混凝土内钢筋锈蚀层发展和锈蚀量分布模型研究

从研究钢筋锈蚀物膨胀对钢筋/混凝土界面区构造的影响着手,通过对锈蚀层形成、发展及其细观构造的研究,揭示混凝土内钢筋锈蚀量分布规律;在钢筋锈胀开裂前,钢筋锈蚀量基本分布在面向混凝土保护层一侧的钢筋半圆周上,离混凝土保护层最近处锈蚀量最大,离保护层表面距离越远,锈蚀量越小;其锈蚀量在其半圆周上呈半椭圆形分布。钢筋锈胀开裂初期,钢筋锈蚀逐渐向背向混凝土保护层一侧发展,在背向保护层一侧的钢筋锈蚀量分布被假定为均匀分布,和面向混凝土保护层一侧的最小锈蚀量衔接。     

钢筋混凝土结构锈胀开裂全过程仿真分析

利用大型有限元软件DIANA,详细分析了锈蚀导致混凝土保护层开裂的全过程.仿真分析表明:混凝土保护层的锈胀开裂过程可分为内裂、扩展、外裂和内外裂缝贯通4个阶段;锈蚀产物膨胀率一定时,混凝土保护层内侧裂缝的产生主要与混凝土抗拉强度相关,其他因素影响甚微;混凝土保护层表面锈胀开裂及其裂缝贯通主要与相对保护层厚度有关,该值越大,裂缝越不容易发展;提高混凝土抗拉强度,能有效延缓锈胀裂缝的产生和发展;在相同条件下,混凝土保护层非均匀锈胀开裂时的钢筋锈蚀率较均匀锈胀开裂时低;混凝土保护层剥落的特征主要与钢筋净间距和保护层厚度的比值相关,当该值较大(>3)时,仅角区保护层发生局部剥落,否则保护层将整体剥落.     

Prediction of corrosion-induced cover cracking in reinforced concrete structures

Usually, the time of repair/replacement of reinforced concrete structures due to corrosion is controlled by cracking of the concrete cover. Thus, it is important to be able to predict with sufficient accuracy the time from corrosion initiation to crack formation in the concrete cover. The paper presents a critical overview of existing empirical, analytical and numerical models for predicting the time to corrosion-induced cover cracking. A simple nonlinear finite element (FE) is then formulated and validated. The FE model is employed to investigate inaccuracies of analytical models arising due to simplified formulation of the nonlinear behaviour of concrete and inability to account for actual location of corroding reinforcing bars. Recommendations on the applicability of analytical models are provided. Finally, the FE model is used to estimate the amount of corrosion products penetrating into concrete pores and microcracks since this amount is an essential parameter for analytical and numerical models.     

Extent of spatially variable corrosion damage as an indicator of strength and time-dependent reliability of RC beams

A spatial time-dependent reliability model is developed for a RC beam subject to corrosion-induced pitting corrosion. The analysis considers the spatial and time-dependent variability of pitting corrosion and its effect on cover cracking and shear and flexural resistance. The model uses extreme value theory to predict maximum pit depth as a function of bar diameter and reinforcing bar length. The effect of corrosion on the mechanical behaviour of reinforcement and associated loss of ductility is also considered. A 1D spatial model is included where concrete properties, concrete cover and the surface chloride concentration are treated as random fields. The model is then used to predict the likelihood and extent of corrosion-induced cracking (corrosion damage). The spatial time-dependent reliability model allows the loss of structural capacity and reliability to be calculated conditional to the observed extent of corrosion damage. This allows the interaction between corrosion damage and loss of structural safety to be inferred for a deteriorating RC beam. It was found that the crack width at time of structural collapse is often well in excess of 1 mm. It was also found that the extent and location of severe cover cracking is an important indicator of structural reliability.     

基于锈胀力的混凝土保护层破裂过程数值模拟

本文运用FINAL有限元软件,基于钢筋锈胀力,研究混凝土保护层裂缝的形成和发展过程,以及应力分布情况。以二维钢筋混凝土简支梁模型为例,采用以均匀锈蚀为理论基础的锈胀力计算模型,混凝土开裂前选用线弹性本构,开裂后选用双线性软化本构,模拟混凝土由加载初始到破坏的整个过程,得到不同时刻的裂缝图和最大主应力图。通过对试件破坏过程中典型裂缝图和最大主应力图的分析,得出模型为顺筋开裂,初裂位置位于钢筋周围的混凝土中,并逐渐向保护层发展,破坏时锈胀裂缝为张性裂缝,拉应力是裂缝扩展的动力,裂缝形态和应力分布均为漏斗状。文中验证了混凝土保护层发生顺筋锈胀破坏的形态,所得结论为混凝土构件的可靠性、耐久性分析提供了理论依据。     

基于锈胀开裂路径的混凝土构件耐久性能概率预测模型及应用

基于混凝土锈胀开裂过程的随机性,提出了一种预测钢筋锈蚀程度、锈胀裂缝开展状况及承载力退化程度时变特性的路径概率模型,并编制了计算程序,能有效评估和预测氯离子侵蚀、混凝土碳化及两者耦合作用环境下钢筋锈蚀状况、锈胀裂缝宽度开展及构件承载力退化程度在不同时段的概率分布,实现了混凝土构件从有害物质侵蚀、钢筋锈蚀、混凝土开裂、钢筋锈蚀加剧、混凝土裂缝宽度增大到构件承载力下降的性能劣化全过程的数值模拟。可预测的性能特征参数包括钢筋样本锈蚀百分比,锈蚀率,混凝土开裂面积百分比,裂缝宽度及构件承载力退化百分比。预测结果与现场检测获得的统计结果吻合良好,验证了该模型的可靠性和有效性。图18表5参18     

考虑钢筋锈蚀的纳米SiO2强化再生骨料混凝土梁受力性能研究

采用纳米强化再生骨料表面的措施来改善再生骨料性能,分别考虑强化液中纳米SiO₂掺量、再生粗骨料取代率的影响,设计制作了1根普通混凝土基准梁和8根再生骨料混凝土矩形截面梁,采用内置近距离小阴极的方法对梁内受力钢筋进行通电非均匀加速锈蚀,待受拉主筋锈蚀到一定程度后进行四点受弯加载,对加载过程中的裂缝开展情况、荷载-挠度曲线以及极限承载力进行了记录及分析。考虑钢筋锈蚀率及再生骨料取代率等因素的影响,对锈胀开裂之后的再生骨料混凝土梁的承载力计算公式进行了修正,得出了可用于设计的受弯承载力计算公式。结果表明:相同锈蚀程度下,强化再生骨料混凝土梁的抗弯承载力比天然骨料混凝土有所降低,其中25%再生骨料取代率时承载性能退化较多,抗弯承载力下降19.3%; 混凝土裂缝开展趋势较为一致,最大裂缝宽度随钢筋锈蚀程度增加而增大,随纳米SiO₂掺量增加先减小后增大; 近距离小阴极通电可实现混凝土内钢筋的加速非均匀锈蚀; 所提出的方法及获得的结论有助于推动再生骨料混凝土在沿海等不利环境中的应用。     

混凝土结构锈裂形态试验研究及数值模拟

混凝土结构服役后期会出现保护层剥落的情况,混凝土保护层剥落与内部锈胀裂缝的分布情况密切相关。通过对不同尺寸与配筋情况的混凝土试块进行内部锈胀裂缝开展与分布研究,采用改进通电加速锈蚀方法加速试块劣化,通过切片观测锈蚀后试块内部锈胀裂缝形态,研究箍筋、保护层厚度、钢筋间距对内部锈胀裂缝开展的影响。研究结果表明：箍筋显著改变了内部锈胀裂缝开展与分布情况;混凝土保护层厚度较小或钢筋间距较大时,钢筋锈胀裂缝表现为单根锈胀开裂形式,反之则表现为钢筋之间的水平贯通裂缝。基于黏聚力单元建立了有限元分析模型,将钢筋锈胀变形作为位移加载依据,对试块锈裂过程进行数值分析,模拟结果与试验结果吻合较好。     

钢筋混凝土结构裂缝及钢筋锈蚀研究现状

总结了钢筋混凝土结构常见裂缝的类型及其产生的原因，阐述了裂缝区钢筋锈蚀研究的现状，指出了钢筋锈蚀和裂缝的扩展是一个交互作用、动态发展的过程，今后的研究中确定裂缝区钢筋锈蚀和裂缝扩展的相互作用规律，建立其扩展速率预计模型，对实际工程结构的可靠度计算、剩余寿命预测以及选择对其正确的维修加固处理方法都具有十分重要的意义。     

基于锈胀裂缝的锈蚀梁钢筋锈蚀率计算

根据钢筋混凝土梁锈胀开裂的特点,考虑钢筋锈蚀不均匀性,对锈胀裂缝宽度实测值进行修正。结合对钢筋锈蚀开裂后锈蚀物体积膨胀的量化分析,得到了混凝土开裂后的钢筋锈蚀率基于锈胀裂缝宽度的计算模型,并通过电解液加速锈蚀方法对配筋混凝土试块进行加速腐蚀试验,拟合出了实用的锈蚀率计算式。采用7根钢筋混凝土梁的电解液加速腐蚀试验进行验证。结果表明：锈胀裂缝宽度与钢筋锈蚀率近似呈线性变化;在钢筋不均匀锈蚀的情况下,采用间接法计算得到的钢筋最大锈蚀率与试验平均锈蚀率的比值在1.4~2.4之间,与实际情况符合较好。     

混凝土中钢筋非均匀锈蚀的余弦函数模型的建立与理论分析

首先将由钢筋锈蚀导致的混凝土保护层胀裂的非均匀锈胀力模型简化为余弦函数锈胀力模型,然后应用弹性力学理论推导余弦函数锈胀力模型的计算公式,并探讨了影响钢筋锈胀力的各个因素,认为:钢筋混凝土间隙越大,混凝土开裂所需的临界锈蚀率越大,临界锈蚀率随着混凝土弹性模量的增加而增加,混凝土强度等级越高,临界锈蚀率越高,随着钢筋半径的增加混凝土起裂所需的锈蚀率减小,随着膨胀倍数的增加临界锈蚀率不断下降,膨胀倍数在2.5之前临界锈蚀率下降速度最快,膨胀倍数在2.5之后下降速度较为平缓。     

锈损不锈钢钢筋混凝土梁受弯性能退化试验研究

为了得到海洋环境下不锈钢钢筋混凝土梁的服役性能演变规律,给结构性能评价和使用寿命评估提供可靠数据,采用加速锈蚀试验方法获取了不同锈蚀状态的不锈钢钢筋混凝土梁,开展了受弯性能试验研究,测试了纵筋的质量锈蚀率、主裂缝区域的纵筋锈蚀率和锈胀裂缝宽度,探讨了锈蚀对受弯梁破坏模式、裂缝开展和承载力的影响规律,并对不锈钢钢筋与普通钢筋混凝土梁的锈蚀特征与承载力的差异性及其主要原因加以分析。结果表明：相比普通碳素钢,不锈钢钢筋锈后形态更倾向于坑蚀,因而在相同的质量锈蚀率下,不锈钢钢筋混凝土梁承载力退化更为严重;不锈钢中铁元素含量较低,在相同的锈蚀时间下不锈钢锈蚀产物膨胀率较小,使得不锈钢钢筋混凝土构件的锈胀裂缝发展较为缓慢;由于锈胀裂缝的存在,受拉混凝土极易大块剥落,裂缝发展迅速;影响不锈钢钢筋混凝土梁受弯承载力的最主要因素是主裂缝附近区域内的不锈钢钢筋局部锈蚀率。不考虑不锈钢钢筋的非线性强化,基于锈蚀钢筋名义强度和平截面假定得到了不锈钢钢筋混凝土梁受弯承载能力计算模型,采用该模型得到的计算值与试验结果吻合较好,模型可以很好地反映锈损梁的受弯性能退化规律。     

Seismic fragility estimates for corroding reinforced concrete bridges

Seismic fragility of reinforced concrete (RC) bridges is defined as the conditional probability that the seismic demand exceeds the corresponding capacity, specified for a certain performance level, for given seismic intensity measures. However, the structural properties of RC bridges change over time due to the onset of corrosion in the reinforcing steel. Therefore, seismic fragility of RC bridges changes during a bridge lifetime. This paper proposes a method to estimate the seismic fragility of corroding RC bridges. Structural capacities are defined using probabilistic models for deformation and shear capacities of RC columns. Probabilistic models are also used to estimate the corresponding demands for given seismic intensity measures. The capacity and demand models are then combined with probabilistic models for chloride-induced corrosion and time-dependent corrosion rate to model the dependency on time of the seismic fragility of RC bridges. In particular, the loss of reinforcing steel is modelled as a function of the thickness of the cover concrete for each reinforcing bar in the RC columns. The stiffness degradation in the cover concrete over time due to corrosion-induced cracking is also considered in the fragility estimates. Seismic fragility estimates are then formulated at the column, bent, and bridge levels. The fragility formulations properly incorporate the uncertainties in the capacity and demand models, and the inexactness (or model error) in modelling the material deterioration. The proposed method accounts for the variation of structural capacity and seismic demand over time due to the effects of corrosion in the reinforcing steel. As an application, seismic fragility estimates are developed for a corroding RC bridge with 11 two-column bents over a 100-year period.     

Accurate cover crack modelling of reinforced concrete structures subjected to non-uniform corrosion

Abstract

Concrete cover cracking caused by reinforcement corrosion is a significant durability problem of reinforced concrete (RC) structures. Extensive research has been carried out in the last few decades while most were focused on corrosion of a single reinforcing bar. Very little research has examined the whole cover cracking of RC structures due to multiple reinforcement corrosion. This article develops a numerical model to predict the structural failure of the whole cover of concrete induced by corrosion of multiple reinforcing bars. Moreover, a non-uniform corrosion model is established based on experimental results, in contrast to conventional uniform assumption. Two typical cover failure modes under the non-uniform corrosion of multiple reinforcing bars are identified and discussed. The effects of cover thickness, reinforcement spacing, fracture energy of concrete, etc., on cover cracking patterns and crack width are also investigated. The derived numerical model is verified by comparing the results with those from experiments in literature. Accurate prediction of concrete cover cracking can allow timely maintenance of existing structures and rational design for new buildings which prolongs the service life of the RC structures.     

超大保护层钢筋混凝土梁短期裂缝宽度试验研究

为研究超大保护层水工钢筋混凝土梁的裂缝特征以及评估其对DL/T 5057—2009《水工混凝土结构设计规范》裂缝宽度计算公式的适用性,进行了10根截面宽度为200～300 mm、高度为400～1 000 mm、保护层厚度为25～150 mm配置HRB400钢筋混凝土简支梁的受弯性能试验,得到梁的开裂荷载、裂缝间距的大小与分布、裂缝宽度等,分析了混凝土保护层厚度对梁的裂缝间距和裂缝宽度的影响,结合短期裂缝试验结果,采用DL/T 5057—2009《水工混凝土结构设计规范》的裂缝计算公式进行了对比计算。结果表明：在正常使用状态下,当混凝土保护层厚度小于60 mm时,裂缝平均间距随保护层厚度的增大而增加;当混凝土保护层厚度超过60 mm时,保护层厚度对裂缝平均间距影响不大;平均裂缝间距、平均裂缝宽度和短期最大裂缝宽度试验值与按DL/T 5057—2009计算的结果相比总体上偏小。根据试验结果并参考相关规范,给出平均裂缝间距计算式,并根据黏结滑移理论得到了适用于超大保护层厚度的钢筋混凝土梁短期最大裂缝宽度计算式,经与裂缝试验资料对比计算,其短期最大裂缝宽度与试验结果吻合较好。     

混凝土横向裂缝对钢筋腐蚀速度影响的试验研究

分析了混凝土横向裂缝处钢筋的腐蚀机理,通过背对背的小梁试件对其进行了试验研究,得出了裂缝宽度、混凝土保护层厚度、混凝土水灰比对混凝土横向裂缝处钢筋腐蚀速度的影响规律.     

钢筋非均匀锈蚀引发的混凝土保护层开裂细观数值研究

混凝土保护层锈裂严重影响钢筋混凝土结构的耐久性。为了研究混凝土保护层的锈裂行为,考虑到混凝土细观结构的非均质性以及钢筋锈蚀的非均匀性,将完好混凝土视为由骨料、砂浆和界面过渡区组成的三相复合材料,建立了细观随机骨料模型。在模型中,钢筋的非均匀锈蚀行为以施加非均匀径向位移的方式模拟,骨料的力学行为假定为弹性,砂浆和界面过渡区的力学特性采用塑性损伤模型来描述。在此基础上进行了中部钢筋非均匀锈蚀引发的混凝土保护层开裂行为的细观数值模拟;分析结果与已有文献中的试验结果吻合良好。另外,对比了均质模型和非均质模型中钢筋均匀锈蚀和非均匀锈蚀导致的保护层开裂模式;并探讨分析了保护层厚度和钢筋直径对保护层开裂模式、钢筋锈胀压力及保护层开裂时钢筋锈蚀率的影响。     

混凝土保护层初始开裂影响因素分析

通过建立混凝土保护层胀裂时刻的力学模型,确定了混凝土保护层开裂时刻临界锈胀力的大小。分析了混凝土强度等级、相对保护层厚度(C/d)及钢筋间距S对混凝土保护层开裂的影响。研究表明:单根钢筋情况时,钢筋混凝土保护层初始开裂时的锈胀力Qc是关于混凝土抗拉强度和相对保护层厚度的函数,初始锈胀力随着混凝土抗拉强度和相对保护层厚度的增加而增加;存在相邻钢筋时会使得钢筋锈蚀产生的膨胀作用相互叠加,混凝土初始开裂时的锈胀力减小,加速混凝土的开裂。     

在役钢筋混凝土受弯构件承载力评估方法

在分析钢筋锈蚀造成钢筋混凝土构件力学性能退化的基础上，根据钢筋混凝土构件碳化锈蚀规律及混凝土保护层锈胀裂缝宽度与钢筋锈蚀深度的关系，提出了保护层锈胀开裂前和锈胀开裂后钢筋混凝土受弯构件承载力评估方法，可为在役钢筋混凝土结构耐久性评估及修复决策提供理论依据。     

荷载作用下开裂钢筋混凝土梁锈胀开裂模式及锈蚀分布研究

为提高混凝土结构的服役性能,对混凝土保护层的锈胀开裂过程进行研究。对荷载作用下锈蚀18个月的内掺氯盐钢筋混凝土梁的截面锈胀裂缝分析发现：环向裂缝宽度沿径向呈指数函数变化;锈胀裂缝的开裂模式、锈蚀产物与钢筋混凝土受力状态、骨料及裂缝的相对位置均密切相关;保护层破坏以层状破坏为主。通过研究提出,在对锈蚀钢筋混凝土梁进行承载力分析时,建议剪压区不考虑受压混凝土保护层的作用,对剪拉区和弯拉区钢筋与混凝土之间的黏结性能要进行折减。