锈蚀及疲劳损伤后钢筋混凝土梁寿命预测及敏感性分析

为了探究锈蚀和疲劳作用后钢筋混凝土梁的长期性能,基于试验建立了钢筋混凝土梁含初始损伤的长期性能计算模型.基于该模型建立了锈蚀及疲劳损伤后钢筋混凝土梁的极限状态方程,采用蒙特卡洛模拟研究了梁长期性能的时变可靠度并进行了寿命预测,分析了设计参数和初始损伤对梁使用寿命的影响,研究了试验梁满足100 a使用寿命的临界服役条件.结果表明,锈蚀和疲劳作用会严重削弱钢筋混凝土梁的长期性能,仅含4%锈蚀率和15%疲劳损伤梁的长期性能难以满足服役要求.增加梁的截面高度和钢筋截面面积可以有效地提高梁的长期性能,增大梁的截面宽度只能改善初始损伤小的梁的长期性能.

基于修正力磁模型的混凝土结构压磁疲劳模拟

为了通过混凝土梁内钢筋在力磁效应下的磁信号来定量分析混凝土梁的疲劳状态,整合几种力磁模型的优缺点和适用范围,提出了适用于铁磁性材料弹塑性阶段的力磁本构模型,并通过ANSYS定量模拟分析了混凝土梁在弹性和弹塑性阶段的磁化特征;对混凝土结构在拟动力和疲劳加载过程中的力磁效应进行了有限元模拟,得到了测点处磁感应强度的时变曲线,并与试验和隐式微分模型所得结果进行对比。结果表明:修正后的力磁模型在弹性阶段的应用能够准确反映试验观察到的3个阶段变化规律,即梁开裂前的平直段、开裂后的迅速磁化段和加载后期的磁化饱和段;该模型的磁场模拟结果还能反映箍筋、纵筋的相对位置和梁的受载情况;在疲劳阶段,模拟结果与试验观察的规律一致,精度较高,并与试验结果在同一数量级;该修正力磁模型不仅具有应力与磁学属性的直观映射关系,而且相较于隐式微分模型更易于应用,可作为力磁效应的定量化研究工具。

损伤混凝土结构的长期变形与力学性能研究综述

混凝土结构在服役过程中会受到复杂的环境与荷载作用,这些复杂荷载作用会使结构产生损伤,不仅会引起结构的内力重分布,还会导致结构构件的抗力性能劣化,增大结构的长期变形,带来一系列结构安全问题。现有关于混凝土结构长期变形的研究,大多以徐变为主要考察对象,较少考虑其他环境及荷载作用,对耦合作用下不同损伤的混凝土结构的长期变形规律、力学性能退化研究尚不充分。为此,梳理了损伤混凝土结构长期变形的相关研究,分别对环境侵蚀作用、循环荷载作用与复杂荷载作用下,混凝土结构的长期变形与力学性能研究进行了分析与评价,最后提出需要完善的内容和发展趋势。

持续荷载作用下疲劳损伤混凝土梁的变形性能分析

为明确往复荷载和持载作用下混凝土梁变形的发展规律,本文通过弯曲疲劳加载引入疲劳损伤后采用堆载法对4根梁进行堆载徐变试验,研究疲劳损伤对梁受压区混凝土的徐变发展规律和持续荷载作用下梁变形性能的影响。研究结果表明:相较于无损梁,疲劳损伤梁受拉区混凝土最大裂缝宽度、受压区混凝土总应变和总挠度更大,且在堆载作用下的发展速率更快,随着疲劳损伤程度的增大,各指标也有增大的趋势;疲劳作用促进了混凝土微裂缝的产生和发展,提前并加速了梁徐变变形的发展,导致前期疲劳加载就已产生了部分徐变应变和徐变挠度;基于试验结果建立了疲劳损伤梁受压区混凝土总徐变应变和梁徐变挠度计算模型,发现疲劳循环寿命比为0.025、0.15和0.60时的疲劳残余挠度分别相当于无损梁128、800和1180 d的徐变挠度。

多因素作用下混凝土梁长期性能时变劣化规律

为了探究混凝土梁在锈蚀、疲劳、徐变等多因素长期作用下的性能劣化规律,对21根试验梁开展了锈蚀、疲劳和徐变的正交分组试验,通过对钢筋锈蚀深度、梁的刚度和疲劳寿命的测量计算,研究了钢筋混凝土梁长期性能的时变劣化规律。研究结果表明:相较于无损梁,在2.5%、15.0%、60.0%疲劳寿命比和3、6个月持续荷载作用下,损伤混凝土梁的锈蚀深度扩大了1.337~1.934倍;随着钢筋锈蚀和疲劳损伤程度的加深,损伤梁的刚度下降了1.694 kN·m^(2),在持续荷载作用下,其刚度仅为无损梁的34.1%;在锈蚀和徐变相继作用后,损伤梁的疲劳寿命仅为无损梁的16.14%。根据试验研究结果,给出了损伤混凝土梁的临界锈蚀深度衰减系数、短期刚度降低系数、刚度退化系数和疲劳寿命衰减系数,以反映复杂荷载与环境作用对混凝土梁长期性能的影响,为混凝土结构的长期性能评估提供了科学依据。

混凝土桥梁结构全寿命可持续性成本量化模型

为了在规划设计阶段定量化地考虑工程结构的环境和社会影响,提出一种综合性的全寿命可持续性成本指标框架和计算模型。在环境影响方面,将空气、水体和土壤污染物的防治成本作为量化指标,提出工程活动、交通绕行和交通拥堵引起的环境成本模型,汇总常见建筑材料和燃料动力的环境成本费率。在社会影响方面,提出社会成本量化模型,涵盖施工和交通安全、客货运输、区域经济、居住环境和公共服务等方面。以沿海桥梁维护方案比选为例,说明全寿命可持续性成本的参数取值和计算方法。结果表明,对于占用车道的桥梁维修方案,环境和社会成本之和远超直接经济成本,而不占用车道的维护方案的环境和社会成本很少,其中环氧涂层方案的可持续性优于电化学除氯方案。

基于集成图神经网络的钢材大气腐蚀预测方法

我国现行规范中的碳钢大气腐蚀预测模型准确度较低,亟需提出更准确的预测模型。针对我国典型环境地区各类钢材,收集10个大气暴露试验站腐蚀数据,构建大气腐蚀数据集,提出基于集成图神经网络(BGNN)的钢材大气腐蚀预测方法,即关联特征相似的数据点,构成结构化数据集。通过随机抽样,在结构化数据集基础上生成结构化采样子数据集和余特征数据集。训练预先构建的基本图神经网络(GNN)回归器,并将若干回归器集成得到BGNN模型。采用不同方法预测我国钢材大气腐蚀数据集并进行对比,结果表明,规范公式预测误差最大,SVM和LSTM预测效果较好,BGNN的预测误差最低,预测效果最好。相比单一GNN,BGNN预测误差更小,对超参数的选取相对不敏感。BGNN模型能够充分考虑不同地区、不同钢材和不同气候环境条件间的相似性,增强对关联数据的分析能力,使对新预测目标归因分析更明确、预测准确率更高。

初始加载龄期对陶粒混凝土梁徐变性能的影响

徐变性能对混凝土结构的承载性能有较大影响,初始加载龄期(养护龄期)对徐变有较大影响,基于4种不同初始加载龄期的陶粒混凝土梁,进行了为期200 d的徐变试验,研究初始加载龄期对陶粒混凝土梁徐变性能的影响规律试验研究,并建立基于ACI-209徐变计算模型和ACI-435长期挠度计算方法建立陶粒混凝土结构的徐变值计算式。结果显示:随着初始加载龄期的增加,陶粒混凝土梁的初始挠度、徐变挠度速度和最终挠度值均呈现减小的趋势,减小的幅度也随着加载龄期的延长而逐渐减弱;徐变值计算式的计算值与试验观测值较接近,所建立的计算式具有较好的准确性和适用性;综合考虑工期和经济指标,建议将90 d作为预制陶粒混凝土梁的加载龄期。研究结论可为陶粒混凝土结构徐变计算提供参考。

混凝土梁内坑蚀钢筋的疲劳断裂特性及其压磁表征研究

文章开展带蚀坑纵筋的混凝土梁疲劳试验,实时测量和分析坑蚀钢筋的压磁信号。研究结果表明:纵向钢筋在跨中蚀坑处的脆性断裂引发梁的疲劳失效,蚀坑会严重降低混凝土梁的疲劳寿命;跨中挠度、混凝土压应变和压磁信号均符合疲劳三阶段的变化规律,压磁滞回曲线变幅能够反映梁中坑蚀钢筋的疲劳损伤进程。基于断裂力学方法预测了梁内坑蚀钢筋的疲劳裂纹扩展过程,并通过建立压磁信号和钢筋蚀坑处应力强度因子的定量关系获取混凝土内坑蚀钢筋疲劳裂纹扩展速率,发现断裂力学方法和文章压磁方法预测的裂纹扩展结果基本一致且压磁信号对混凝土梁内坑蚀钢筋疲劳裂纹扩展很敏感。研究结果有望为基于压磁方法评估锈蚀钢筋混凝土梁疲劳损伤提供依据。

修复混凝土内部钢筋纵向腐蚀行为研究

氯离子侵蚀下修复混凝土内部钢筋易再次发生微、宏电池腐蚀.为探究混凝土修复后钢筋纵向腐蚀特征,本文构建了物质传输-腐蚀区域动态界定-钢筋电化学腐蚀多场耦合模型.通过现有文献中的数据证明了基于塔菲尔斜率的腐蚀区域动态界定方法的有效性,利用模型对修复混凝土中沿钢筋纵向微、宏电池的腐蚀机理以及腐蚀的非均匀分布特征进行了研究,同时讨论了不同修复区长度与混凝土初始状态下的修复效果.结果表明,修复混凝土内部钢筋腐蚀出现在靠近修复界面的旧混凝土区中,修复界面存在明显的阳极环效应;修复前旧混凝土区内的氯离子浓度增加会显著提高腐蚀速率;随着旧混凝土修复区长度增大,钢筋腐蚀速率加快.

基于复合材料理论的混凝土内多离子扩散模型

根据Nernst-Einstein方程以及离子的浓度和电导率关系,探究多离子传输时离子浓度对离子扩散系数的影响,比较单离子传输和多离子传输的离子扩散系数差异.根据通用有效介质(GEM)理论,分别计算水泥浆、骨料和ITZ内部的离子扩散系数和体积分数,得到混凝土内部离子扩散系数,探究混凝土的构成组分对离子扩散系数的影响.综合考虑混凝土的构成组分以及离子的种类和浓度,提出基于多相复合材料理论的混凝土内部多离子扩散预测模型.比较计算结果与试验数据可知,离子的扩散系数随着离子浓度的增加而明显下降.和传统的离子扩散预测模型相比,该模型可以通过混凝土内部离子的种类和浓度预测离子的扩散系数,预测结果更加合理.

含锈蚀和疲劳损伤混凝土梁的长期变形性能试验研究

为研究结构在锈蚀、疲劳、徐变多因素作用下的长期变形性能,开展了含锈蚀、疲劳损伤钢筋混凝土梁的长期持载试验,记录并分析了不同损伤试件的裂缝、应变及挠度发展规律。研究结果表明:持载作用下,试件原有裂缝的宽度和长度都有所增加,还会产生新的竖向裂缝,裂缝变化主要集中在持载前期,之后趋于稳定;含疲劳损伤试件新增竖向裂缝较少,含锈蚀损伤试件还会产生新的纵向裂缝;锈蚀损伤越大,试件受压区混凝土徐变应变越小;锈蚀损伤和疲劳损伤会缩短徐变应变进入相对平稳期的时间,提前了约10 d;锈蚀通过增加抗弯刚度来影响试件的收缩徐变挠度,疲劳以及锈蚀和疲劳共同作用主要通过削弱抗弯刚度和消耗受压区混凝土塑性变形来影响试件的收缩徐变挠度。

锈蚀RC梁持荷作用后的疲劳寿命预测模型

为探究锈蚀混凝土梁在持荷损伤后的疲劳寿命规律,文中通过引入锈蚀作用修正系数,建立损伤混凝土梁的疲劳寿命预测模型;根据线弹性断裂力学基本理论,考虑钢筋等效初始缺陷尺寸,建立基于EIFS的疲劳寿命预测模型。并根据S-N曲线方程分析损伤混凝土梁剩余疲劳寿命随着钢筋临界锈蚀率的变化规律,研究表明当钢筋锈蚀率超过7.5%时,损伤混凝土梁的疲劳寿命不足50%。疲劳寿命预测模型与结果可为混凝土结构疲劳性能分析提供参考。

考虑可持续性的RC结构全寿命多属性决策

为了有效延长重大交通基础设施的使用寿命,降低其对环境和社会的不利影响,针对氯盐环境中钢筋混凝土(RC)结构的设计与维护提出考虑可持续性成本的多属性决策方法.该方法能够解决工程决策中不同属性排序不一致的问题,为不同风险态度的决策者提供综合考虑可持续性的决策指标和排序方法.多属性决策方法设置性能评估、成本分析和效用分析模块,依次分析RC结构在氯盐环境下的长期性能劣化规律、不同维护措施的提升效果与维护时机(包括环氧涂层、双向电迁移、黏贴钢板和黏贴碳纤维增强复合材料(CFRP)措施)、全寿命可持续性成本及其不确定性,进一步通过组合赋权法确定经济、环境和社会成本的权重,计算得到不同设计与维护方案的多属性效用值用于决策.对设计使用寿命为200 a的RC箱梁进行案例分析,结果表明:在初始设计时能够合理提高结构性能、降低失效风险、减少维护次数的长寿命方案具有更好的可持续性,但必须权衡各类成本和性能提升之间的综合效用.

海水干湿交替区氯离子对混凝土侵入作用的现场检测和分析

为研究海水干湿交替区氯离子对混凝土结构的侵入规律,本文分别对作用时间为4年多和16年多的2个海港码头干湿交替区进行多次现场检测。考虑了混凝土的表层对流区深度,运用Fick第二定律对实测氯离子侵入资料进行拟合,研究了干湿交替区不同高程纯扩散区域的表面氯离子含量和氯离子扩散系数。根据该海区潮汐特征的统计资料计算得到不同高程的海水年浸润时间比例,研究了不同码头海水年浸润时间比例与平均表面氯离子含量和平均扩散系数之间的关系。结果表明,海水年浸润时间比例在0.3~0.5之间时,平均表面氯离子含量和平均氯离子扩散系数都较大,将可能对混凝土结构造成严重的侵蚀。本文引入海水年浸润时间比例,可以将干湿交替条件下的氯离子侵入规律应用到其它海域。

考虑太阳辐射作用的砌体结构温度场

为探讨砌体结构的温度裂缝机理 ,对砌体结构的温度场进行了研究 .由通用有限元软件 SAP AL OGOR的稳态温度场计算结果得出砌体结构的温度分布规律 ,提出了简化的计算方法 ,即对墙体和屋面分别按独立的一维问题进行计算 .推导了一维瞬态温度场的隐式差分公式 ,取消了时间步长和空间步长的相互约束 .编制了程序进行计算 ,所得墙体计算结果与实测资料相吻合 ,表明该计算方法是简洁可行的 ;同时 ,利用该方法可为砌体结构的温度应力计算提供可靠的温度参数 .

双向电渗对钢筋混凝土修复效果的试验研究--保护层阻锈剂、氯离子和总碱度的变化规律

为提高氯盐侵蚀环境下钢筋混凝土结构的无损修复效果,对受氯盐侵蚀的钢筋混凝土试件采用双向电渗技术,在排出氯离子的同时向混凝土保护层内引入阻锈剂.为考察该技术的修复效果,采用有机元素分析法和自动电位滴定法,结合电流密度、通电时间、水灰比、初始氯盐掺量4个影响因素,研究混凝土保护层内阻锈剂、氯离子分布的变化情况,并对保护层的总碱度进行测量;同时设置电化学除氯组作为对照.结果表明:双向电渗处理后试件保护层内氯离子含量降低,总碱度提高;通过对各参数的合理控制,阻锈剂迁移至钢筋表面的浓度足以起到较好的阻锈效果.双向电渗的效果随电流密度、通电时间、试件水灰比的增加而提高,而受初始氯盐掺量的影响较小.双向电渗在对混凝土氯离子迁出和总碱度提高的效果方面与电化学除氯有所差异.在双向电渗后,Cl-质量摩尔浓度沿着保护层厚度方向由内向外成增高趋势;而电化学除氯后整个保护层内Cl-质量摩尔浓度分布相对均匀.对保护层碱度变化来说,两种处理方式效果接近.

钢筋混凝土构件的均匀钢筋锈胀力的机理研究

本文应用弹性力学知识进行理论分析 ,结合已有的研究成果 ,提出了由钢筋均匀锈蚀导致的外围混凝土保护层胀裂时刻和胀裂以前的钢筋锈胀力计算公式 ,并探讨了与钢筋锈胀力相关的各个影响因素 ,认为 :钢筋锈蚀率对钢筋锈胀力的影响最大 ,随钢筋锈蚀率增加 ,钢筋锈胀力迅速增加 ;混凝土等级对钢筋锈胀力影响甚微 ,而影响构件外围混凝土保护层胀裂时刻钢筋锈胀力终值的大小 ;钢筋锈胀力随混凝土保护层厚度的增加而略有增加 ,但与钢筋直径的增加则相反 ;同时钢筋直径对钢筋锈胀力的影响程度要大于混凝土保护层厚度的影响 .

非饱和状态下氯离子在混凝土中的渗透机理及计算模型

在氯盐侵蚀环境中,干湿交替区域对应有害介质侵蚀最为严重的结构部位是结构耐久性设计的关键。考虑水分扩散系数与孔隙中水分饱和度的非线性函数关系以及水分蒸发的迟滞效应,建立了水分在混凝土中的非线性扩散模型,并在此基础上建立了氯离子在非饱和条件下的对流扩散模型。用Crank-Nicolson方式建立了上述模型的差分格式,并通过参数敏感性分析确定了3个重要模型参数(湿润与干燥循环的时间比、混凝土孔隙初始的饱和度以及干燥过程中外界环境作用下表层混凝土的饱和度)对氯离子在非饱和条件下的对流扩散的影响。试验结果表明上述模型和试验检测结果之间具有良好的相关性。

锈蚀钢筋混凝土梁受弯承载力计算模型

给出锈蚀钢筋混凝土梁受弯承载力的计算模型,模型综合考虑锈蚀钢筋混凝土梁中材料性能的退化和钢筋与混凝土黏结性能的退化,根据梁截面平衡方程和钢筋与混凝土的变形协调方程建立梁中受拉钢筋轴力微分方程,给出了微分方程的滑移边界条件和钢筋轴力连续边界条件,定义梁弯曲破坏的两种极限状态:混凝土压碎和钢筋屈服。通过国内外试验数据,对本模型进行验证,模型计算结果与试验结果吻合很好。最后,将受拉纵筋直径、受拉纵筋屈服强度、保护层厚度和混凝土受压强度四种参数对梁受弯承载力的影响进行分析。