混凝土内部锈蚀钢筋应力集中特性研究

为了研究滨海环境下预应力钢筋混凝土结构内部锈蚀钢筋力学性能的退化过程,需要明确锈坑形状、深度及混凝土开裂程度等因素对锈坑处应力集中系数的影响。本文采用精细化有限元方法实现了混凝土内部钢筋在不同锈坑形状、锈蚀深度和混凝土开裂程度等多因素影响下的应力集中问题的数值模拟,分析总结了锈蚀钢筋应力集中程度的变化规律。     

锈坑尺寸变化对钢板应力集中及疲劳寿命的影响

讨论了3种不同环境下腐蚀钢板表面形貌特征,通过假设锈蚀坑的近似几何尺寸,利用ANSYS及n Code Design Life软件,分析锈坑尺寸变化对钢板应力集中系数及疲劳寿命的影响规律。结果表明,随着锈坑深径比和宽长比的增大,应力集中系数逐渐增大且疲劳寿命逐渐减小并趋于稳定;基于深径比及宽长比的半椭球体锈坑应力集中系数计算模型,得出锈坑深度相对于半径对疲劳寿命影响逐渐增大,锈坑宽度相对于长度对疲劳寿命影响逐渐增大的基本规律。     

锈蚀钢纤维力学性能及极限拉伸荷载计算方法

采用干湿循环法将钢纤维进行加速锈蚀,在分析其表观锈蚀特征的基础上,通过轴向拉伸试验和有限元分析研究了锈蚀程度对其力学性能退化的影响.结果表明:干湿循环处理后钢纤维表面出现了较多的锈坑,截面损失和锈坑处应力集中使其力学性能退化,而应力集中程度又取决于锈坑深度、宽度和钢纤维直径.建立了考虑锈坑深度、宽度和钢纤维直径影响的锈蚀钢纤维极限拉伸荷载退化模型,经试验验证,该模型也适用于计算锈蚀钢筋的极限拉伸荷载.     

斜拉索单根钢丝锈蚀机理及有限元分析

由于锈蚀程度的加深,斜拉桥拉索钢丝强度、延伸率等随之下降。基于单根钢丝的锈蚀机理及锈蚀类型,利用张角和蚀坑中心距离为参数分别描述环向和纵向蚀坑间位置关系,建立了两个蚀坑环向及纵向分布有限元模型,得到应力集中系数随蚀坑位置的变化规律。结果表明,环向两个蚀坑接近相切时应力集中系数可达单个蚀坑的3倍以上,而对于纵向两个蚀坑分布情形,应力集中系数变化则较平缓,且均小于单个蚀坑情形。     

拱桥吊杆锈蚀高强钢丝疲劳性能试验研究

为了评价拱桥服役吊杆的残余寿命,以使用10余年的吊杆高强钢丝为对象,通过自然锈蚀、人工锈蚀及机械损伤方法得到轻微锈蚀、严重锈蚀以及点蚀状态的钢丝样本,根据拉伸试验和疲劳试验、破坏断口形貌分析,研究了锈蚀钢丝的拉伸性能、疲劳寿命以及破断机理。在此基础上用精细有限元计算模型分析蚀坑对钢丝应力集中的影响。试验结果表明,锈蚀对钢丝的拉伸强度影响不大,承载力变化主要取决于钢丝有效截面的减少程度;锈蚀导致钢丝的延性下降;钢丝疲劳性能受锈蚀程度的影响具有先敏感后迟钝的特征,即锈蚀初期钢丝的疲劳寿命因锈蚀而显著降低,但进一步锈蚀引起的钢丝疲劳寿命下降不明显。有限元分析结果表明,点蚀钢丝的疲劳寿命不仅取决于蚀坑底部的应力集中程度,还受到应力集中区域的影响。     

考虑蚀坑影响的锈蚀钢筋力学性能研究

研究了钢筋表面蚀坑对锈蚀钢筋屈服强度的影响，分别讨论了蚀坑深度和宽度对钢筋屈服强度的影响；分析了锈蚀坑存在造成钢筋应力分布变化的规律．研究表明。锈蚀钢筋屈服时所需荷栽与无锈钢筋屈服荷载之比值和蚀坑深度之间基本呈指数关系，而蚀坑宽度对其影响相对较小；锈蚀坑附近出现了明显的应力集中现象。将造成钢筋力学性能的明显退化．     

锈坑对钢筋高温后力学性能的影响

为了研究高温后钢筋锈坑的应力分布，通过机械加工来模拟锈蚀钢筋并研究了钢筋在高温后力学性能的变化，最后采用有限元软件计算了模拟锈坑的应力分布.结果表明：对于带有单个模拟锈坑的试件，相同条件下双曲线形锈坑的应力集中系数大于椭圆形锈坑；当模拟锈坑的宽度相同时，其应力集中系数随着深宽比的增大而增大；当经历800 ℃的高温作用后，模拟锈坑的应力集中系数较常温时下降了10%左右；对于带有2个模拟锈坑的试件，锈坑夹角在30°~90°时的应力集中系数明显增加.     

不同缺口类型钢筋力学性能试验及数值分析

为模拟局部锈蚀对钢筋静力及疲劳性能的影响,对4种缺口形状、6种缺口尺寸的100根钢筋进行轴向静力拉伸和疲劳拉伸试验.基于静力拉伸试验结果,给出了缺口形状、缺口深度与钢筋屈服载荷、极限荷载间的定量关系,分析了缺口尺寸对应力集中系数的影响;基于疲劳拉伸试验结果,研究了缺口形状和缺口尺寸对钢筋疲劳寿命的影响,建立了钢筋应力范围-疲劳寿命-缺口深度的曲线方程;在试验基础上,建立了精细有限元三维实体计算模型,分析了缺口附近的应力分布状态,解释了坑蚀形态导致钢筋性能退化的原因.结果表明:三角形缺口应力集中系数最大,依次为变长度三角形、径向椭圆形和轴向椭圆形,应力集中程度随应力水平和缺口深度的增加而增大;不同缺口类型钢筋的实际应力范围和疲劳寿命在对数坐标下呈线性关系;三角形和变长度三角形锈坑应力集中梯度较大,率先进入塑性变形阶段,从而较早发生破坏.     

基于MIDAS/GTS对悬臂式支护基坑空间效应的研究

利用MIDAS/GTS有限元软件对不同长宽比和不同开挖工况下悬臂式支护基坑的变形情况进行数值分析,结果表明当基坑长宽比L/B2时,基坑长边全长都存在空间效应;当L/B2时,距基坑角部大于1倍宽度区域内水平位移趋于稳定,其值和二维平面应变结果相近;距基坑坑壁小于1/2倍基坑宽度范围内坑底隆起量随距离增大而增大,大于1/2倍基坑宽度范围内坑底隆起量趋于稳定;基坑开挖深度对基坑空间效应的影响较显著,随开挖深度增加空间效应逐渐增强。     

海洋环境下锈蚀高强度钢材滞回性能

为研究海洋腐蚀对Q690高强度钢材(简称高强钢)滞回性能的影响,针对通过室内人工加速模拟腐蚀方法获得的Q690高强钢锈蚀试件,进行形貌扫描和循环加载试验,分析了不同腐蚀程度对其滞回性能的影响规律,建立了锈蚀钢材滞回曲线模型参数与其锈蚀率之间的关系.结果 表明:Q690高强钢抗震性能随腐蚀程度的增加而下降,腐蚀100 d后试件的滞回耗能降低15.2％,极限抗拉强度降低14.6％,锈坑深度达600 μm;采用Ramberg-Osgood模型可以较好地模拟锈蚀高强钢在循环荷载作用下的力学性能,该本构模型具有较好的实用性.     

隔水帷幕绕流长度对基坑降水影响研究

利用有限元数值计算软件建立了巨厚承压含水层条件下悬挂式隔水帷幕基坑减压降水的三维水文地质概念模型。通过该模型模拟计算了基坑减压降水过程中绕流长度、降水时间等因素对基坑坑外水位降深的影响。结果表明降水前期承压水水位下降迅速，而后逐渐变缓直至接近稳定；在相同的坑内水位降深下，坑外水位降深随绕流长度增加而减小，不同时空的坑外降深的减小幅度十分接近；但随着绕流长度的增加，减小坑外水位变化的效果逐渐衰减；增加隔水帷幕的插入深度控制坑外水位降深，在长期降水时效果更为明显。     

基于锈胀裂缝宽度的钢筋锈蚀深度计算模型

钢筋锈蚀深度反映了钢筋的锈蚀程度,其数值对混凝土结构的耐久性评估具有重要意义。混凝土锈胀裂缝宽度容易检测,且与钢筋锈蚀深度具有一定的关系。首先对现有钢筋混凝土结构锈胀裂缝宽度与钢筋锈蚀深度之间的模型进行了总结,并将各关系式中的常数系数用待定系数替代,结合检测数据进行多元非线性拟合,根据所得可决系数比较分析了各模型的准确性、合理性及产生差异的原因。在此基础上以可决系数最高的模型为参考,结合临界钢筋锈蚀深度研究成果,提出与锈胀裂缝宽度有关的钢筋锈蚀深度计算模型,所得模型与实际检测数据吻合较好。相关成果可为钢筋混凝土结构中钢筋锈蚀程度预测、耐久性评估和维护提供参考。     

具有腐蚀坑缺陷的套管强度评估

近年来,油田套管腐蚀越来越严重,据统计,大港油田某区块套管腐蚀达到34.4%,造成了严重的套损、套漏等问题。基于上述问题,以弹性力学理论和球形腐蚀坑套管力学模型为基础,分别建立了具有两个腐蚀坑缺陷和一个腐蚀坑缺陷的套管-水泥环-地层三维有限元模型,通过具有两个腐蚀坑缺陷的模型对套管上的应力分布规律的研究,发现腐蚀坑之间的距离大于0.65 mm时,可以用具有单个腐蚀坑缺陷模型来评价套管的强度。基于单个腐蚀坑缺陷的模型,研究了腐蚀坑的半径、深度对套管强度的影响及其应力集中系数的变化规律,且研究了不同钢级在地层水化条件下对具有腐蚀坑的套管的受力影响。结果发现,有腐蚀坑缺陷的套管,其最大应力和应力集中系数随腐蚀坑深的增加而增大,且腐蚀坑半径越小,应力集中系数越大,最大达到2.0以上;其次,地层水化后加快具有腐蚀坑的套管的损坏。     

基于ANSYS的锈蚀钢筋在静载下的力学性能研究

为了研究锈坑对钢筋静载作用下的受力性能,利用ANSYS有限元软件建立带有不同深度和长度锈坑的钢筋模型,对其施加不同大小的静力荷载。结果发现,带有锈坑的钢筋在锈坑周边及其底部有明显的应力集中现象,随着锈坑深度的增加,应力集中现象越发明显,随着锈坑增加,应力集中位置由锈坑四周往锈坑底部发生转移,研究表明锈坑引起的钢筋最大截面损失率是影响钢筋力学性能下降的主要原因。     

混凝土中钢筋锈蚀深度预测模型

通过对在自然环境下经历2 a干湿循环作用的锈蚀钢筋混凝土试件的试验研究,探讨了保护层锈胀开裂后钢筋的锈损程度及其影响因素.依据试验结果,运用数理统计相关知识,对试件的锈蚀特征进行分析,建立了与保护层厚度、表面裂缝宽度、钢筋直径、混凝土强度等级及箍筋间距相关的混凝土中钢筋锈蚀深度预测模型;对模型进行参数敏感性分析表明,表面纵向锈胀裂缝宽度是影响钢筋锈蚀深度的最主要因素,除其他因素外,箍筋间距对纵向钢筋锈蚀深度也具有一定影响,且随箍筋间距减小影响程度逐渐显著;经试验验证,所建立模型具有较强的适用性.     

基于概率分析的锈蚀钢筋力学性能研究

研究了锈蚀钢筋几何参数(包括蚀坑形状、蚀坑位置、最大蚀坑深度、最大蚀坑个数、钢筋直径等)对钢筋力学性能影响的灵敏性;利用随机有限元的分析方法研究了锈蚀钢筋的应力分布情况.结果表明:对于相同直径的锈蚀钢筋,其力学性能主要取决于锈蚀钢筋表面的最大蚀坑深度;对于不同直径的锈蚀钢筋,可用锈蚀坑相对深度(蚀坑深度与钢筋直径之比)来反映钢筋的锈蚀程度,并建立了锈蚀钢筋的屈服荷载随锈蚀坑相对深度变化的规律;基于最大蚀坑深度的概率统计特性,得到了锈蚀钢筋最大应力分布的概率分布规律.     

海水浪溅下混凝土中锈蚀钢筋性能试验研究及仿真分析

75根海水浪溅环境下混凝土中I级和II级锈蚀钢筋的拉伸试验表明 :要考虑由于锈坑引起的应力集中对强度的影响。讨论了屈服强度、极限强度、极限伸长率和破坏形式与重量锈蚀率的关系 ,分析了钢筋的应力应变关系和极限强度与屈服强度比值随锈蚀率提高的变化规律。海水浪溅环境比大气环境下的锈蚀钢筋承载能力低 15 %左右 ,截面损失率与重量损失率的差异要小。锈蚀钢筋有限元仿真分析表明 :锈坑引起的应力集中使屈服荷载比仅考虑面积减小的计算荷载低 5 0 %左右 ;初始直径越大 ,锈坑对强度的影响越小 ;锈坑形状和宽度对强度的影响不明显。数据存在一定离散性 ,对可能原因进行了分析。     

U形切槽均匀拉伸板应力集中系数分析

应用ANSYS有限元软件,分析了线弹性材料单边U形切槽均匀拉伸板的应力集中系数,得到了U形切槽均匀拉伸有限平板的应力集中系数随切槽深度和宽度变化的规律,并将计算结果与已有文献进行了对比,验证了数值计算结果的准确性和可靠性,同时拓展了现有文献数据的范围。     

坑中坑开挖对基坑抗隆起稳定性的影响分析

在既有基坑内部进行二次开挖形成坑中坑的过程也是对基坑被动区土体卸载的过程,被动区土体的卸载加大了坑底隆起变形的趋势,对基坑抗隆起稳定性产生较大影响。根据坑中坑与圆弧滑动面的位置关系的不同,对坑中坑类型进行了分类,推导了不同类型坑中坑基坑抗隆起稳定安全系数的计算公式。研究结果表明：坑中坑基坑抗隆起稳定性与坑中坑开挖位置有关,当坑中坑在圆弧滑动面影响区域内开挖时会减小抗滑力矩,降低基坑抗隆起稳定安全系数。外部型坑中坑对基坑抗隆起稳定性无影响。内部型坑中坑基坑抗隆起安全系数随内外坑壁距离、内坑宽度、内坑深度的增大而减小。坑底相交型坑中坑基坑抗隆起安全系数与内坑宽度无关,随内外坑壁距离的增大而先减小后增大,随内坑深度的增大而减小。坑壁相交型坑中坑基坑抗隆起安全系数与内坑宽度、内坑深度无关,随内外坑壁距离的增大而增大。     

锈蚀钢筋力学性能研究

采用各种不同的锈坑形态模拟钢筋锈蚀后的力学性能,研究发现钢筋的力学性能不仅同锈坑的深度有关系,同时锈坑宽度的变化对钢筋力学性能的影响也有很大的关系.同时在钢筋锈蚀深度和宽度一致的情况下,钢筋的最大截面损失率对钢筋的极限荷载也有很大的影响.