度,钢筋的氯离子侵蚀速率及钢筋起始锈蚀时间,建立了腐蚀环境下钢筋混凝土承载力与时间之间的关系.通过算例分析混凝土保护层对钢筋混凝土承载力的影响,得到保护层厚度对钢筋混凝土承载力的影响规律,即钢筋混凝土保护层厚度的增加可以提高腐蚀后钢筋混凝土的承载力,主要原因为保护层厚度的增加推迟了钢筋起始锈蚀时间.并分析了钢筋质量损失率与时间的关系以及钢筋直径对钢筋锈蚀率的影响,得到了钢筋直径对钢筋锈蚀率的影响规律,即直径大的钢筋对锈蚀的抵抗能力更强,钢筋直径越大锈蚀率越低.     

锈蚀钢筋压屈名义本构关系的试验研究及应用

为了合理评估部分箍筋锈断的锈蚀钢筋混凝土柱剩余承载力,采用电化学加速锈蚀的方法在实验室获得锈蚀钢筋试件,通过不同直径((φ)18mm,(φ)20mm,(φ)22mm和(φ)12mm)、长径比(L/D=4.55～53.43)和锈蚀率(ηs=0,10%,20%,30%)的197根钢筋试件压屈试验,获得4种形态的轴向荷载-位移曲线(名义本构关系).基于钢筋混凝土柱破坏应具有充分延性的考虑,对锈蚀钢筋的压屈名义本构模型进行"削峰"处理,从而获得柱中锈蚀纵筋计算可用应力的物理模型,提出轴心受压、大偏心受压和小偏心受压3种锈蚀钢筋混凝土柱的截面剩余承载力计算公式.引入锈蚀钢筋影响系数ku和kco,其计算结果与51根锈蚀钢筋混凝土柱试验数据比较,可以较好地吻合,表明所提出的公式可用于既有混凝土柱剩余承载力评估.     

钢筋混凝土偏心受压柱承载力酸雨侵蚀的损伤退化

目的研究钢筋混凝土偏心受压柱承载力酸雨侵蚀损伤退化规律,建立损伤退化模型.方法配制4种不同pH值(1.5、2.5、3.5、4.5)模拟酸雨,对钢筋混凝土偏心受压柱进行加速腐蚀实验,并通过对其开裂荷载和极限荷载的依时间变化进行分析,得出偏心受压柱承载力酸雨侵蚀损伤退化规律.结果在酸雨侵蚀持续作用下,钢筋混凝土偏心受压柱承载力依次经历短暂上升、缓慢下降和加速下降3个阶段.与未腐蚀偏心受压柱相比,pH为1.5,2.5,3.5,4.5模拟酸雨侵蚀偏心受压的开裂荷载分别降低了69.1%、61.4%、53.2%和42.2%,极限荷载分别降低了68.9%、57.9%、48.1%和40.1%.结论酸雨侵蚀明显加速了钢筋混凝土偏心受压柱承载力损伤退化.且酸雨pH值越小,偏心受压柱承载力下降越大.建立的损伤退化模型可为酸雨地区钢筋混凝土结构耐久性评估提供科学依据.     

氯盐侵蚀RC节点抗震性能与数值模拟方法

为研究近海环境中钢筋混凝土(RC)框架节点的抗震性能,设计了4榀RC框架中节点试件,采用人工气候环境加速腐蚀模拟技术对其进行氯盐侵蚀,进而进行拟静力试验,分析氯盐侵蚀引起的钢筋锈蚀对RC框架节点承载能力、变形能力及核心区剪切性能的影响;同时,采用OpenSees中Joint2D单元模拟节点核心区,用弹性杆单元模拟梁、柱,建立了锈蚀RC框架节点组合体数值模型,对锈蚀RC框架节点的滞回特性进行了数值模拟.结果表明:在氯盐侵蚀作用下,试件表面出现红褐色锈蚀产物与锈胀裂缝,且随氯盐侵蚀程度增加该现象不断加重;随着钢筋锈蚀程度加重,试件承载能力、变形能力、延性、核心区抗剪性能等均有不同程度退化;模拟结果与试验结果在承载力、变形能力、捏缩特性等方面均符合较好,验证了该建模方法的准确性.     

锈蚀钢筋混凝土柱承载力的计算模型

基于锈蚀钢筋与混凝土的粘结退化模型,分析了钢筋锈蚀对钢筋混凝土柱承载力计算模式和破坏模式的影响,建立了锈蚀钢筋混凝土柱抗压承载力的计算模型.利用一些近年来文献上有关钢筋混凝土锈蚀柱承载力的试验数据,对计算模型进行了验证,并取得了较好的吻合度.可以为锈蚀柱的承载力分析提供可靠的理论预测.     

锈蚀钢筋混凝土梁四点弯曲力学行为数值分析

为进一步研究锈蚀状态下钢筋混凝土梁弯曲试验下其力学行为等相关性能分析,本文基于已有的试验结果,构造与钢筋锈蚀率有关的钢筋—混凝土界面的粘结性能退化模型。并使用ANSYS有限元软件,进一步建立钢筋混凝土梁有限元模型。利用该模型,对锈蚀钢筋混凝土梁在外荷载作用下的力学行为进行数值模拟,并与试验结果进行对比。结果发现:数值模拟得到的锈蚀钢筋混凝土梁的荷载—挠度曲线与试验曲线吻合较好,证实了本文有限元模型分析锈蚀钢筋混凝土梁抗弯性能研究的可行性。论文最后还进一步分析了跨中混凝土与钢筋的应力分布、跨中混凝土与钢筋的应变分布、钢筋与混凝土之间的相对位移以及锈蚀钢筋混凝土梁破坏时的裂缝分布等,旨在更深入地研究钢筋锈蚀对钢筋混凝土梁弯曲力学行为的影响,从而能更加具体深入地研究钢筋混凝土结构耐久性。     

锈蚀钢筋混凝土偏心受压柱承载力试验研究

试验研究了低锈蚀率钢筋对偏心受压构件承载力的影响.将4根钢筋混凝土柱置于湿盐砂中外通直流电加速锈蚀,锈蚀完毕后与3根未锈蚀柱进行偏心受压试验,试验在5 000 kN长柱试验机上进行.另外对锈蚀钢筋进行了拉伸试验.结果表明,偏心距较小时,锈蚀柱截面应变仍符合平截面假定;偏心距相同时锈蚀柱的承载力及刚度比完好柱明显降低.锈蚀钢筋的名义屈服强度、名义极限强度随锈蚀率呈线性降低;随钢筋锈蚀率增大,钢筋的延性降低更快.     

基于分形理论的锈蚀钢筋表面轮廓分布特征

为了更准确地表征锈蚀钢筋的表面轮廓分布特征,利用分形理论的结构函数法推导出锈蚀钢筋截面直径的分形维数与尺度系数的计算模型.从受氯盐侵蚀的混凝土梁试件中获取4根不同锈蚀率的钢筋试样,利用千分尺测量钢筋的截面直径,并进行统计,研究其分布规律.统计结果表明:锈蚀钢筋截面直径不拒绝正态分布、对数正态分布和威布尔分布;利用所得模型计算出锈蚀钢筋截面直径的分形维数与尺度系数,其分形维数与钢筋的锈蚀率成正相关关系.结合分形维数和尺度系数定义的特征参数,可以实现锈蚀钢筋表面轮廓绝对测量与相似测量的统一,有助于更为准确地表征锈蚀钢筋的表面轮廓.     

锈蚀钢筋混凝土梁疲劳后的刚度分析与计算

对锈蚀钢筋混凝土梁进行了在疲劳荷载作用下的试验研究,结果表明随着钢筋的锈蚀率和疲劳荷载增加,其截面刚度呈现下降趋势。同时进行了锈蚀钢筋混凝土梁疲劳后的刚度分析和计算。腐蚀试验采用电化学加速试验的方法,疲劳试验采用等幅疲劳加载试验。考虑疲劳荷载和钢筋锈蚀对构件粘结退化的双重影响,导致构件截面的刚度降低的因素后,基于试验研究结果,给出了疲劳荷载作用下的刚度降低系数θf,用以修正疲劳后锈蚀钢筋混凝土梁的截面弯曲刚度计算公式。研究结果可为混凝土结构的耐久性评估提供科学依据。     

锈蚀钢筋混凝土受弯构件承载力评估

考虑锈胀力引起的钢筋周围混凝土双向应力状态,建立了锈蚀开裂前钢筋混凝土受弯构件承载力评估模型;应用无粘结预应力钢筋应力计算方法,又建立了锈蚀开裂后钢筋混凝土受弯构件承载力评估模型。试验结果表明：建立的承载力评估模型与试验结果吻合较好,可用于锈蚀钢筋混凝土受弯构件承载力评估。     

干湿循环下受弯钢筋混凝土梁的氯盐侵蚀

为探究弯曲荷载对干湿交替环境下钢筋混凝土梁内氯离子输运的影响,引入混凝土标量损伤作为耦合中间量,并拟合氯离子的荷载修正函数修正不同损伤部位的氯离子扩散系数,建立干湿循环与弯曲荷载耦合作用下混凝土梁中的氯盐和水分的输运模型。在此基础上,基于COMSOL软件,提出一种混凝土中氯盐侵蚀的数值模拟方法,并以弯曲荷载、侵蚀时间为变量,进行干湿循环试验验证。研究结果表明:随着弯曲荷载、侵蚀时间增加,混凝土梁内同一位置处的氯离子质量分数提高;对于同一试验梁,纯弯段氯离子质量分数比弯剪段的高;弯曲荷载影响构件的损伤范围和程度,进而影响氯离子在混凝土内的传输。     

锈后预应力混凝土梁整体性能研究

为了了解锈后预应力混凝土梁各个部位的力学性能,通过对受损梁体内控制截面混凝土、普通钢筋、预应力钢筋的荷载-应力应变时程曲线分析,充分考虑混凝土裂缝发生后结构的应力重分布现象,得到了梁体由于耐久性引起的损伤对梁体极限承载力的影响.     

通电加速与氯盐干湿条件下钢筋锈蚀的时间相似关系试验

为了研究氯盐侵蚀环境下混凝土内钢筋的锈蚀发展规律,以环境-时间相似理论模型为指导,开展恒电流通电加速试验与自然环境氯盐干湿循环试验,利用法拉第定律计算钢筋锈蚀率,以两种侵蚀条件下的钢筋锈蚀率接近为条件建立两者间的时间相似关系模型。试验结果表明:以自然氯盐侵蚀环境下钢筋锈蚀率实测值为4. 04%的试件为例,达到相同锈蚀率,恒电流通电加速锈蚀试验所需时间为160 h,由时间相似关系模型计算得到两种侵蚀环境条件下的时间相似系数为0. 025,从而求得自然氯盐环境条件下的钢筋锈蚀时间预测值为4. 0 a,与试验值3. 836 a间的误差为4. 28%,验证了本文所建立的基于钢筋锈蚀率的时间相似模型的可行性,为预测氯盐环境下混凝土结构钢筋锈蚀提供一定的理论参考。