复杂环境下轨道交通混凝土杂散电流及其防治方法研究进展

综述了杂散电流的形成、作用机理和复杂环境下杂散电流对钢筋混凝土性能的影响以及防治方法。首先，分析了杂散电流形成的主要原因及作用机理；其次，阐述了杂散电流与其他多因素耦合作用下对钢筋混凝土性能的影响；然后，列举了目前国内外防治轨道交通混凝土杂散电流的主要措施；最后，指出了关于复杂环境下轨道交通混凝土杂散电流仍需进一步研究的问题。     

钢筋混凝土和钢纤维混凝土杂散电流腐蚀实验研究

依据地铁杂散电流对地下金属物质发生阳极氧化的电化学腐蚀机理,模拟了钢筋混凝土和钢纤维混凝土试件的杂散电流腐蚀实验。通过两种不同材料在相同的杂散电流环境中进行模拟腐蚀比较,分析了钢筋混凝土和钢纤维混凝土在抵制杂散电流腐蚀的耐久性和破坏形式方面的异同。结果表明,两种材料的耐久性能差异较大,破坏形式也不同,相同条件下,钢纤维混凝土的耐久性能显著降低。     

钢管混凝土复合短柱轴压性能试验研究

钢管混凝土复合柱由钢管混凝土柱肢和钢筋混凝土联接板组成。以柱肢钢管壁厚和联接板厚度为试验参数,对7个复合短柱试件进行轴压性能试验研究,同时进行了与复合柱试件组成相对应的4个钢管混凝土柱构件和3个钢筋混凝土板构件的轴压试验。研究复合短柱在轴压荷载作用下的破坏模式和荷载 位移曲线,对比分析试件与对应构件的荷载 应变曲线,研究柱肢钢管壁厚和联接板厚度对复合短柱轴压承载力的影响。试验结果表明：轴压复合短柱受力全过程分为弹性阶段、弹塑性阶段和塑性发展阶段;轴压复合短柱的破坏特征为钢筋混凝土联接板混凝土压碎,此时钢管混凝土柱肢的受力状态与对应的钢管混凝土构件的受力状态不同,钢管混凝土柱肢并没有充分发挥其自身的承载能力;在复合短柱的轴压承载力计算中应引入柱肢承载力折减系数,该系数与柱肢套箍系数相关;通过对现有的钢管混凝土轴压短柱的试验数据进行回归分析,拟合得到柱肢承载力折减系数的经验计算公式;按照建议方法计算得到的复合短柱的轴压承载力与试验结果吻合良好。     

地铁工程中高性能混凝土抗杂散电流腐蚀模拟试验研究

杂散电流对地铁工程钢筋混凝土的损害是严重的。本文通过混凝土试件在Ca（OH）2饱和溶液和3．5％NaCl溶液中的模拟试验及微观机理分析,得出采用优化配制的复掺优质粉煤灰和矿渣微粉的高性能混凝土抗杂散电流腐蚀能力比同水胶比基准混凝土提高6～8倍的结论,并通过耐久寿命评估,达到了设计使用寿命100年的基本要求。     

钢纤维混凝土隧道的耐久性能研究

大型土木工程结构中,材料的腐蚀对其结构耐久性具有很大的影响,因而正确分析和认识材料腐蚀的原因至关重要。尤其对于地铁隧道这种特殊地下工程的耐久性能更为重要,针对地铁隧道的杂散电流腐蚀问题,对钢纤维混凝土结构进行了杂散电流腐蚀试验,根据钢筋混凝土腐蚀破坏和钢纤维混凝土腐蚀破坏的等效原理,建立了钢纤维混凝土结构在杂散电流腐蚀作用下结构破坏的预测模型。     

直流条件下钢纤维和钢筋对混凝土导电性的影响

笔者通过电化学阻抗谱法测定了素混凝土、钢筋混凝土和钢纤维混凝土试件的电阻,并经过换算得到3种混凝土的电阻率。试验结果表明,钢筋和钢纤维的加入显著降低了混凝土的电阻率,进而增加了引入杂散电流的风险,但钢纤维混凝土的电阻率比相同尺寸的钢筋混凝土试件的电阻率大,说明钢纤维混凝土试件引入杂散电流的风险相对较小。同时,阐述了试件长度对2种混凝土试件电阻和电阻率的影响。     

杂散电流与氯盐耦合作用对钢筋混凝土耐久性的影响

地铁工程钢筋混凝土常处于杂散电流与氯盐共存的腐蚀环境中,二者均对钢筋混凝土耐久性劣化有促进作用。主要研究了氯盐、杂散电流以及二者耦合作用下钢筋混凝土的腐蚀规律,确定了不同配比下的混凝土电阻率、电通量以及氯离子扩散深度的对应关系。试验结果表明,硅灰、聚丙烯纤维的掺入及宏观水胶比的调整都可明显提高钢筋混凝土的抗腐蚀性,此技术合理应用到地铁工程中可有效延长钢筋混凝土的使用寿命,减少维修养护成本。     

中、美规范中受压构件的正截面承载力计算

对中国<混凝土结构设计规范>(GB 50010-2002)和美国ACI 318M-05规范中钢筋混凝土受压构件的最小和最大配筋率、正截面轴心受压、偏心受压承载力及其配箍构造的规定进行了对比分析.结果表明:对于轴心受压构件,美国规范中受压承栽力的折减系数小于中国规范;随着受力状态由大偏心受压向小偏心受压过渡,美国规范抗力折减系数的变化与构件的受力破坏特征有关,而中国规范的抗力折减系数基本不体现大、小偏心受压构件受力破坏特征的影响;对于高强混凝土,中国规范在确定混凝土材料强度标准值时引入了脆性系数,而美国规范通过较高的配箍率规定来保证高强混凝土构件的受力破坏特征与普通混凝土一致.     

循环荷载作用下植筋混凝土梁优化设计研究

植筋混凝土梁在达到规定的植筋深度时,经循环荷载作用后植筋端头处截面因抗剪能力不足出现斜裂缝,引起构件脆性破坏。针对此问题,提出了一种优化设计方案,即在植筋端头处设置箍筋。设计6组试件,对比优化前后植筋梁的破坏特征、延性系数、承载力、钢筋应变和疲劳损伤的差异。结果表明:在设计时将植筋端头置于原构件箍筋处能够明显提高植筋混凝土梁的延性系数和承载力,降低疲劳损伤。植筋深度决定了植筋梁的破坏特征,植筋深度小于20d,经优化后的试件仍发生脆性破坏。锚固深度达到25d时,经优化的试件疲劳破坏特征由脆性破坏转为塑性破坏。推导出了与植筋深度和混凝土残余应变相关的疲劳损伤计算公式,经优化设计后试件的疲劳损伤可以降低13.93%~19.24%。     

杂散电流与环境耦合对水泥基材料耐久性影响研究进展

在实际服役过程中,混凝土常常处于复杂的环境中。杂散电流广泛存在于采用直流牵引供电的轨道交通系统中,因此这类工程中的混凝土、砂浆等水泥基材料往往处于杂散电流与环境因素的共同腐蚀作用下。总结了国内外关于杂散电流与软水、氯离子、硫酸根离子和冻融循环等环境因素耦合作用下水泥基材料耐久性的研究进展,以及如何提高水泥基材料的抗杂散电流性能的研究成果。在此基础上,对杂散电流与环境因素耦合作用下的水泥基材料耐久性研究前景进行了展望。     

胶栓复合钢接头力学性能研究

通过胶栓组合钢结构连接接头静力性能试验和疲劳性能试验,研究了其抗滑移性能,测试了抗滑移系数,检验了胶栓组合接头的静力性能和疲劳性能,并与摩擦型高强螺栓试件试验结果进行了对比分析。结果表明：①胶栓接头的静载承载能力和抗滑移能力与摩擦型接头相比,提高约80%以上;②较厚的胶层厚度能提高胶栓组合试件的抗滑移性能;③在经历200万次循环疲劳载荷的加载作用后,试件的抗滑移系数基本没有变化;④微观分析发现胶栓接头的破坏主要有胶体破坏和黏接界面破坏两种形式。相比于摩擦型接头,胶栓接头明显降低了对摩擦面/黏接面的平整度要求,提高了现场工作质量、效率和连接抗剪强度,具有较大的工程价值。     

大跨半钢板混凝土组合下的仰拱结构疲劳损伤试验研究

采用疲劳试验,对隧道基底的半钢板混凝土组合仰拱结构试件的疲劳损伤进行了研究。结果表明:在142万次疲劳结束后,试件Z-1沿截面高度钢梁腹板整个被拉裂;在115万次疲劳结束后,试件Z-2腹板全部被拉裂;Z-3试件在疲劳试验循环211万次后,无裂缝产生。试件Z-1、Z-2最小动挠度和最大动挠度随着疲劳加载次数增加有逐渐线性增加趋势,但增加速度较慢,试件Z-3组合梁在达到目标循环200万次前,疲劳破坏未发生。随着疲劳加载次数的增加,试件Z-1的跨中残余挠度先增加后减小再增加,试件Z-2为增加趋势,试件Z-3保持稳定。在临近破坏前,疲劳残余挠度对试件影响较大。试件Z-1、Z-2、Z-3在荷载分别大于100、50、150 k N时,底面钢板应变增加较快。在整个挠度中,试件组合梁最大疲劳残余挠度平均百分比为7.5%,对于隧道基底的半钢板混凝土组合仰拱等承受动荷载结构,由于重复荷载引起组合梁的挠度变形应当重视。     

界面缺陷对钢管混凝土受弯构件抗弯性能影响研究

钢管与核心混凝土之间的界面缺陷在很多在役钢管混凝土结构中普遍存在,是影响结构工作性能的重要原因之一。文章进行不同界面缺陷范围的圆钢管混凝土抗弯构件的抗弯性能试验研究,分析缺陷范围对试件的破坏模式、承载能力、跨中挠度、钢管表面应力等参数的影响;采用声发射技术监测了试件在加载过程中核心混凝土的内部损伤情况,分析界面缺陷范围对混凝土损伤以及试件抗弯刚度的影响规律。基于试验结果的修正,建立有限元分析模型,研究截面含钢率、核心混凝土强度、界面缺陷范围等参数对钢管混凝土构件抗弯刚度的影响规律。结果显示,含钢率与界面缺陷范围变化对抗弯刚度作用相反,即含钢率越高时,界面缺陷范围对构件的抗弯刚度折减影响越低;核心混凝土强度与界面缺陷范围变化对抗弯刚度作用一致,即核心混凝土强度越高,界面缺陷范围对构件的抗弯刚度折减影响也越高;最后,根据数值分析结果,得到不同缺陷范围下抗弯刚度折减系数的经验表达式。     

热轧H型钢-混凝土组合短柱偏压承载性能研究

为研究H型钢-混凝土组合短柱的偏压承载性能,完成了2个不同截面形式的H型钢-混凝土组合短柱偏压试验,得到了试件在偏压荷载作用下的破坏形态、荷载-位移曲线等。结果表明,荷载作用偏心距相同时,不同钢材强度试件的偏压承载力折减系数基本相同,而随着混凝土强度的提高,构件的偏压承载力折减系数逐渐减小。基于有限元模型参数分析结果,提出H型钢-混凝土组合短柱的N-M相关曲线的数学表达式,并给出偏压承载力折减系数的简化计算式,可用于计算H型钢-混凝土组合短柱的偏压承载力。     

杂散电流与硫酸盐耦合作用下混凝土氯离子扩散性能研究

配制了两种配合比的混凝土试件,开展了杂散电流单独作用以及杂散电流与硫酸盐耦合作用下的氯离子侵蚀试验。测试了混凝土中水溶性氯离子含量,计算了不同试验条件下的氯离子扩散系数及其时变规律,分析了杂散电流、硫酸盐以及矿物掺合料对混凝土氯离子扩散性能的影响,并通过微观分析进一步阐述了杂散电流与硫酸盐耦合作用对混凝土氯离子扩散性能的影响机理。试验结果表明:杂散电流会通过电场作用促进氯离子向混凝土内部扩散;复掺粉煤灰和矿粉可降低混凝土孔隙率,显著降低氯离子扩散性能;硫酸盐会与水泥水化产物生成钙矾石,短期内对氯离子扩散起抑制作用,长期将增大氯离子扩散性能;杂散电流与硫酸盐长期耦合作用将增大氯离子扩散性能。     

高性能钢筋混凝土T形梁静力和疲劳性能试验研究

针对青海省西宁市兴建轨道交通工程中混凝土结构的关键技术,研究了静载及疲劳下T形梁的破坏形态、疲劳寿命及变形特征。通过分析高性能钢筋混凝土T形梁的破坏形态,对比不同水胶比的钢筋混凝土T形梁的受力性能,得出不同配合比下钢筋混凝土T形梁疲劳荷载循环下的抗弯承载力、跨中挠度、截面应变、钢筋应变、裂缝宽度的影响规律,并验证了静载和疲劳下的平截面假定,以期对钢筋混凝土T形梁在电机车运行状况下的疲劳性能进行探讨,研究结果为青海地区轨道交通高性能混凝土结构的耐久性和安全性问题提供理论依据。     

杂散电流-盐卤耦合作用下钢筋混凝土腐蚀行为

针对西部地区轨道交通工程中杂散电流-盐卤耦合作用下的严酷服役环境,设计了杂散电流-盐卤耦合作用下的试验模拟装置并采用线性极化电阻(LPR)、交流阻抗谱(EIS)以及沉淀-电位滴定等试验方法,系统研究了钢筋类型、通电时间和阻锈剂等关键因素对钢筋腐蚀行为的影响规律.结果表明:在杂散电流-盐卤耦合作用下,混凝土中光圆钢筋的耐蚀性能是肋纹钢筋的2.5倍;随着杂散电流通电时间的增加,盐卤环境中各试件的耐蚀性能均呈现数量级下降,且在通电初始阶段下降幅度最大;阻锈剂的加入可使耦合作用下的试件耐蚀性能大幅度提高,最高可达50%.     

带钢板-混凝土组合桥面板的组合梁疲劳性能试验研究

为研究带钢板-混凝土组合桥面板的组合梁在疲劳荷载下的受力性能,对2个试件进行静力试验研究,并对6个试件进行等幅疲劳试验研究。疲劳试验试件按承受正弯矩和承受负弯矩两组类型试件分别考虑,在各组试件中均主要考察疲劳荷载上、下限值及疲劳荷载幅值等因素对带钢板-混凝土组合桥面板组合梁的疲劳破坏模式及疲劳累积损伤的影响。疲劳试验过程中对组合梁试件在各主要循环加载次数下的动挠度、残余挠度、混凝土应变、底部钢板应变、试件钢梁应变及试件受弯刚度进行试验测量和分析。疲劳试验结果表明:正弯矩组合梁试件的疲劳破坏形态为组合梁底部钢梁疲劳断裂破坏,进而受压区混凝土压碎破坏,试件疲劳寿命主要与试件疲劳应力幅有直接关系,而疲劳荷载的上、下限值对疲劳寿命影响较小;负弯矩组合梁试件在200万次循环荷载下均未发生疲劳破坏且仍具有较高承载能力和刚度,表现出了良好疲劳性能。研究成果可为该类型组合梁设计应用提供依据。     

腐蚀条件下钢纤维体积率对混凝土强度损失的影响

杂散电流和氯离子耦合作用下,会影响钢纤维混凝土的耐久性能。通过杂散电流腐蚀试验研究,探讨了二者不利因素耦合作用下,钢纤维体积率对材料强度损失率的影响及作用机理。结果表明:钢纤维混凝土的耐久性能在杂散电流和氯离子的耦合作用下,严重威胁材料的强度;钢纤维体积率存在一最佳值,使得腐蚀后钢纤维混凝土的强度损失最小。研究成果可为钢纤维混凝土在地铁环境中的应用提供相关的试验成果。     

UHPC加固锈蚀钢筋混凝土柱轴心受压性能试验研究

为研究在轴压荷载作用下,UHPC对锈蚀钢筋混凝土柱加固前后的裂缝开展情况、破坏形态、竖向和横向变形、极限荷载的影响,共设计了9根试件,通过电化学的方式对所有试件通电锈蚀,再采用UHPC对部分试件加固,最后采用控制变量法分别对锈蚀率为10％、20％、30％的试验柱进行轴压破坏试验研究.试验结果表明:钢筋混凝土柱的表观裂缝随锈蚀率提高逐渐发展,UHPC可以有效的抑制锈蚀裂缝的开展,采用UHPC加固后不会对原RC柱产生围压作用;未加固试件破坏形态主要表现为试验柱表面出现大量裂缝后混凝土被压碎,加固后试验柱破坏形态主要表现为UHPC加固层劈裂破坏;加固后构件极限压应变值平均提高了24.8％,极限拉应变值平均提高了34.1％,极限承载力约为原试验柱的2倍;对UHPC加固锈蚀RC柱进行了理论模型验证,考虑了核心约束区混凝土强度的增强、锈蚀后混凝土的有效截面面积、锈蚀钢筋屈服强度的折减系数等,研究结果表明该理论模型与实测值较为符合.在考虑核心约束区混凝土强度的增强、锈蚀后混凝土的有效截面面积、锈蚀钢筋屈服强度的折减系数的基础上,提出了UHPC加固锈蚀RC柱的理论模型,理论值与实测值符合较好,可供实际工程参考.