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     

氯盐侵蚀混凝土结构的精细化数值模拟研究

针对现有试验研究方法在氯盐侵蚀钢筋混凝土结构研究中存在的困难性,开展氯盐侵蚀混凝土结构的精细化数值模拟研究。通过收集与分析现有研究成果,改进了氯盐侵蚀混凝土结构中钢筋与混凝土材料的强度退化模型、钢筋与混凝土之间的粘结-滑移关系退化模型以及纵筋与箍筋锈蚀的对应关系模型,并以收集的21个氯盐侵蚀混凝土梁、柱构件为基础,运用大型有限元软件ABAQUS验证了该精细化数值模拟方法的准确性与可靠性。     

锈蚀钢筋混凝土梁承载力退化特性数值分析

采用ABAQUS有限元软件对一未锈蚀钢筋混凝土简支梁的静力承载性能进行了数值模拟,并与试验结果进行了对比,验证了有限元模型的可靠性。在上述有限元模型的基础上,利用ABAQUS分项计算功能,计算了不同锈蚀程度下钢筋混凝土简支梁的宏观力学特性,计算中分别考虑了锈蚀钢筋黏结滑移性能退化、锈蚀钢筋力学性能退化及二者耦合作用对简支梁承载力及延性退化特性的影响。分析结果表明:随着钢筋锈蚀率的增加,构件的承载力及延性显著降低。轻微锈蚀情况下,钢筋与混凝土之间的黏结滑移性能退化对构件的承载性能无显著影响,而锈蚀引起的钢筋力学性能退化对构件的承载力及延性影响较大。在中等及以上程度锈蚀情况下,黏结滑移性能退化引起的构件承载力和延性退化在构件力学性能退化中占主导地位。总体上看,锈蚀构件的宏观力学特性受到黏结滑移退化及钢筋力学性能退化的耦合影响,随着锈蚀率加大,构件承载力降低,脆性愈加显著。     

氯离子侵蚀效应对RC桥墩抗震性能的影响

为研究混凝土桥梁结构在服役期内由于环境氯离子侵蚀效应引起钢筋、混凝土锈蚀退化等导致结构抗震性能退化的规律,以某多跨钢筋混凝土连续梁桥为例,采用OpenSees软件建立非线性动力分析模型,根据已有研究成果并基于概率方法研究了墩柱截面主筋和箍筋锈蚀的开始时间和锈蚀率大小,进而建立了钢筋的直径及屈服强度退化模型;针对考虑纵筋锈蚀、考虑箍筋锈蚀、同时考虑纵筋和箍筋锈蚀3种情况,分别分析了材料退化对桥墩抗震性能的影响。结果表明:同等条件下箍筋锈蚀比纵筋锈蚀更早;随着时间的推移,氯离子侵蚀效应会导致桥墩抗震能力下降,结构的抗震需求明显增加;与以往只考虑纵筋锈蚀的情况相比,同时考虑箍筋和纵筋锈蚀时桥墩抗震性能退化更严重。     

箍筋锈蚀对RC框架柱耗能能力影响研究

在钢筋混凝土构件中,箍筋不仅起着钢筋骨架的作用,而且约束构件的横向变形,改善其抗震性能。箍筋锈蚀后,其截面减小和力学性能变化会导致混凝土构件的破坏形式从延性向脆性转变。从约束指标和核心区混凝土抗压强度两方面改进约束混凝土的本构关系,合理反映箍筋锈蚀对核心区混凝土的影响。并借助OpenSees软件按此本构关系添加新材料对RC框架柱进行数值模拟,研究箍筋锈蚀对构件耗能能力的影响。最后与纵筋锈蚀引起的粘结退化对构件损伤的影响进行对比,发现箍筋锈蚀对构件的变形和损伤影响不可忽略。     

二维钢筋混凝土氯离子作用锈胀开裂数值模拟方法

在环境氯离子作用下混凝土构件因钢筋锈胀产生开裂,导致结构耐久性退化。为模拟并研究这一过程,基于经典Fick定律建立了考虑温湿度、水灰比、氯离子浓度等的多因素氯离子扩散数值模拟方法。针对混凝土锈胀开裂,提出了基于二维格构式模型的钢筋混凝土锈胀开裂模拟方法,并建立了自由网格模型与格构式模型之间的钢筋表面锈胀节点力转换方法。基于上述方法针对某钢筋混凝土自然锈蚀试验进行数值模拟,与试验结果对比并验证本方法的可行性。最后,基于提出的方法研究钢筋位置、混凝土保护层厚度、钢筋直径对钢筋锈蚀及混凝土保护层锈胀裂缝宽度的影响。研究结果表明;角区钢筋锈蚀均大于边区钢筋;混凝土保护层厚度越大,钢筋锈蚀增长越缓慢;混凝土保护层裂缝宽度随钢筋直径增大而增加。     

钢筋锈蚀膨胀导致混凝土开裂的有限元分析

采用有限元数值模拟的方法并结合试验室钢筋混凝土加速锈蚀试验研究钢筋锈蚀机理及混凝土保护层开裂的全过程。ABAQUS CAE中的扩展有限单元法(XFEM)被运用于钢筋锈蚀导致混凝土开裂的模拟中。钢筋的锈蚀模拟假设为非均匀锈蚀,结果表面扩展有限单元法能够很好地模拟混凝土保护层的开裂及裂纹的发展,并且避免了常规有限元方法需要网格重划分的问题。     

纵向非均匀锈蚀钢筋拉拔过程的有限元分析

混凝土中的钢筋锈蚀问题日益突出,针对非均匀锈蚀混凝土构件的试验研究,从粘结本构关系入手,对锈蚀钢筋构件结构性能退化和破坏特征进行数值计算分析。混凝土和钢筋均采用8节点实体单元建模;钢筋与混凝土之间的粘结单元采用非线性弹簧单元Combine 39,同时,实常数赋值考虑位置函数影响,从而建立了纵向非均匀锈蚀钢筋构件的计算模型。通过计算获得了非均匀锈蚀钢筋拉拔位移与拉拔力之间关系,拉拔过程中混凝土应力变化和破坏发展过程,以及锈蚀钢筋与混凝土之间粘结应力的演化规律。     

钢筋混凝土结构中钢筋锈蚀的原因及对结构性能退化的影响

简要阐述了混凝土中钢筋锈蚀的现状,钢筋混凝土钢筋锈蚀的原因,分别从锈蚀钢筋力学性能、混凝土锈胀开裂、锈蚀钢筋与混凝土粘结性能及基本构件性能退化等方面介绍了钢筋锈蚀对混凝土结构性能退化的影响及提出了检测混凝土构件中钢筋的锈蚀状态得方法。     

受压区钢筋锈蚀对混凝土构件承载力影响的研究

从受压钢筋锈蚀引起混凝土抗压强度下降的角度,研究了受压区钢筋锈蚀的混凝土构件的受弯承载力,提出了受压区钢筋锈蚀的混凝土构件承载力的计算模型和计算方法。理论分析计算表明,受压区钢筋锈蚀对混凝土构件性能的影响在锈蚀开裂前较为明显,锈蚀开裂后影响不大。提出的受压区钢筋锈蚀开裂前后的承载力计算模型,可为锈蚀钢筋混凝土构件承载力可靠性分析提供理论基础。     

锈蚀钢筋混凝土梁抗弯承载力计算方法

目前对锈蚀钢筋混凝土梁抗弯承载力的研究主要考虑锈蚀程度的影响,忽视了构件本身参数不同对承载力退化的影响,导致不同学者提出的锈蚀钢筋与混凝土的协同工作系数差异较大。为合理评估既有锈蚀钢筋混凝土梁的剩余承载力,首先对锈后无黏结钢筋混凝土受弯构件进行模拟试验与有限元分析,系统分析严重锈蚀混凝土构件钢筋应力水平的主要影响因素,发现截面配筋指标可综合反映混凝土强度和截面配筋率对受拉钢筋应力水平的影响,并确定基于截面配筋指标的锈后无黏结混凝土梁受拉钢筋强度利用系数;对一般锈蚀钢筋混凝土梁抗弯承载力的退化机理进行深入分析,综合考虑钢筋锈蚀程度和截面配筋指标的影响,建立一般锈蚀混凝土梁钢筋强度利用系数计算公式;提出概念明确、通用性强的锈蚀钢筋混凝土梁抗弯承载力计算方法;与大量的试验结果进行对比验证,计算方法的吻合性较好。     

锈蚀钢筋与混凝土的粘结强度模型

为了建立较为完善的锈蚀钢筋与混凝土的粘结强度模型,改变以往仅考虑钢筋锈蚀程度的单因素回归分析方法,对粘结强度模型进行理论分析。对钢筋与混凝土在接触面上的粘结作用机理及粘结力组成进行分析,借助弹性力学方法,建立了锈蚀前钢筋与混凝土的粘结强度理论模型。从锈蚀改变钢筋表面特征参数和混凝土保护层约束力入手,采用钢筋均匀锈蚀假定,并基于未锈钢筋与混凝土的粘结强度模型,建立了钢筋锈蚀后的粘结强度计算模型,该模型能够考虑各种因素对粘结强度的影响。通过试验数据对模型进行了验证,结果吻合较好。     

Robustness of corroded reinforced concrete structures – a structural performance approach

The aim of this work is to provide new contributions in order to define more accurately the structural robustness concept, particularly when applied to corroded reinforced concrete (RC) structures. To fulfil such a task, several robustness indicators are analysed and discussed with special emphasis on structural-performance-based measures. A new robustness definition and a framework are then proposed for its analysis, based on the structural performance lost after damage occurrence. The competence of the proposed methodology is then tested comparing the robustness of two RC foot bridges under corrosion. The damage considered is the longitudinal reinforcement corrosion level, and load carrying capacity is the structural performance evaluated. In order to analyse corrosion effects, a finite element (FE) based on a two-step analysis is adopted. In the first step, a cross-section analysis is performed to capture phenomenons such as expansion of the reinforcement due to the corrosion products accumulation; damage and cracking in the reinforcement surrounding concrete; steel–concrete bond strength degradation; effective reinforcement area reduction. The results obtained are then used to build a 2D structural model, in order to assess the maximum load carrying capacity of the corroded structure. For each foot bridge, robustness is assessed using the proposed methodology.     

基于粘结强度变化的锈蚀无腹筋梁承载能力的研究

基于锈蚀钢筋混凝土梁内钢筋与混凝土间粘结强度随锈蚀量的变化,对锈蚀梁承载能力和破坏模式进行了研究。首先,基于梁内粘结强度的变化,计算锈蚀梁的抗弯承载力。其次,基于“拉、剪临界破坏”的概念和“梁-拱”共同作用的混凝土抗剪抵抗机制,计算锈蚀无腹筋梁的抗剪承载力。较小钢筋锈蚀量时,与粘结强度有关的“梁作用”因粘结强度的增加而增加;随锈蚀量的增加和粘结强度的退化,与粘结强度有关的“梁作用”不断降低,“拱作用”则有所增加。再次,对锈蚀梁随钢筋锈蚀量变化破坏模式的变化进行了分析。最后,对文中提出的模型进行了试验验证。     

锈蚀钢筋混凝土柱基于变形的性能指标研究

采用ABAQUS有限元软件,对按GB 50011-2010《建筑抗震设计规范》和GB 50010-2010《混凝土结构设计规范》设计的342个锈蚀钢筋混凝土柱进行有限元分析,研究钢筋的锈蚀率、轴压比、剪跨比、配箍率和纵向钢筋配筋率等参数对钢筋混凝土柱变形性能的影响。结果表明：当钢筋的锈蚀率较小时,构件的变形性能受锈蚀率影响不大;当钢筋的锈蚀率达到10%以后,构件的破坏形态发生改变,变形能力急剧退化;随着轴压比的增大,构件的变形能力降低;轴压比较小的构件变形性能受剪跨比影响比轴压比较大的构件明显;随着配箍率和纵向钢筋配筋率的增大,构件的变形能力有所提高;提出了锈蚀钢筋混凝土柱抗震性能等级和性能界限状态的划分方法,以塑性转角作为变形性能指标,对数值计算结果进行统计分析,得到了锈蚀钢筋混凝土柱各性能界限点的塑性转角统计特征值。研究成果可为钢筋混凝土结构全寿命的性能化抗震设计和抗震性能评估提供参考。     

无腹筋锈蚀钢筋混凝土梁承载能力的计算

锈蚀钢筋混凝土梁的承载力不仅与纵向钢筋的截面损失有关 ,而且和钢筋与混凝土之间的粘结强度的降低、混凝土保护层中出现的纵向锈胀裂缝有关。本文先考虑了由于钢筋的截面损失引起的钢筋混凝土梁的抗弯承载力的降低 ;再在梁 拱共同作用抵抗剪力的机制上 ,计算了无腹筋锈蚀钢筋混凝土梁的抗剪承载力 ,进而得到了无腹筋锈蚀钢筋混凝土梁的承载力及其相应的破坏模式。对一实例的计算结果表明 ,当混凝土保护层出现纵向锈胀裂缝后 ,钢筋与混凝土之间的极限粘结强度相应降低 ,梁的破坏模式由受弯破坏转向受剪破坏 ,承载能力有较大的降低。同时 ,锚固区的粘结强度的降低 ,导致梁也可能发生粘结锚固破坏。     

钢筋坑蚀对混凝土梁抗弯性能的影响

与钢筋均匀锈蚀相比,钢筋坑蚀具有显著的不确定性和截面损失等特点,对混凝土构件的抗弯性能具有一定的影响。结合国内外相关资料,通过实际工程中钢筋坑蚀的试验统计,验证了坑蚀系数服从极值I型的分布。基于钢筋的坑蚀概率模型,借助MonteCarlo模拟,分析了锈蚀钢筋混凝土梁的抗弯承载力,研究了钢筋坑蚀对混凝土受弯构件承载能力的影响。结果表明,钢筋坑蚀的随机性对梁的可靠性有很大影响,钢筋坑蚀构件抗弯承载力的下降速度比均匀锈蚀更快,对梁的耐久性具有潜在危害。     

Exploring the impact of chloride-induced corrosion on seismic damage limit states and residual capacity of reinforced concrete structures

A non-linear finite element (FE) framework for time-dependent capacity assessment of corroded rectangular reinforced concrete (RC) columns is developed. The proposed non-linear FE model includes the impact of corrosion on inelastic buckling and low-cycle fatigue degradation of longitudinal reinforcement. The proposed non-linear FE model is validated against a set of experimental data and then extended to evaluate the impact of corrosion on damage limit states to be used in seismic performance and evaluation of corroded structures. This is done through a parametric study on hypothetical RC columns, varied in axial force ratios, mass loss ratios, cover crack widths and confinement levels. Moreover, the application of the proposed model in seismic collapse capacity assessment of corroded structures is shown through non-linear dynamic analyses of prototype columns. Results show that, depending on the axial force ratio, corrosion changes the failure mechanism of the columns. The results of this study suggest that in seismic fragility analysis of corroded structures, the damage limit states should be considered as time-variant parameters.     

氯盐锈蚀钢筋的屈服强度退化分析及其概率模型

对混凝土内氯盐锈蚀HRB335级钢筋的坑蚀现象及其对钢筋力学性能的影响进行了研究;分析了现有拉伸试验中屈服强度判断方法的局限性,提出了锈蚀HRB335级钢筋名义屈服强度的判断方法(YPPCR法);将YPPCR法与数值分析相结合,建立了坑蚀钢筋数值拉伸试验方法;探讨了蚀坑三维尺寸对钢筋名义屈服强度退化的影响规律,建立了与蚀坑三维尺寸相关的单坑钢筋屈服强度退化的计算模型;最后对不同锈蚀率下由单个蚀坑引起的钢筋屈服强度的退化进行计算和概率分析,建立了与锈蚀率相关的钢筋屈服强度退化概率模型.