钢筋腐蚀疲劳共同作用机理与寿命预测

为了准确计算钢筋腐蚀疲劳寿命,依据金属力学、电化学、断裂力学的基本原理,对混凝土中脱钝钢筋的腐蚀介质和疲劳荷载共同作用交互机理进行研究,建立脱钝后钢筋在疲劳荷载作用下同时考虑弹性变形、塑性变形和电化学作用的钢筋腐蚀速率模型,在此基础上构建了圆柱形钢筋腐蚀疲劳应力强度因子幅值的计算模型。定量分析了腐蚀疲劳裂纹扩展门槛值的理论计算模型以及钢筋腐蚀疲劳裂纹扩展模型,提出了腐蚀介质和疲劳荷载共同作用下钢筋寿命预测模式。利用已有文献中钢棒腐蚀疲劳试验结果对本文提出的模型以及寿命预测模式进行验证,结果表明,pH=2.5~12时钢棒腐蚀疲劳寿命计算值与试验值吻合较好,还揭示了疲劳荷载对钢筋腐蚀速度影响规律。     

基于可靠度的混凝土结构服役寿命预测

本文基于可靠度理论提出了混凝土结构服役寿命的四个阶段,建立了基于性能的服役寿命预测模型,并通过海洋环境中钢筋混凝土抗弯构件试验进行了对比验证。结果表明:混凝土开裂诱发钢筋锈蚀约发生在18%构件服役寿命;从钢筋锈蚀引起构件过大变形、丧失正常使用功能始,至结构安全失效止,约占13%构件服役寿命。钢筋锈蚀混凝土结构服役寿命各阶段预测可作为结构修复与加固决策的依据,对钢筋混凝土基础设施维护成本控制具有重要意义。     

基于概率分析的锈蚀钢筋混凝土结构寿命预测

钢筋锈蚀是导致混凝土结构破坏的主要原因,合理预测锈蚀钢筋混凝土结构的使用寿命对减少工程的经济损失、保证结构的安全运行具有重要意义。针对锈蚀钢筋混凝土结构在不同寿命评估准则下的使用寿命预测问题,基于混凝土结构耐久性现状检测结果,采用概率分析可靠度方法,通过抗力和荷载效应的统计特征求得结构的时变可靠指标,从而对结构的裂缝宽度寿命和承载力寿命进行分析预测。以拱坝孔口和水电站厂房吊车梁为例进行计算,研究结果表明：结构的动态可靠指标随着服役时间的增加呈下降趋势,概率分析法的寿命预测结果在合理的预测区间内。研究成果可在实际工程中为钢筋混凝土结构的维修和加固提供决策依据。     

水闸混凝土表面防碳化处理

混凝土和钢筋混凝土是构成水闸的主要建筑材料。由于受到氯化物污染、碳化、硫酸盐腐蚀、碱集料反应、冻融、磨损、地基不均匀沉降等多种因素的作用,易造成混凝土结构破坏,使服役寿命缩短。大量的试验及工程实践证实,沿海挡潮闸氯化物污染诱发钢筋锈蚀、内陆地区混凝土结构的中性化（混凝土碳化）引起钢筋锈蚀是影响混凝土结构服役寿命的主要原因。     

基于断裂力学的钢筋混凝土保护层锈胀开裂模型

本文基于钢筋均匀锈蚀时混凝土的开裂试验现象建立了混凝土保护层开裂的计算模型,考虑了混凝土和钢筋的实际变形情况以及混凝土界面中的原始裂纹与缺陷,裂纹在钢筋锈蚀膨胀作用下的起裂、扩展情况,利用断裂力学和弹性力学得到了混凝土保护层开裂时钢筋的膨胀力和均匀锈蚀率的理论预测模型.分析了影响钢筋锈胀开裂的诸多因素,认为混凝土保护层厚度的增加、混凝土材料界面相的加强、混凝土断裂韧度的提高和钢筋直径的变小都有利于钢筋混凝土结构耐久性的提升.理论模型计算结果与试验数据的对比表明,本文模型可用于混凝土亮中钢筋锈蚀胀裂的预测.     

水工混凝土耐久性提升关键技术研究与应用 江苏省水利科学研究院、南京航空航天大学 盐东水利工程管理处、常熟市水利局

针对水工混凝土耐久性能进行研究,研制了新型实用的钢筋腐蚀光纤传感器,提出一种新的温度补偿方式,对混凝土中钢筋锈蚀进行监测。建立实测数据对钢筋腐蚀模型自动修正的钢筋耐久性动态评估模型和混凝土寿命预测黑箱模型,对钢筋混凝土结构开展评估。基于电渗透的迁移型阻锈剂技术,开发适用于电迁移的阳极阻锈剂,能在2A/m～2的电流密度下渗透至保护层10cm厚的钢筋表面,并具有良好的阻锈效果。     

基于能量法的水环境混凝土疲劳裂缝扩展模型

针对低频疲劳荷载与孔隙水压力的耦合作用,将混凝土疲劳裂缝扩展所消耗的能量分为两部分,一部分由低频疲劳荷载提供,另一部分由孔隙水压力提供,并给出了两部分能量的计算方法。基于能量的可叠加原理,结合混凝土断裂过程中能量释放率的概念,建立了低频疲劳荷载与孔隙水压力耦合作用下混凝土的裂缝扩展模型,并通过试验数据对模型进行了验证。结果表明:当孔隙水压力为0时,模拟曲线与试验数据吻合较好;当孔隙水压力与低频疲劳荷载共同作用时,水压作用会提供闭合裂缝张开时消耗的能量,促进裂缝的扩展,导致裂缝扩展速率增大,且随着孔隙水压力的增大,裂缝扩展速率增加,混凝土疲劳寿命降低。     

浅谈水工混凝土结构的环境效应

<正>混凝土中的裂缝可降低混凝土品质并诱发如钢筋锈蚀等病害,甚至导致结构破坏,危及工程安全。尤其水环境下的混凝土结构在受到钢筋锈蚀的同时,还承受着外部环境中温度的反复变化、侵蚀、冲刷、冻胀及荷载等效应,混凝土结构物易受到进一步的损伤而形成破坏。     

海工混凝土氯离子分布概率模型分析与应用

在海工混凝土结构中,由于氯离子侵蚀导致的钢筋锈蚀问题十分普遍。为准确判断钢筋初锈时间,预测结构耐久性劣化规律,在现有氯离子扩散模型的基础上,基于蒙特卡罗理论,利用MATLAB软件对钢筋周围氯离子浓度分布进行随机抽样模拟。结果表明一定时间段内（10年、50年、100年）钢筋周围氯离子浓度服从对数正态分布,并提出判断钢筋锈蚀的概率模型,以概率方法判断钢筋锈蚀,其可靠性将大大增加。结合该模型对连云港港区现场服役混凝土构件进行了氯离子含量预测,现场取粉试验结果基本符合该模型分布,其均值吻合较好,并对港区混凝土结构耐久性使用寿命失效概率进行了风险评估。     

全级配混凝土单轴疲劳特性细观数值模拟

为研究全级配混凝土在等幅、变幅及阶梯重复荷载作用下的疲劳特性,揭示材料特性与疲劳应力水平对其疲劳寿命的影响规律,通过自编程序建立二维随机骨料模型,运用有限元软件和耐久性疲劳分析软件进行联合仿真,对全级配混凝土细观结构进行应力分析和疲劳分析,探讨了不同骨料分布、骨料形状及疲劳应力水平对混凝土疲劳性能的影响,并估算了疲劳寿命。结果表明:在阶梯重复荷载作用下,骨料形状和分布对混凝土疲劳寿命影响较小,而疲劳应力水平对疲劳寿命影响较大;圆形和椭圆形骨料混凝土疲劳寿命较高,多边形骨料寿命较低;在疲劳加载破坏过程中,骨料界面先起裂,然后裂纹逐渐扩展贯通,最后导致整个试件完全破坏,可见骨料界面是混凝土中的薄弱部位,其寿命直接影响整个混凝土试件的寿命。研究成果为后续混凝土疲劳性能研究提供了参考。     

钢筋混凝土三点弯曲梁裂缝扩展过程模拟

改进后的扩展有限元法位移函数能够更好地反映真实的裂缝尖端渐近位移场,而且无需后处理便可求得应力强度因子,从而为分析裂缝扩展过程提供了便利。为研究钢筋混凝土三点弯曲梁裂缝扩展过程的规律,采用改进后的扩展有限元方法模拟了不同配筋率和不同钢筋位置的三点弯曲梁。文中阐述了改进后扩展有限元法的基本原理,利用虚功原理推导了其支配方程,并介绍了钢筋混凝土三点弯曲梁的应力强度因子计算方法。研究表明:对于超筋结构,起裂断裂韧度与试件配筋率无关;钢筋处于临界位置时起裂韧度与失稳韧度均达到最小值0.567和1.666 9 MPa·m0.5,且钢筋贯穿裂缝时的断裂韧度小于钢筋未贯穿裂缝时的值,对含有宏观裂缝的结构进行锚杆加固时应将锚杆置于裂缝前端。     

短碳纤维混凝土低周疲劳断裂特性的试验研究

对于碳纤维混凝土带切口三点弯曲梁试件，测定了其在静载下的断裂参数，用测定柔度的方法研究了循环加载历史对碳纤维混凝土断裂参数的影响规律，试验研究了碳纤维混凝土的疲劳断裂特性。试验结果表明：当预疲劳加载幅值超过某一阈值后，碳纤维混凝土的断裂参数有所降低，这些参数是与预疲劳幅值有关的物理量，裂缝亚临界扩展长度与疲劳寿命无关，碳纤维混凝土的疲劳断裂寿命是素混凝土的2.1～2.8倍，能量吸收是素混凝土的9.5～13.2倍。     

配筋对混凝土双K断裂参数的影响研究

为了确定在混凝土中配筋对试件断裂参数的影响,采用尺寸为1 000 mm×200 mm×200 mm的3组不同缝高比的钢筋混凝土试件进行试验。通过在初始裂缝两侧粘贴应变片确定了起裂荷载,计算出了钢筋混凝土试件的起裂断裂韧度、失稳断裂韧度、临界有效裂缝长度,并与相同缝高比的素混凝土试件进行了对比。结果表明,在混凝土中配筋,其起裂断裂韧度与失稳断裂韧度分别可以提高8.6%与15%;缝高比越大,钢筋混凝土试件的起裂韧度与失稳韧度值越小;钢筋混凝土试件的起裂韧度与失稳韧度的比值要比素混凝土试件的小,表明在混凝土试件中加入钢筋后可以提高结构的延性;钢筋混凝土试件的初始缝长与临界有效缝长的比值介于0.65～0.88。     

钢筋钢纤维混凝土偏心受拉构件受力变形性能的试验研究

本文进行了２２根钢纤维掺量不同的钢筋混凝土偏心受拉构件的加载全过程试验，着重研究了钢纤维对构件抗裂度、裂缝宽度和承地力的影响规律，并得出了基于钢筋混凝土结构计算理论并钢纤维各项参数影响的计算方法。     

应力比对钢纤维高强混凝土梁疲劳寿命影响的试验研究

通过对钢纤维钢筋高强混凝土梁不同应力比的弯曲疲劳荷载试验,研究了试件的疲劳寿命及疲劳强度。根据不同应力比作用下梁试件的疲劳寿命 N ,得出本次试件梁的 S － N 曲线,裂缝开展规律。应用 Miner 理论和科尔顿－多兰（Corten －Dolan）公式进行疲劳损伤计算、疲劳寿命分析及预测,最后采用断裂力学理论分析裂缝开展规律以预测疲劳寿命,并提出裂缝开展宽度计算公式。     

锈蚀钢筋混凝土梁截面协同工作系数研究

本文将锈蚀钢筋混凝土梁视为由锈蚀钢筋和混凝土组成的组合梁,以锈蚀钢筋与混凝土之间的变形协调条件为依据,引入反映锈蚀钢筋混凝土力学性能的本构关系和锈蚀钢筋和混凝土之间的黏结-滑移本构关系,推导出以纵向受拉钢筋拉力表达的锈蚀梁非线性微分方程。通过求解该微分方程,给出了考虑黏结滑移的锈蚀梁非线性解析解和截面协同工作系数理论表达式,使锈蚀钢筋黏结强度降低系数与截面协同工作系数之间得到了统一。文中还对影响截面协同工作系数的因素,即锈蚀量特征值、荷载作用形式及截面位置进行了讨论,并与试验归纳总结的截面协同工作系数进行了比较分析,说明了该理论表达式的合理性。     

型钢布设方式对型钢混凝土闸墩工作性能的影响研究

为了确定型钢混凝土闸墩结构内最优的型钢布设形式,利用ANSYS软件对闸墩进行有限元数值计算分析。基于两种不同计算工况下3种不同数量型钢布设方式所得到的有关型钢位移、闸墩裂缝范围、闸墩应力以及型钢应力的计算结果,得出型钢布设根数为3根时各方面工作性能均较优。在此基础上继续研究型钢布设角度和长度对闸墩工作性能的影响,最终得出在3根型钢布设时,型钢之间的夹角为12.5°、型钢长度为一长两短的布设方式最为理想。研究成果可为型钢混凝土闸墩结构的设计提供理论支撑。     

碳纤维、钢纤维混凝土低周压抗疲劳特性的试验研究

本文研究了素混凝土，碳纤维混土和钢纤维混凝土在轴压疲劳荷载下的破坏机理，试验研究了碳纤维，不同品种钢纤维，纤维掺量，加载应力水平对于疲劳寿命及能吸收的影响规律，探讨了疲劳累积损伤特性，研究表明，在较低的应力水平下纤维混凝土的疲劳寿命，能量吸收值均比高应力水平时明显增大。