盾构隧道衬砌结构偏心破坏转化临界锈蚀率预测

盾构隧道管片中的钢筋锈蚀会对结构的承载性能和破坏形态产生重要影响。一般盾构隧道结构多呈现小偏心受压状态,当钢筋锈蚀发展到一定程度时会出现小偏心向大偏心受力状态的转变,导致结构承载力下降、危及隧道运营安全。基于盾构隧道衬砌结构压弯受荷特点,设计小偏心加载的锈蚀试验柱,等效地模拟隧道衬砌的实际受力状态,分析不同锈蚀程度下试验柱跨中应变、极限承载力及裂缝的全过程演变。随锈蚀程度加重,试验柱承载力、混凝土应变、受压区高度下降速度逐渐加快,最大锈蚀率达到68.32%时,承载力最大降幅达到53.23%。试验发现高锈蚀程度(η≥46.25%)试验柱由小偏心破坏转化为大偏心破坏的现象。基于受弯构件正截面承载力理论分析,提出隧道衬砌结构由小偏心向大偏心破坏转化的临界锈蚀率理论计算方法,通过设计有限元计算流程验证了该方法的正确性。研究结果可为盾构隧道衬砌结构耐久性设计和安全评价提供理论支撑。

隧道衬砌锈蚀钢筋的热效应及红外检测方法

隧道衬砌受腐蚀环境、材料劣化以及地下水的影响,衬砌钢筋锈蚀将成为衬砌后期服役的主要病害之一,钢筋锈蚀以及产生的顺筋裂缝直接威胁衬砌的耐久性和安全性,为此,及时检测钢筋锈蚀程度十分重要。目前的检测方法以接触式测量为主,效率低,为探究非接触快速检测的可行性,采用室内试验和数值分析相结合的方法,深入研究了浅层钢筋锈蚀的热传导规律,分析了主动热激励条件下钢筋锈蚀程度和混凝土保护层厚度对衬砌表面温度场的影响规律。结果表明:主动热激励条件下锈蚀产物表面分布区在热像图中表现为高温区;钢筋锈蚀率为4.36%~23.16%时,衬砌表面温差为2.3℃~4.4℃;试件表面温差随钢筋锈蚀程度的增加而增大,呈现三次函数的关系;而混凝土保护层厚度与表面温差呈明显的负相关性,保护层厚度越大,温差越小。夏季时由于衬砌内外温差导致的热传导效应将在钢筋锈蚀位置的衬砌表面产生,通过红外热像仪检测衬砌表面的温度分布,结合衬砌表观特征,可以综合判定钢筋的锈蚀程度,为钢筋锈蚀的快速检测提供了新的方法和技术手段。

一般大气环境下钢筋锈蚀深度的RBF神经网络预测模型研究

钢筋锈蚀深度预测是评估在役RC结构服役性能的基础。为建立一般大气环境RC构件中钢筋锈蚀深度预测模型,通过收集实测数据,分析影响钢筋锈蚀深度的主要参数及其影响规律,继而基于实测数据建立数值模型和RBF神经网络预测模型,并进行参数敏感性分析。研究结果表明:与数值模型相比,RBF神经网络对钢筋锈蚀深度预测效率与精度更高,能够有效映射各影响参数与钢筋锈蚀深度之间复杂的非线性关系。参数敏感性分析结果显示,钢筋混凝土表面锈胀裂缝宽度对钢筋锈蚀深度影响最大,钢筋直径、保护层厚度与钢筋直径之比和混凝土抗压强度等其他因素影响次之。所得模型可用于工程检测中钢筋锈蚀程度预测与RC构筑物剩余服役寿命评估。

锈蚀钢筋混凝土黏结滑移本构模型及数值模拟应用

为研究纵筋与箍筋共同锈蚀对钢筋混凝土黏结性能的影响,采用电渗—恒电流—干湿循环的加速锈蚀方法对25个钢筋混凝土(RC)试件进行锈蚀,进而对其进行拉拔试验,研究了纵筋锈蚀、箍筋锈蚀、保护层厚度和箍筋间距等参数对黏结性能的影响规律。分析了锈蚀对混凝土与钢筋界面间黏结力的影响,将黏结性能退化归因于材料性能退化和约束效应退化,基于试验数据,建立并验证了一个考虑设计参数、纵筋及箍筋共同锈蚀的修正黏结滑移本构模型。结合所提本构模型及微元算法建立了锈蚀纵筋应力-滑移模型,基于OpenSees平台,将所建模型应用于零长度截面单元中,通过串联纤维梁柱单元与零长度截面单元建立了考虑黏结滑移变形的锈蚀RC构件数值模型,根据锈蚀RC柱拟静力试验数据对该模型的准确性进行验证,并采用仅考虑锈蚀损伤的纤维模型进行辅助验证。结果表明:混凝土与钢筋界面间黏结力随锈蚀程度的增加呈先上升后下降的趋势,增加保护层厚度可略微增加黏结强度,而箍筋加密对黏结强度提升明显;与纤维模型相比,所建锈蚀RC纤维模型承载力、累计耗能和极限位移误差分别降低12.8%、23.5%和14.2%,表明所建模型可合理计算钢筋滑移的贡献且准确预测锈蚀RC柱地震整体响应。

局部锈蚀圆钢管混凝土短柱轴压承载力试验研究

钢管混凝土(CFST)在服役环境中被腐蚀,导致其钢结构承载力降低,严重威胁到结构的服役性能和使用寿命。首先,采用机加工车铣方法制作模拟局部锈蚀的人工缺陷,然后以钢管外表面局部环向贯通锈蚀位置、锈蚀钢管体积损失率、锈蚀外表面面积损失率(简称锈蚀面积损失率,下同)为试验参数,对45根局部锈蚀圆CFST短柱试件进行轴压承载力试验;其次,分析锈蚀位置、锈蚀钢管体积损失率、面积损失率和壁厚损失率对锈蚀试件承载力、刚度和延性的影响,揭示锈蚀CFST试件破坏机理和承载力退化机制;最后,针对局部锈蚀圆CFST短柱构件轴压承载力提出一个简化实用计算公式。研究结果表明:各试件具有类似的破坏特征,主要呈明显的腰鼓状破坏,且发生在锈蚀区;随着锈蚀钢管体积损失率增大,锈蚀CFST柱的承载力、刚度和延性均出现不同程度的降低;在锈蚀钢管体积损失率和面积损失率相同的情况下,就局部锈蚀位置影响而言,中部影响最大;就锈蚀程度表征参数影响而言,锈蚀钢管体积损失率影响最大,面积损失率次之,壁厚损失率最小;本文提出的简化实用公式可为圆钢管混凝土构件全寿命设计提供参考依据。

加载速率对锈蚀钢筋与混凝土粘结性能的影响

为探究加载速率对锈蚀钢筋与混凝土粘结性能的影响,开展16根RC梁(质量损失率0%~8.7%)在不同加载速率(0.5~300 mm/min)下的粘结性能测试,据此提出考虑加载速率和钢筋锈蚀影响的粘结强度计算公式,并开展锈蚀钢筋混凝土梁粘结力学行为的数值模拟,分析高加载速率(30~30000 mm/min,应变率10^(-4)~10^(-1)s^(-1))下锈蚀梁的粘结滑移力学行为。研究表明:(1)加载速率对锈蚀钢筋混凝土梁式试件的粘结应力-滑移曲线形状以及粘结强度与残余粘结强度的比值影响不大;(2)随着加载速率的增加,锈蚀钢筋与混凝土的粘结强度和残余粘结强度显著增加,粘结区应力峰值显著增加并逐渐向加载端靠近;(3)本工作提出的考虑加载速率和钢筋锈蚀影响的粘结强度计算公式在0.5~30000 mm/min的加载速率范围内有很好的适用性。

近海大气环境下RC结构钢筋锈蚀程度预测

钢筋锈蚀是影响近海大气环境下RC结构使用寿命的重要因素之一。为研究近海大气环境下混凝土碳化与氯离子侵蚀双重作用对钢筋锈蚀的影响,对沿海地区不同龄期钢筋混凝土结构进行了工程实测,包括混凝土抗压强度、碳化深度、钢筋表面氯离子浓度及锈蚀深度。基于实测结果,拟合得到了混凝土碳化深度与抗压强度间的关系模型,建立了同时考虑混凝土碳化深度与钢筋表面氯离子浓度的钢筋锈蚀深度预测模型。在此基础上,利用Abaqus分析软件对不同龄期、轴压比的RC框架柱进行了损伤塑性分析,得到了锈蚀RC框架柱抗震性能随服役龄期与轴压比的变化规律。

湖北省博物馆馆藏部分铁质文物的锈蚀产物与锈蚀机制

湖北省博物馆馆藏部分铁质文物锈蚀严重,造成其出现层状剥落、残缺、裂隙、变形等病害。采用便携式X射线荧光光谱仪(XRF)、激光拉曼光谱、扫描电镜-能谱(SEM-EDS)、X射线衍射(XRD)等现代检测技术,对这批铁器锈蚀产物的形貌、元素、成分与锈蚀机理进行分析。结果表明:这批铁器普遍含有氯(Cl)元素,且Cl含量越高,器物的外观残损程度越大,锈层越厚、越蓬松、多孔。此外,这批铁器中,不含Cl的铁器锈层明显分为三层,且锈蚀内层较为致密,外层相对疏松;三层锈蚀产物中均检测出α-FeOOH、α-Fe_(2)O_(3)、γ-Fe_(2)O_(3)、Fe_(3)O_(4)和γ-FeOOH,前四种为稳定的无害锈,后一种为不稳定的有害锈。含Cl铁器的锈层也存在明显的分层现象,且外层和中间层锈蚀产物较为疏松,主要成分为α-FeOOH、β-FeOOH、γ-FeOOH、γ-Fe_(2)O_(3),内层锈蚀产物略微致密,主要成分为α-FeOOH、γ-FeOOH、α-Fe_(2)O_(3)、γ-Fe_(2)O_(3)。其中锈蚀产物β-FeOOH、γ-FeOOH不稳定、活性强,会在铁器表面不断重复生长,造成铁器出现层状剥落、裂隙、断裂等严重病害。另外,含Cl的铁器锈蚀产物中β-FeOOH含量往往较高,其含量与Cl的存在密切相关。这批铁器锈蚀产物的组成与含量存在明显差异,不含Cl铁器锈蚀产物中有害锈含量较少,而含Cl铁器锈蚀产物中有害锈含量则随Cl含量的增加而增加,锈层内无害锈与有害锈的质量分数比值(w无害锈/w有害锈)会减小,因此,Cl含量最高的西汉铁刀w无害锈/w有害锈最小为0.40,不含Cl铁刀的w无害锈/w有害锈最大为6.63。

钢筋锈蚀作用下隧道衬砌结构力学性能劣化研究

考虑锈蚀引起的钢筋力学性能劣化、混凝土有效截面减少、两者黏结性能退化等因素,建立围岩压力作用下钢筋锈蚀隧道衬砌模型,对不同锈蚀率下衬砌结构变形、损伤、内力重分布和裂缝宽度变化进行分析。研究结果表明,锈蚀对衬砌结构各部位损伤严重程度表现为拱顶>拱肩>拱脚>拱腰>仰拱;锈蚀引起结构内力重分布,当锈蚀率由0%发展到20%时,衬砌结构临空侧受拉处弯矩逐渐减小,围岩侧受拉处的弯矩逐渐增大,衬砌轴力整体变化不大,最大变化量仅为7.53%;拱顶裂缝宽度发展最快,拱肩和拱脚次之,当锈蚀率发展到2.7%时,拱顶最大裂缝宽度已不满足耐久性要求;开裂区钢筋锈蚀对衬砌力学性能劣化起主导作用,仅开裂区钢筋发生锈蚀时,衬砌结构力学性能劣化规律与钢筋全长锈蚀情况类似,但锈蚀导致的内力变化幅度和裂缝宽度减小。

混凝土对钢筋初锈阶段锈蚀产物分布的影响

为了研究不同水灰比及掺合料在钢筋锈蚀初期对锈蚀产物分布的影响,通过扫描电镜观测得到不同混凝土试件内不同截面的钢筋锈蚀率及锈蚀产物在钢筋/混凝土界面附近的分布情况,并通过压汞试验得到各个试样的孔隙率。试验结果表明:相同锈蚀条件下,钢筋锈蚀率随着混凝土孔隙率的增大而呈现加速增长的趋势。钢筋锈蚀初期的试验观测还发现:锈蚀产物会在钢筋/混凝土界面逐渐积累为锈层,也有部分锈蚀产物会填充到附近砂浆的孔隙中,据此给出了锈蚀产物在混凝土内的传输行为;锈蚀产物在钢筋表面形成的锈层分布随机,难以采用模型进行描述,只有当钢筋锈蚀发展到一定程度后,才可能用以往提出的钢筋截面非均匀模型进行合理表达。

往复荷载作用下锈蚀钢筋与混凝土黏结性能研究

采用梁式试件进行25次往复荷载(25%、45%和65%极限荷载)作用下锈蚀钢筋(理论锈蚀率为2%、4%和6%)混凝土间黏结性能试验研究。结果表明:钢筋混凝土梁式试件均发生劈裂破坏;钢筋混凝土间的滑移在前十个往复荷载循环周期内基本完成,而后试件加载前后滑移差逐渐缩小,滑移量基本不再增加;在试件所受荷载等级一定时,试件加载端与自由端钢筋混凝土间的滑移随着锈蚀率增加而增大;而控制纵筋的锈蚀率不变,试件纵筋与混凝土之间自由端和加载端的滑移量随着荷载等级的提高而增加明显;往复荷载等级对于试件滑移量的影响较钢筋锈蚀相比更加明显。

钢筋锈蚀粘结削弱后轴心受压柱承载能力试验研究

通过去除钢筋周围粘结混凝土的方法来模拟钢筋锈蚀后粘结性能下降对柱抗压承载力的影响情况。研究发现:钢筋锈蚀程度对粘结力削弱的轴心受压柱的承载力影响较明显,在钢筋锈蚀不严重时,钢筋与混凝土的应变基本一致,柱破坏时两种材料强度能发挥出来;钢筋严重锈蚀时,混凝土应变滞后,柱破坏时混凝土的强度不能充分发挥出来,且钢筋锈蚀根数越多柱承载力下降越快;同时,随着粘结性能下降,柱破坏时裂缝的条数、长度及宽度都有所减少。根据试验研究结果,推导出粘结削弱轴心受压柱混凝土柱承载力计算方法。

融合边缘感知与统计纹理知识的输电线路金具锈蚀检测

针对输电线路金具目标小、背景环境复杂和锈蚀区域不规则等问题,提出了一种融合边缘感知与统计纹理知识的输电线路金具锈蚀检测算法。首先通过改进YOLOv7模型检测金具,然后利用改进Res-UNet模型对检测的金具进行锈蚀分割,加入SE(squeeze-excitation)注意力提高模型的稳定性,引入统计纹理知识模块(statistical texture knowledge module,STM)和边缘感知模块(edge-aware module,EAM),提出一种知识融合模块对边缘感知和统计纹理知识进行融合,提高对锈蚀分割精度。实验结果表明,检测和分割模型mAP分别提高了2.8百分点和7.7百分点。

不同锈蚀程度下栓钉连接件的抗剪性能分析

为研究栓钉连接件锈蚀条件下的抗剪性能退化规律,建立ABAQUS有限元模型进行数值模拟.针对均匀圆环、受压区半环、受拉区半环及拉压区半环4种不同的锈蚀分布形态,考虑不同的锈蚀高度、锈蚀深度进行数值分析.结果表明,当锈蚀深度相同时,4种锈蚀分布形态的栓钉抗剪承载力随锈蚀高度的增加而降低,在锈蚀高度为10 mm时降到最小,且锈蚀深度越大,承载力降低程度也越大;当锈蚀高度相同时,随着锈蚀深度的增加,抗剪承载力和抗剪刚度基本上呈线性下降趋势;当锈蚀高度和深度相同时,均匀圆环锈蚀的抗剪承载力和刚度的降低程度最大,相比其他3种情况降低60%左右,受压区半环锈蚀的抗剪承载力和刚度的降低程度最小.研究成果可为钢混组合结构栓钉连接件耐久性设计提供参考.

低胶材钢筋混凝土碳化对钢筋锈蚀影响研究进展

在国家积极推进碳达峰、碳中和目标背景下,水泥混凝土行业减少碳排放势在必行。文中重点综述了低水泥用量高掺合料对混凝土碳化行为的影响机理研究现状,涉及碳化行为对混凝土内部钢筋锈蚀的影响机理、混凝土内部钢筋锈蚀的评价方法及优缺点,并指明了进一步的研究方向,这对于改善高掺合料钢筋混凝土耐久性和降低建筑行业碳排放具有重要意义。

基于组合性能指标的立面差异化锈蚀桥墩时变抗震韧性研究

为了研究立面差异化锈蚀桥墩在全寿命周期内的震后可恢复性能,该文基于结构震中响应和震后状态提出了一种“先判定损伤等级后评估可修复程度”的桥墩抗震韧性概率评价方法。以地震易损性分析为基础,基于最大位移角-残余位移角组合指标构建桥墩震后可恢复性曲线,给出桥墩各级破坏状态下多级可修复程度的概率计算方法。根据海洋环境的腐蚀特点,建立了立面差异化锈蚀桥墩的有限元模型,通过Pushover分析研究了全服役期内桥墩抗震性能的退化规律。采用增量动力分析(IDA)方法对不同服役年限的桥墩进行地震易损性分析,根据墩顶最大位移角定义桥墩破坏状态、以峰值加速度(PGA)表征地震动强度,从而建立起桥墩时变地震易损性曲线。以残余位移角为参考指标,对桥墩不同服役时间的各级破坏状态进行震后可修复程度的分类与统计,通过构建可恢复性曲线实现桥墩不同破坏状态下各级修复难度的概率评估。研究结果表明,随着服役时间的增长,钢筋锈蚀会导致桥墩抗震性能的不断退化。相比未锈蚀情况,桥墩服役100年后,承载力下降约20.22%,而侧向变形能力降幅可达75.30%。同时,随着服役时间的增长,桥墩各级破坏状态的地震失效概率逐渐增大,且震后修复难度也随之提高。当PGA为0.6 g时,桥墩从未锈蚀到服役100年,发生严重破坏的超越概率由16.92%上升到了35.66%,而震后需要简单修复的概率由14.17%上升至26.49%,并出现了较难修复和难以修复的情况。

加速碳化条件下不同养护制度对碱矿渣混凝土钢筋锈蚀的影响

研究了加速碳化环境(CO_(2)浓度为20%)下,标准养护、饱和Ca(OH)_(2)溶液养护和蒸压养护对CaO+Na_(2)CO_(3)为激发剂的碱矿渣混凝土(CNC)中钢筋锈蚀的影响。结果表明,与标准养护相比,饱和Ca(OH)_(2)溶液养护不改变CNC的水化产物,但使其早期水化更加充分,因此平均孔径减小;蒸压养护使CNC水化产物由C-S-H凝胶转化为水榴石与11-?型的托勃莫来石,平均孔径和总孔隙率显著减小。在相同的加速碳化龄期下,与标准养护相比,饱和Ca(OH)_(2)溶液养护和蒸压养护的CNC碳化深度降低、CNC中钢筋发生高概率锈蚀时间延缓、钢筋失重率下降。与相同养护条件下的普通硅酸盐混凝土相比,标准养护和饱和Ca(OH)_(2)溶液养护的CNC中钢筋抗锈蚀能力远小于普通硅酸盐混凝土,而蒸压养护的CNC中钢筋抗锈蚀能力大于普通硅酸盐混凝土。

改进U_Net网络的钢结构表面锈蚀图像分割方法

为实现锈蚀图像分割网络模型轻量化,同时消除非单一特征背景和锈液等类似特征背景干扰,本文将U_Net网络模型的编码部分替换为MobilenetV3_Large网络,导入基于ImageNet数据集的MobilenetV3_Large网络预训练权重,将U_Net网络模型解码部分的普通卷积替换为深度可分离残差卷积,并在上采样的过程中添加注意力导向AG模块和Dropout机制。经实验验证表明,本文设计的改进U_Net网络模型在非单一特征背景和锈液等类似特征背景干扰下,具有明显的锈蚀图像分割优势,相比于原U_Net网络模型,模型大小减少了81.18%,浮点计算量减少了98.34%,检测效率提升了3.27倍,即从原来不足6 fps,提升至19 fps。网络模型实现轻量化的同时,网络模型的准确率达95.54%,相比于原U_Net网络模型提升了5.04%。

含氯再生骨料混凝土中钢筋抗锈蚀性能试验研究

沿海地区废弃混凝土受氯离子侵蚀,为使其更好地再生利用,探究含氯再生骨料混凝土的改性方法及钢筋抗锈蚀性能,以矿物掺合料种类及掺量、再生骨料强化为变量,设计15组混凝土,对混凝土中钢筋通电加速锈蚀,并通过电化学工作站的线性极化法和电化学阻抗谱法测试其钢筋电化学指标。结果表明:含氯再生骨料混凝土中钢筋锈蚀进程快于普通不含氯再生骨料混凝土;纳米SiO_(2)溶液强化含氯再生骨料,以及在混凝土中复掺矿物掺合料均可提高含氯再生骨料混凝土钢筋抗锈蚀性能;通过强化改性的含氯再生骨料混凝土的钢筋抗锈蚀性能不低于普通再生骨料混凝土。

基于ANN和XGB算法的锈蚀钢筋混凝土高温粘结强度预测方法

为准确评估锈蚀钢筋混凝土(CRC)结构在突发火灾下的结构承载力,锈蚀钢筋混凝土高温粘结强度的统一预测方法研究亟待开展。然而,粘结退化机理复杂,粘结因素众多,实验方法不能考虑所有粘结因素的相关复杂关系的影响。在现有大量试验数据的基础上,采用机器学习方法可以有效地通过数据建立输入和输出特征之间的回归关系。该文利用ANN和XGB两种机器学习算法建立了一个统一的锈蚀钢筋混凝土高温粘结强度预测模型。基于612组高温锈蚀钢筋混凝土的试验研究数据,进行模型训练和测试。结果表明:ML模型的预测结果与实验结果十分吻合。此外,针对机器学习算法本身存在的黑盒子问题,使用SHAP方法来解决锈蚀钢筋混凝土高温粘结强度预测过程中的模型可解释性问题。同时,还将ML模型的计算结果与三种理论计算公式的结果进行了比较,结果表明:ML模型具有明显的优势。新构建的混合机器学习模型很有可能成为准确评估CRC结构经受高温后的损伤程度问题的新选择。