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。

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。

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。

关注环境作用的混凝土冻融损伤特性研究进展

混凝土结构耐久性劣化在不同的暴露环境下存在着显著的区域特征。研究冻融循环条件下环境参数变化对混凝土冻融损伤的影响规律,对混凝土结构的耐久性设计和工程实践具有重大的实际意义。关注混凝土结构耐久性的定量化设计,对混凝土结构服役寿命预测的需求进行分析,提出对现场冻融环境、现场与实验室试验环境下混凝土冻融损伤之间的关系、混凝土的抗冻性三个方面的数量化需求。总结现场冻融环境量化、混凝土经受冻融循环过程中环境因素(冰冻降温速率、最低冰冻温度、最低冰冻温度持续时间和饱含水情况)对混凝土冻融损伤作用机理与作用规律方面的理论与试验研究,进一步分析现场冻融环境与实验室试验冻融环境下混凝土冻融损伤关系的相关研究成果,并在混凝土冻融耐久性寿命预测和耐久性设计方法的层面上,提出最终结论与建议。

混凝土结构内锈蚀钢筋的疲劳研究综述

腐蚀环境和反复荷载共同作用下混凝土结构的疲劳问题愈发突出,特别是混凝土结构在荷载作用下产生和发展的裂缝为腐蚀介质提供了快速传输通道,引起开裂区域钢筋局部坑蚀。动态荷载作用下疲劳裂纹在蚀坑底部形成并扩展,导致钢筋脆性断裂,进而导致混凝土构件的疲劳失效。回顾并分析了混凝土裂缝对钢筋疲劳性能的影响、坑蚀钢筋疲劳性能研究进展和基于弱磁效应的钢筋疲劳研究,指出掌握坑蚀钢筋的裂纹扩展行为是进行服役混凝土结构疲劳寿命预测的关键。弱磁效应能够实时地表征锈蚀钢筋的疲劳断裂行为,建立基于弱磁理论的锈蚀钢筋等效裂纹扩展长度和应力强度因子变幅表征方法,是服役钢筋混凝土结构疲劳寿命预测的一个创新方法。

混凝土结构长期性能的若干基本问题探讨

混凝土结构在建造以及服役过程中不可避免地产生损伤积累、抗力衰减和性能退化。混凝土结构的长期性能是指结构在长期的荷载与环境耦合作用下,随时间推进表现出的具有时变性的功能或特性。结构长期性能反映了结构性能随时间的变化,是结构的综合性能。考虑了在环境侵蚀作用、反复作用、持续作用下混凝土结构的时变累积效应,总结了混凝土结构长期性能在服役全过程中的劣化规律,明确了在环境侵蚀作用、反复作用、持续作用下结构长期性能劣化的各极限状态准则,并基于结构设计现状总结了结构长期性能的分项系数设计法和全概率设计法的设计思路。

不同电流密度下混凝土裂缝电沉积产物的分布特性

选用ZnSO_4作为电沉积溶液,以混凝土裂缝处电阻及裂缝填充深度为评价指标,研究电流密度对电沉积修复钢筋混凝土裂缝效果的影响及对沉积物矿物成分和微观形貌的影响。研究结果表明:经过电沉积修复36d,混凝土试件电阻显著增加,电阻增加速率随着通电时间增加而减小,电流密度越大,早期电阻增加速率越快,但裂缝填充深度越小。X射线衍射结果表明,沉积物主要矿物成分为ZnO。电镜扫描结果表明,沉积物颗粒大小随着电流密度增大而变大,电流密度越小,沉积物排列越有序,结构越致密。

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。

海洋平台ABS EH36钢结构厚板焊接缺陷的返修

某海洋平台建造过程中,在厚度超过50 mm的ABS EH36钢结构厚板焊缝产生了大量的焊接缺陷,类型主要为未熔合、夹渣和少量横向裂纹。通过分析其产生的原因,针对性地制订了具体的返修控制方案,最终返修一次合格率达到100%,有效地保证了焊接施工质量。

粘钢加固陶粒混凝土梁抗弯性能试验研究

为研究钢板加固后陶粒混凝土梁的抗弯性能,对1片未加固的对比梁和3片厚度分别为0.5 mm、1.0 mm、1.5 mm的钢板粘贴加固梁进行抗弯试验。试验结果表明:与未加固陶粒混凝土梁对比,适筋条件下粘钢加固陶粒混凝土梁的开裂荷载、极限荷载最多分别能提高91.3%、39.5%;加固梁与未加固梁的破坏机理与破坏形态相同;钢筋与钢板的应变发展规律基本一致,钢筋与钢板协同作用效果较好,且钢筋应变表现出一定的滞后效应;随着粘钢厚度增加,钢板对陶粒混凝土梁裂缝的发展抑制效果越明显;普通混凝土粘梁钢加固抗弯正截面计算公式可用于粘钢加固陶粒混凝土梁的抗弯承载力计算。

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.

半潜平台小尺寸双相不锈钢管线焊接工艺研究

我国某深水半潜平台浸没泵液压管系采用了φ18 mm×1.5 mm小尺寸双相不锈钢管线,同时要求内部焊缝余高≤1.5 mm。采用海洋工程传统手工氩弧焊配用φ2.0 mm焊丝,难以保证焊缝余高要求及焊接合格率。基于该问题,分别采用钳形全自动氩弧焊(自熔)和手工氩弧焊配用φ1.0 mm焊丝进行工艺研究,通过试验,焊接质量及焊缝余高等均满足项目要求,成功开发相应焊接工艺并用于施工,解决了生产难题。

双向电迁移后混凝土内钢筋氢含量变化及影响

为了研究双向电迁移修复过程混凝土内钢筋表面析氢对钢筋的影响,对混凝土试块进行了不同通电时间、不同电流密度下的双向电迁移修复试验。通过对钢筋中氢含量的检测定量研究了钢筋的渗氢程度,通过恒应变速率拉伸试验和钢筋断口电镜扫描研究了钢筋的力学性能变化,并与电化学除氯进行了对比。结果表明,随着通电时间的延长以及电流密度的增大,混凝土内钢筋氢含量增加,钢筋塑性下降,钢筋断口韧窝尺寸变小,深度变浅,氢脆风险增加;相比电化学除氯,双向电迁移可以有效抑制渗透进入钢筋中的氢含量,降低钢筋氢脆风险;同时定量分析表明钢筋中氢含量与钢筋塑性存在较好的相关性,氢含量每增加1μg/g,钢筋断裂能比就下降12.18%,氢脆敏感性系数增加9.92%。

复掺矿物掺合料对混凝土收缩徐变的影响规律及应用

为研究矿物掺合料复掺对高性能混凝土收缩徐变性能的影响规律,设计了矿粉和粉煤灰掺量比例为1∶1、1∶2、2∶1比例共6组试件,其中矿物掺合料的总掺量为胶凝材料的10.0%、22.5%、30.0%。试验结果表明:(1)矿物掺合料复掺时对高性能混凝土收缩性能和徐变性能均有较大的影响,龄期180 d后,6组试件的收缩应变最大差值为43με,徐变应变最大差值为126με。(2)当矿物掺合料总掺量一定,矿粉与粉煤灰的掺量比例越大,对应的混凝土收缩越大,徐变越小。(3)当控制单一变量时,矿粉掺量与高性能混凝土的收缩徐变均呈反比,而粉煤灰掺量与高性能混凝土收缩呈反比,与徐变则呈正比。(4)当矿物掺合料掺量比例一定时,总掺量的增加对收缩的影响表现为先增加后降低,徐变则随着总掺量的增加而增大。

收缩徐变对装配式混凝土叠合梁挠度的影响

收缩徐变作用导致混凝土叠合梁挠度增加,从而影响构件的力学性能。为了研究收缩徐变作用下混凝土叠合梁挠度增加规律,建立了收缩徐变作用下混凝土叠合梁挠度计算方法,与数值模拟进行比较,结果相近。运用该方法对混凝土叠合梁的加载龄期、应力水平进行敏感性分析,结果表明:应力水平不同时,混凝土叠合梁挠度随加载龄期呈现不同变化趋势,应力水平较低时,挠度随加载龄期增大而增大,反之,挠度随加载龄期增大而减小;混凝土叠合梁叠合面处的徐变微差相对收缩微差较小,叠合面处预制和现浇混凝土变形不一致引起的挠度主要由收缩不一致引起。

电化学沉积影响混凝土孔隙结构的试验及分析

针对电化学沉积技术在修复混凝土裂缝的同时导致混凝土孔隙结构非均匀演变问题,利用压汞法测得经不同电流密度、溶液浓度电化学沉积处理后混凝土孔径分布,研究电化学沉积中电化学参数对孔隙结构演变的影响规律。研究结果表明:在电化学沉积过程中混凝土内部分别发生沉积与分解反应。电化学沉积60 d后,阳极与阴极附近混凝土均表现为小孔占比增加。随电流密度增加,阴极附近混凝土孔隙率单调增加,阳极附近混凝土孔隙率则呈非单调变化趋势。随电化学沉积溶液浓度增加,阴极与阳极附近混凝土孔隙率均单调递减。经电化学沉积技术处理的混凝土,内部孔隙结构依然具有分形特征,除了电流密度为3 A/m 2的试件,其他试件在电化学沉积修复后其孔隙结构分形维数均增加。