氯离子及迷流共同作用下持荷盾构管片钢筋锈层形态

针对盾构隧道结构在服役期间可能出现钢筋锈蚀的问题,考虑杂散电流、氯离子及外部荷载共同作用,建立了电-化-力三场耦合的三维管片数值模型,分析了多因素作用下拱腰部位管片钢筋的锈蚀率变化规律及锈层分布形态。研究表明: 1）靠近管片外侧钢筋的锈蚀率比内侧的大,不同区域的钢筋出现最大锈蚀率的位置与连心线的夹角在0°~52°之间。2）在荷载作用下管片钢筋的锈蚀率与体积应变有关,管片中部的锈蚀率大于两端的锈蚀率。3）在钢筋脱钝情况下,管片钢筋的锈蚀率随阴阳极电势差增大呈线性增加,随氯离子含量增大呈对数增加。4）在三种因素共同作用下管片钢筋的锈层分布呈偏心圆形态,且偏心圆圆心坐标及半径的大小与钢筋不均匀锈蚀系数及最大腐蚀电流密度有关。     

锈胀开裂钢筋混凝土粘结疲劳性能试验研究

重复加载和锈胀开裂均会导致钢筋混凝土粘结性能退化,进而对钢筋混凝土构件力学性能产生不利影响。该文开展了一系列偏心拔出试验,研究了重复加载以及锈胀开裂对粘结滑移性能的耦合影响规律。主要研究变量包括重复加载次数、应力水平以及钢筋锈蚀程度。结果表明:重复加载对非锈蚀试件和锈胀开裂试件粘结强度及峰值滑移没有显著影响,但会导致钢筋和混凝土之间不断累积残余滑移。重复加载后,粘结应力-滑移曲线形态特征与单调加载试件相似。该文还发现表面锈胀裂缝宽度对粘结强度、峰值滑移以及残余滑移的增长规律有明显影响。锈胀开裂会导致钢筋混凝土试件粘结疲劳寿命显著下降。基于试验数据及文献中研究结论,该文建立了重复及单调荷载作用下非锈蚀及锈胀开裂试件的局部粘结应力-滑移本构关系模型,推导得到了粘结疲劳寿命预测模型。     

锈胀钢筋混凝土拱肋承载力试验与模拟

为研究锈胀损伤对钢筋混凝土拱肋极限承载力的影响,制作了4片钢筋混凝土圆弧拱肋,通过电化学快速锈蚀使其表面产生不同程度的锈胀裂缝,讨论了初始锈胀裂缝的分布情况,研究了锈胀拱肋的裂缝发展、不同位置处位移和应变、极限承载力及失效模式。试验结果表明:锈胀削弱了混凝土截面尺寸和刚度,降低了钢筋与混凝土间的粘结性,是承载力退化的主要原因之一;锈胀导致的拱肋极限承载力下降率约为60%;锈胀未改变拱肋的失效模式,所有拱肋均在一侧拱脚发生脆性破坏。在试验的基础上,建立了锈胀钢筋混凝土拱肋的有限元计算模型,由于RC拱肋存在大面积锈胀,模型中未考虑混凝土保护层的影响,计算结果和试验值较为接近,为日后有限元建模提供一定参考。     

锈蚀钢筋混凝土梁动态抗弯性能细观数值研究EI北大核心CSCD

为研究锈蚀对钢筋混凝土(reinforced concrete,RC)梁动态力学性能的影响,考虑钢筋锈蚀和应变率效应及混凝土内部结构的非均质性,建立锈蚀钢筋混凝土梁两阶段三维细观尺度数值模型。钢筋的非均匀锈蚀膨胀以施加非均匀径向位移的方式模拟,并以保护层开裂“最终状态”作为之后混凝土梁动载模拟的“初始输入条件”,获得锈蚀后的动态力学行为。在验证了数值模型合理性的基础上,分析了钢筋锈蚀引起的保护层锈胀开裂行为及不同应变率下构件力学性能的变化。结果表明:钢筋锈蚀使混凝土梁产生了明显的纵向裂缝,梁的承载力随钢筋锈蚀率增加而降低;高应变率下,混凝土梁发生冲切破坏,梁的承载力显著提高;锈蚀混凝土梁承载力损失与锈蚀后梁频率降低系数(反映刚度损失)近似呈线性规律,且低应变率下的承载力对频率变化更加敏感。最后,基于模拟结果回归分析,发展建立了考虑锈蚀及应变率耦合影响的混凝土梁动态抗弯承载力预测公式。     

受荷混凝土中钢筋锈蚀速率计算方法

为研究荷载对钢筋锈蚀速率及结构耐久性的影响,在潮汐区与盐雾区开展不同荷载条件下氯离子扩散试验,荷载大小分别为无荷载、0.3倍和0.5倍混凝土抗折强度.在混凝土中掺入氯盐,开展不同浓度氯盐条件下的钢筋锈蚀试验.通过氯离子扩散试验得到荷载对氯离子扩散影响系数与荷载大小的关系,修正菲克第二定律中的氯离子扩散系数.钢筋锈蚀试验中测试不同时间下混凝土构件中钢筋的锈蚀电流密度,拟合出钢筋锈蚀电流密度与氯盐浓度和锈蚀时间之间的关系.结合混凝土中考虑荷载影响的氯离子扩散模型与钢筋锈蚀模型,给出荷载作用下混凝土中钢筋锈蚀速率的计算方法.该方法对于海洋环境中荷载作用下钢筋混凝土结构耐久性寿命计算具有重要意义.     

活性粉末混凝土拱极限承载力试验研究

进行了两根活性粉末混凝土(RPC)模型拱的L/4处单点加载的面内受力全过程试验,建立了考虑材料与几何双重非线性的有限元模型,有限元计算结果与试验结果吻合良好。通过与普通混凝土(RC)模型拱的受力性能的比较,对RPC模型拱荷载-竖直位移曲线、裂缝开展情况、截面应变和结构破坏模式等方面进行了分析。试验与有限元计算结果表明,RPC拱受力过程和破坏模式与RC拱相似,分为弹性阶段、裂缝开展阶段和钢筋屈服阶段,最终因出现4个塑性铰形成机构而呈塑性破坏,其极限承载力也可用极限分析法进行简化计算。RPC拱由于其材料性能优越,使其受力性能优于RC拱,在同级荷载下RPC拱裂缝的宽度约为RC拱的25%~50%;而RPC拱的开裂荷载、钢筋屈服荷载和极限承载力均较RC拱有明显的提高。在极限承载力相同的条件下,RPC拱的截面积与自重可以减小到RC拱的67%左右,表明RPC可有效减轻结构自重,提高拱桥跨越能力。     

海工结构服役寿命及保护层开裂模式细观数值模拟

通过在钢筋与混凝土交界面处施加时变边界位移建立非均匀锈蚀钢筋锈胀模型,其中混凝土损伤本构采用指数应力软化模型,时变边界位移采用Faraday定律对氯离子浓度积分计算得到.参数化分析保护层厚度、钢筋位置、钢筋直径等因素对服役寿命及保护层开裂模式的影响.研究结果表明,服役寿命随保护层厚度增加而增长,而且增加幅度逐步增大,而钢筋直径变化对服役寿命影响较小,角部钢筋锈蚀则导致结构服役寿命缩短;中部钢筋的锈蚀使得保护层出现三条主裂缝,当保护层较小,保护层破坏模式为凸起式破坏,保护层较大时则将出现层裂;同时,角部钢筋锈蚀将在保护层内形成两条主裂纹,最终导致角部保护层脱落.     

锈蚀钢筋混凝土构件基于地震损伤的恢复力模型研究

为建立锈蚀钢筋混凝土构件恢复力模型,本文通过对6个锈蚀钢筋混凝土受弯构件低周反复荷载试验,得到不同锈蚀程度的各试件的滞回曲线及骨架曲线,分析了钢筋锈蚀对试件抗震性能的影响。根据试验成果,结合钢筋锈蚀引起结构破坏形态的改变,综合考虑钢筋锈蚀后引起结构截面几何损伤、钢筋和混凝土力学性能降低、粘结滑移性能劣化以及结构刚度退化等各种耐久性损伤因素,并考虑箍筋锈蚀引起结构延性的影响,提出了锈蚀钢筋混凝土构件基于地震损伤的恢复力模型的确定方法。通过与试验进行对比分析表明模型描绘的骨架曲线和滞回曲线与试验结果总体吻合较好,所描述的现象与试验一致,该恢复力模型可在损伤钢筋混凝土结构地震反应分析中采用。     

基于氯盐最不利侵蚀下锈蚀RC框架结构时变地震易损性研究

基于一维Fick第二定律,采用DuraCrete规范中钢筋锈蚀初始时刻的概率预测模型,并基于概率统计的钢筋直径预测模型,计算不同龄期下RC结构中钢筋的锈蚀深度。基于修正斜压场理论并以锈蚀深度为单变量,对不同龄期下受压区锈胀开裂混凝土峰值应力进行计算;根据锈蚀深度对钢筋本构和Mander约束混凝土本构模型中相关参数进行了修正。于地震易损性模型中引入时间参数,建立含时间参数的RC结构地震易损性模型。最后,基于上述材料力学性能退化模型,采用基于力的纤维塑性铰模型,建立三层RC平面框架结构数值模型,并结合本文所提出的时变地震易损性模型,给出了三层平面RC框架0、5、10和15年龄期的易损性曲线和曲面。所提研究方法可用于既有RC框架结构生命周期内的抗震性能及损失预测分析。     

既有钢筋混凝土拱肋承载力测试与分析

对于服役多年的钢筋混凝土桥梁,混凝土开裂、钢筋锈蚀等存在着复杂性和随机性,对其性能影响很大。基于实桥两根服役28年的钢筋混凝土拱肋极限承载能力试验研究,详细阐述了拱肋的荷载位移、荷载应变关系、残余承载力以及失效形势,分析了影响承载力的相关因素,给出了服役多年混凝土的本构关系,分别建立了考虑与未考虑老化与损伤的拱肋极限承载能力的有限元计算模型,并对比分析了理论计算值和实验结果。各项研究表明初始裂缝、钢筋锈蚀和拱轴线的线形对结构的承载能力和失效形势有较大影响。     

低温高锰钢的局部腐蚀行为研究

采用间浸腐蚀试验、极化曲线测试、扫描观察(SEM)和透射电镜观察(TEM)等方法研究了在3.5%NaCl溶液中添加氧化剂以及敏化处理对低温高锰钢局部腐蚀性能的影响。结果表明：经间浸腐蚀试验后,各试样均主要发生全面非均匀腐蚀,局部可见点腐蚀特征。试样在3.5%NaCl溶液中腐蚀产生的锈层疏松,在3.5%NaCl+0.25%Na₂S₂O₈溶液中腐蚀,试验初期自腐蚀电流密度提高两个数量级,在较短时间内产生致密的锈层,阻止了试验后期腐蚀向内层的快速扩展,试样平均腐蚀速率降低,点腐蚀深度减小。800℃×5 h敏化处理后,高锰钢的组织结构没有发生改变,晶界析出了断续分布的碳化物,其抗腐蚀性能与原始态相当,极化曲线印证了这一结果。     

纵肋与横隔板交叉构造细节穿透型疲劳裂纹扩展特性及其加固方法研究

纵肋与横隔板交叉构造细节是正交异性钢桥面板最易发生疲劳开裂的构造细节,通过建立有限元数值模型,采用断裂力学方法,研究栓接角钢加固方式对该处疲劳易损细节穿透型裂纹的加固效果。基于疲劳试验足尺节段模型相对应有限元模型,建立了纵肋与横隔板焊接处穿透型疲劳裂纹模型,针对栓接角钢和纵肋外侧栓接钢板两种加固技术的加固效果进行评估。研究结果表明:钢桥面板纵肋与横隔板交叉构造细节的疲劳裂纹扩展至一定长度后将发展成穿透型裂纹,裂纹面受力复杂,纵肋腹板内外侧疲劳裂纹扩展特性表现的不一样,但是随着裂纹扩展的逐步进行,裂纹尖端的开裂模式均以复合型开裂为主;栓接角钢加固方式主要抑制纵肋与横隔板交叉构造细节易损部位疲劳裂纹的I型开裂,因此能很好地抑制短裂纹的扩展,但对于该细节处以复合形式扩展的穿透型疲劳裂纹的加固效果并不显著;在纵肋外侧栓接半U形钢板的加固方法能有效改善穿透型疲劳裂纹的等效应力强度因子,并且加固之后均保持在裂纹扩展阈值以下,表明该加固方式对穿透型疲劳裂纹有良好加固效果。     

DETERMINATION OF KI AND KII FOR CURVILINEAR CRACKS UNDER A NON-UNIFORM BIAXIAL STRESS FIELD

Abstract— Any structural element subjected to a static or alternating biaxial load with variable or random amplitudes may suffer from damage that can be described by fracture mechanics parameters. Brittle fracture conditions, fatigue crack growth rate and direction, as well as corresponding safety margins, are the most important unknowns which have to be predicted.
A method is presented for estimating stress intensity factors K _I and K _II for a curvilinear crack subjected to a non-uniform biaxial stress field. The method is based on the assumption of an equivalent arc crack, determined separately for each of the real crack tips. The K _I and K _II values are estimated by means of a modified weight function, called a unitary weight function, evaluated here for the arc crack by using the boundary element method (BEM). According to the principle of superposition any form of non-uniform stress field may be considered. Accuracy of the method and associated problems of curvilinear crack analysis are also discussed.     

软硬不均地层盾构姿态控制及管片防裂损技术

广州地铁二号线越—三盾构区间的地层软硬不均，加之曲线多、坡度变化大，盾构掘进技术难度大，掘进方向与盾构姿态的控制困难，防止管片开裂和局部破损以及错台具有一定的难度。为了有效地控制掘进方向和盾构姿态，研究了盾构掘进方向发生偏差的原因，并对越—三区间盾构掘进的偏差实测数据进行具体分析，得出了偏差的原因和规律；研究了盾构掘进姿态的控制方法。为了防止盾构管片的裂损，采用数值模拟方法研究管片裂损的规律及其主要因素，提出了有效控制管片裂损的主要方法。     

面外支撑非均匀布置的 箱型与圆管截面拱平面外弹性屈曲

在面外设置离散支撑,是建筑与桥梁工程设计中提高钢拱面外稳定性采用的有效措施。该文研究了面外支撑沿拱轴线非均匀布置时,箱型与圆管截面两铰拱的平面外弹性屈曲性能。该文首先将拱段间的相互约束作用等效为拱段两端的约束弹簧,采用数值拟合法获得了被约束拱段的平面外弹性屈曲荷载;此后借鉴压弯直构件端部弯矩与转角关系,提出了支撑间拱段的相互约束作用计算方法,并由此得到了面外支撑非均匀布置时,钢拱的平面外弹性屈曲荷载迭代计算步骤。根据该文提出的方法所获得的离散支撑钢拱的平面外弹性屈曲荷载与有限元计算结果吻合较好。     

特种设备用双相不锈钢抗点蚀性能研究

点蚀是不锈钢最有害的腐蚀形态之一,点蚀往往是应力腐蚀裂纹和腐蚀疲劳裂纹的起始部位。点蚀是一种腐蚀集中于表面的很小范围内,并深入到金属内部的腐蚀形态,一般形状为小孔状,其危害性比均匀腐蚀严重得多,会引起爆炸、火灾等事故。双相不锈钢兼有铁素体和奥氏体的特性,它将铁素体良好的强度、硬度和奥氏体优良的塑性和韧性结合起来,并具有优良的耐点蚀性能,无论是在力学性能上还是在耐腐蚀性上,双相不锈钢都明显优于铁素体不锈钢和奥氏体不锈钢,可以在点蚀环境中的特种设备上广泛使用。     

Subsurface crack determination by one-sided ultrasonic measurements

Corrosion of steel reinforcement in concrete is a common type of damage. The cracks propagate from the steel bar to the surface without giving any visual sign prior to surface crack formation. As long as the surface material is intact, the sensitivity of the longitudinal wave velocity to the subsurface cracks is doubtful. In this paper, cracks were created in steel fiber reinforced concrete specimens by four point bending. Wave measurements took place on the intact surfaces (compression side) using common acoustic emission transducers. Although there was no visual sign of the crack, Rayleigh as well as longitudinal wave velocities clearly decreased relative to those of the sound material. Other parameters like the amplitude and the experimental scatter of the waves were much more sensitive to damage. Numerical simulations were conducted in order to make a parametric study concerning the depth of the sound layer, the propagating wavelength and the measured wave parameters and propose a firm methodology. It is concluded that by scanning a surface with simple acoustic one-sided measurements, the identification of the location of the subsurface damage is possible, while the propagating wave gives information about the depth of the crack.     

锈蚀钢框架地震易损性评定方法

钢结构锈蚀降低了钢材塑性变形能力,降低了断裂韧性,势必影响锈蚀钢结构的抗震性能。该文借助于加速腐蚀试验,研究了钢材力学性能随锈蚀程度的变化规律,建立了钢材强度、延性指标与锈蚀程度之间的关系;研究了地震作用下钢结构损伤状态及性能水平与锈蚀程度之间的关系,并基于极限破坏状态提出了锈蚀钢框架层间位移角限值取值方法。以5层钢框架为例,运用静力弹塑性分析方法,探讨了锈蚀对钢框架构抗震性能的影响;运用增量动力分析法,建立结构损伤指标与地震动强度指标的关系,得到不同龄期锈蚀钢框架地震易损性曲线,提出了锈蚀钢框架地震易损性评定方法。研究结果表明:同龄期不同极限状态结构超越极限状态的概率不同,倒塌极限状态下差距较大,而正常使用极限状态差距较小,若不修正层间位移角限值会高估锈蚀钢框架抗震性能。     

23Co14Ni12Cr3Mo超高强钢在模拟海水环境中的腐蚀行为

采用模拟海水干湿交替气氛的周期浸润腐蚀、模拟海水大气环境的中性盐雾腐蚀及模拟海水全浸区的全浸腐蚀三种加速腐蚀实验方法以及电化学阻抗谱技术进行了23Co14Ni12Cr3Mo超高强钢在海水模拟环境下的腐蚀行为。采用扫描电镜和X射线衍射方法对腐蚀形貌及腐蚀产物组分进行分析研究。结果表明:在模拟环境加速腐蚀实验中,23Co14Ni12Cr3Mo超高强钢腐蚀产物可分为外层锈层γ-FeOOH和内层锈层α-FeOOH,通过模拟三种海水环境的腐蚀速率得出干湿交替环境中的耐腐蚀性最差,腐蚀均是从点蚀开始,慢慢扩大,由局部腐蚀逐渐发展成均匀腐蚀。