硫酸盐侵蚀下轴心受压钢筋混凝土柱应力时变过程的数值分析

针对荷载和硫酸盐耦合作用过程中钢筋混凝土柱的应力分析问题,在已有混凝土内硫酸根离子扩散反应模型的基础上,进一步给出了硫酸盐侵蚀引起的混凝土损伤程度与硫酸根离子浓度及腐蚀时间之间的关系,建立了与损伤程度相关的混凝土腐蚀本构模型及轴压混凝土柱截面应力的计算方法,并通过数值模拟分析了柱截面内硫酸根离子传输、腐蚀损伤程度变化、截面应变和应力分布规律。结果表明:硫酸根离子浓度和混凝土损伤程度在柱截面内呈梯度分布,且受二维交互效应的影响明显;随腐蚀时间的增加,截面损伤区逐渐向内移动且其宽度增加,而混凝土应力在损伤区呈先增加后逐渐降低、在未损伤区基本呈线性增加的趋势。硫酸盐侵蚀过程中,轴压混凝土柱截面应力发生了明显的重分布现象。     

硫酸盐侵蚀下混凝土梁的开裂强度分析模型

混凝土在硫酸盐侵蚀下将发生化学-力学耦合作用,并导致其力学性能退化和耐久性降低。基于Fick第二定律建立考虑侵蚀损伤演化的硫酸根离子扩散-反应耦合模型,运用Matlab实现该耦合过程的数值求解,得到硫酸盐腐蚀下的细观损伤时变规律,在此基础上建立损伤后混凝土梁式构件开裂强度分析方法,并通过算例进行了性能分析。     

国际期刊导读

1 轴向载荷和压弯作用下矩形钢管混凝土截面承载力 将直接强度法（DSM）用于钢管混凝土（CFT）截面的计算。基于已有的试验结果给出局部屈曲CFT截面的抗压和抗弯强度。欧洲规范EC 4不允许CFT截面使用薄壁型材,而AISC规范允许将钢管的宽厚比限值应用于薄壁型材。考虑薄壁钢管的局部屈曲和钢管约束效应将提高核心混凝土抗压强度,基于直接强度法给出CFT截面抗压和抗弯强度的计算公式。根据建议公式计算得到的承载力与试验结果以及AISC规范和EC 4的计算结果进行比较。同时给出轴向压弯作用下CFT构件强度相互作用的计算公式,并将计算结果与试验结果进行比较。结果表明,抗压、抗弯强度以及强度相互作用的计算公式,用于计算轴向荷载和压弯作用下CFT柱的承载力时,计算结果较为保守。     

轴向载荷和压弯作用下矩形钢管混凝土截面承载力

将直接强度法(DSM)用于钢管混凝土(CFT)截面的计算。基于已有的试验结果给出局部屈曲CFT截面的抗压和抗弯强度。欧洲规范EC 4不允许CFT截面使用薄壁型材,而AISC规范允许将钢管的宽厚比限值应用于薄壁型材。考虑薄壁钢管的局部屈曲和钢管约束效应将提高核心混凝土抗压强度,基于直接强度法给出CFT截面抗压和抗弯强度的计算公式。根据建议公式计算得到的承载力与试验结果以及AISC规范和EC 4的计算结果进行比较。同时给出轴向压弯作用下CFT构件强度相互作用的计算公式,并将计算结果与试验结果进行比较。结果表明,抗压、抗弯强度以及强度相互作用的计算公式,用于计算轴向荷载和压弯作用下CFT柱的承载力时,计算结果较为保守。     

考虑表层损伤的混凝土硫酸盐侵蚀过程分析

服役过程中,混凝土表面会因为各种因素造成表层损伤。考虑了表层损伤造成的硫酸盐扩散系数差异,基于Fick第二定律和分子反应动力学,建立了考虑表层损伤影响的混凝土中硫酸盐侵蚀扩散反应方程及其有限差分求解模型,在此基础上开展了混凝土硫酸盐侵蚀过程数值模拟。研究结果表明,表层损伤对混凝土的硫酸盐侵蚀过程有明显影响,导致内部硫酸根离子浓度和膨胀性物质钙矾石生成量的增加,其影响随损伤程度及损伤区深度的增加而增加;混凝土表层损伤对内部硫酸根离子浓度分布的影响主要体现在侵蚀早期,而混凝土表层损伤对钙矾石生成量的影响体现在整个侵蚀过程。     

混凝土中氯离子–硫酸根离子耦合传输模型

针对氯盐–硫酸盐耦合作用环境下混凝土及其结构的耐久性退化问题,根据硫酸根离子扩散反应机理及氯离子吸附结合机制,利用Fick定律及质量守恒定律,建立了混凝土中氯离子–硫酸根离子的耦合传输模型;以水泥砂浆替代混凝土,开展了混凝土圆柱体试件在单一氯盐、单一硫酸盐及复合氯盐–硫酸盐溶液中的浸泡腐蚀试验,测试了不同浸泡时间时试件中氯离子和硫酸根离子含量,并与模型计算结果进行了对比分析。结果表明,模型计算结果与实验测试结果基本一致;耦合传输过程中氯离子和硫酸根离子之间存在相互抑制作用,且复合溶液中试件内氯离子和硫酸根离子含量分别低于单一氯盐和单一硫酸盐溶液中试件的氯离子和硫酸根离子含量。     

静力弯曲荷载作用下地下结构混凝土硫酸盐侵蚀试验研究

硫酸盐侵蚀是导致地下结构混凝土材料性能劣化的主要原因之一。进行了静力弯曲荷载与硫酸盐浸泡耦合腐蚀试验,测定并研究了混凝土残余抗弯强度退化规律和相对动弹性模量的发展规律;利用化学滴定方法(EDTA)测得了混凝土中硫酸根离子的浓度分布规律。试验结果表明,长期静力荷载及硫酸盐侵蚀的共同作用加速了混凝土材料中硫酸根离子的扩散和材料性能的劣化。     

混凝土在海洋环境下硫酸盐侵蚀机理研究

对不同配合比混凝土试件在不同海洋区域内进行现场暴露试验,通过硫酸根离子含量测定、SEM扫描电镜试验及X荧光试验,研究实际海洋暴露环境下混凝土内部硫酸盐侵蚀机理。试验结果表明,不同暴露环境下硫酸根作用机理不同,混凝土在不同暴露区域硫酸盐侵蚀程度为潮汐区水下区浪溅区;硫酸根离子由混凝土表层向内部传输,在表层范围内硫酸盐腐蚀产物主要是钙矾石,随着硫酸根离子传输深度增加以及内部游离CaO水化成Ca(OH)2,混凝土硫酸盐损伤程度加剧;混凝土表层SO42-和Ca2+含量较高,而混凝土内部Na+含量较高。     

长期荷载对方钢管混凝土轴心受压柱承载力的影响研究

以方钢管混凝土柱为研究对象,从钢材及混凝土两种材料单轴受压的应力-应变关系出发,将方钢管混凝土柱截面中钢管部分与混凝土部分的内力叠加,推导了考虑长期荷载作用影响的方钢管混凝土轴心受压柱在加载过程中的荷载-应变关系的函数表达式,取函数最大值为相应参数下构件的抗压承载力值。用该计算方法计算已有文献中试验构件的承载力值,计算结果与试验结果吻合较好。结合钢管局部屈曲、截面配筋率、钢材强度及混凝土徐变量等因素,分析了长期荷载作用对构件承载力的影响,结果表明:长期荷载对方钢管混凝土柱承载力影响程度较小。     

钢管再生混合短柱的轴压性能试验

为揭示钢管再生混合短柱的轴压性能,通过17根试件的轴压试验,考察钢管再生混合短柱与钢管混凝土短柱的7d和28d轴向受力行为,比较二者的刚度、强度和延性。根据国内外钢管混凝土结构设计标准,对试件的抗压承载力进行计算,基于计算结果与试验结果的对比,建议钢管再生混合短柱的抗压承载力计算公式。研究结果表明:①虽然钢管再生混合短柱采用了32%～35%的废弃混凝土,但其轴向受力性能却与全现浇钢管混凝土短柱相当。②根据我国标准JCJ01—89给出的钢管再生混合短柱的抗压承载力计算结果与试验结果吻合较好。     

海工混凝土受硫酸盐影响的氯离子扩散规律研究

不考虑阳离子的影响,分析了混凝土中氯离子、硫酸根离子耦合扩散机理。针对海洋环境下混凝土劣化过程以钢筋锈蚀为主的情况,提出与氯离子结合能力和硫酸盐抗压抗蚀系数相关的氯离子扩散模型,并确定了参数的取值范围。通过试验验证,模型计算结果与试验实测结果吻合较好。数据分析结果表明:受硫酸盐影响的混凝土氯离子扩散系数,随时间的延长先减小后增大,随深度的增加而增大;当侵蚀时间足够长时,氯离子扩散系数随深度增加先增大,后减小。     

轴压混凝土柱受火试验研究

通过对3根轴压混凝土柱进行受火试验研究,分析了混凝土柱的受火反应和破坏状态,测试了截面温度场的分布和柱的轴向变形。试验结果表明：高温作用下,混凝土柱承载能力迅速降低,主要体现在混凝土截面承载力衰减、变形增大和工作性能的衰减和破坏等。应用ANSYS有限元程序,对柱截面内部温度场的分布进行了模拟计算,数值模拟计算结果与试验结果吻合较好。提出了适用于工程实际应用的混凝土柱受火承载力简化计算模型,通过试验和理论分析比较表明,建议的受火承载力计算式正确可靠。     

内置型钢的圆钢管混凝土构件轴压承载力计算方法

为适应现代结构不断向高耸、重载、大跨等方向发展的趋势,将内置型钢钢管混凝土应用于柱结构设计中.采用ABAQUS有限元软件建立内置型钢圆钢管混凝土轴压短柱受力全过程分析的数值模型,对已有的内置型钢钢管混凝土轴压构件承载力的试验数据进行计算和验证.分析了该类构件在轴压作用下的应力-应变全过程曲线、截面应力分布及各部件之间的相互作用力;探究了材料强度、型钢含钢率、钢管含钢率及型钢截面形式等主要参数对内置型钢钢管混凝土组合柱强度指标的影响规律.研究结果表明:内置型钢对核心混凝土形成了双重约束作用,使核心混凝土的强度有所提高;型钢、混凝土和钢管之间的协同工作有效提高了柱的承载力及延性;型钢含钢率和型钢截面形式对应变变化影响较小.最后,提出了适用于内置型钢圆钢管混凝土短柱轴压承载力的简化计算公式,公式计算结果与试验结果吻合较好.     

海洋浪花飞溅区混凝土硫酸盐侵蚀试验研究

对混凝土试件进行海边暴露试验,研究海边浪花飞溅区域混凝土硫酸盐侵蚀试验,利用分光光度计法测定硫酸根离子的含量。试验结果表明,混凝土中总硫酸根离子浓度随着腐蚀龄期的增加而升高,但后期增加幅度逐渐降低;混凝土中总硫酸根离子浓度因水胶比、水泥用量不同而不同;掺加矿物掺合料可以明显改善混凝土的抗硫酸盐侵蚀能力。     

核电厂硫酸盐侵蚀环境下带裂缝混凝土损伤性能分析模型

混凝土在硫酸盐侵蚀下将发生化学-力学耦合作用,并导致其力学性能和耐久性的降低。基于混凝土在硫酸盐腐蚀下的细观损伤时变模型,建立带裂缝混凝土三点弯曲梁试件的断裂性能分析方法,获得了宏观力学参数解析解及其性能演化规律。试验对比验证了该计算分析方法能较好预测带裂缝混凝土断裂性能演化规律,分析结果还表明硫酸盐腐蚀将降低开裂混凝土的极限承载力和断裂韧度。     

基于改进的Tixier模型的受硫酸盐侵蚀混凝土排污管道耐久性分析

为研究混凝土排污管道在硫酸盐侵蚀下的腐蚀破坏情况,基于化学反应原理考虑侵蚀前沿侵蚀产物对毛细孔隙率的填充影响,在现有数值模型基础上提出一种计算侵蚀过程中毛细孔隙率的时变函数,以获得不同侵蚀阶段混凝土内部毛细孔隙率的变化情况。通过数值算例,分析不同时刻排污管道管壁内的毛细孔隙率、离子浓度分布以及膨胀应力发展情况。数值结果表明:(1)孔隙率时变模型可很好的反应侵蚀过程中各阶段毛细孔隙率的变化情况;(2)对于同一侵蚀时间,管壁内侵蚀离子浓度分布在考虑填充作用对孔隙率的影响与不考虑其影响两种情况下有着明显差别,填充作用使得侵蚀前沿混凝土密实度提高、孔隙率减小,一定程度上阻止了硫酸根离子向混凝土内部的扩散;(3)管壁内膨胀应力的发展也由于填充作用的存在得到减缓。     

钢管高强混凝土组合柱轴心抗压数值分析

为研究钢管高强混凝土组合柱的轴心抗压性能,利用高强混凝土和钢管混凝土本构关系,对组合柱轴心抗压受力全过程进行了数值计算,计算轴力-纵向应变曲线与试验结果吻合良好;并与钢筋混凝土柱进行了对比,定量分析了套箍指标、混凝土强度和配箍特征值对轴压承载力和纵向应变延性的影响.     

异形截面多腔钢管混凝土柱轴压承载力计算方法研究

异形截面多腔钢管混凝土柱截面形状不规则,受力复杂,其承载力不能按常规钢管混凝土柱计算方法计算。基于已有的6个两类截面的异形截面多腔钢管混凝土巨型柱轴压承载力试验结果,在分析评价国内外规范或规程承载力计算方法基础上,对异形截面多腔钢管混凝土柱轴压承载力计算方法进行研究。结果表明：相关规范或规程中按非圆形截面钢管混凝土柱计算公式所得轴压承载力大多低于试验值,偏于安全;基于Mander约束混凝土模型,将混凝土划分为有效和非有效约束区,提出了考虑折减约束效应的承载力计算式,计算所得承载力值略高于实测值,但相对差值在5%以内。     

型钢混凝土约束柱耐火极限实用计算方法

利用ABAQUS有限元软件,建立了热力耦合作用下四面受火型钢混凝土约束柱的数值分析模型,该模型得到了已有试验数据的验证。应用上述模型,详细考察了轴向约束刚度比、转动约束刚度比、荷载比、偏心率、截面尺寸、含钢率、截面配筋率等参数对型钢混凝土约束柱耐火极限的影响规律。对影响型钢混凝土约束柱耐火极限的各种参数进行详细计算分析,结果表明轴向约束刚度比、荷载比、偏心率、截面尺寸和混凝土强度是影响耐火极限的主要因素。通过大量计算给出了型钢混凝土约束柱耐火极限的实用抗火计算方法。     

损伤后混凝土框架结构火灾试验研究

为分析震后火灾环境下混凝土结构的反应,试验设计了3榀足尺单层单跨框架结构,以低周反复水平荷载试验模拟地震动,以框架梁、柱裂缝宽度ω为损伤指标,试件KJ1历经损伤ω=0.5 mm后进行火灾试验,KJ2历经损伤ω=0.1 mm后进行火灾试验,试件KJ3作为对比试验无损伤,直接进行火灾试验。从3榀框架结构的裂缝变化规律、框架柱轴向变形、截面温度场分布、承载力退化等方面进行了对比分析。试验结果表明：损伤后混凝土材料的热传导性能提高,相应截面所经历的最高温度也增高;框架结构的高温变形恢复能力变差,梁截面承载力下降幅度比柱截面大。最后提出了损伤指标与结构抗火性能退化之间的量化关系。