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目前我国正处于大力发展基础设施建设的阶段,跨海工程较多,受海洋氯盐环境的影响,近海环境中混凝土结构较内陆地区更容易发生腐蚀,尤其对于钢筋混凝土的桥梁来说,由于长期暴露于野外环境中并承受车辆荷载,混凝土极易出现开裂、剥落、钢筋锈蚀等耐久性病害。钢筋锈蚀所引起混凝土桥梁承载力的下降,也可能导致桥梁的失效模式发生改变,由于剪切破坏属于脆性破坏,如果锈蚀的混凝土桥一旦发生,将造成生命安全问题和巨大经济损失,因此,保证混凝土结构在氯离子侵蚀环境下的安全性和耐久性成为亟待解决的问题。本文围绕氯离子侵蚀、钢筋锈蚀、承载力退化等问题开展了相关研究,主要研究内容如下:
(1)通过大量的文献调研,梳理分析了现有文献中的氯离子传输模型、钢筋锈蚀模型、抗剪承载力计算模型、锈蚀混凝土梁抗剪承载力计算方法等研究现状,总结分析了目前研究中存在的一些问题。
(2)基于修正压力场理论(MCFT),推导了弯剪状态下钢筋混凝土T梁的抗剪承载力迭代算法,通过收集试验样本验证了本文模型的正确性;通过统计分析T形梁样本在抗剪极限状态时纵筋、箍筋和混凝土的受力状态,简化迭代方法得到显式公式,并通过试验数据证明了显式算法的正确性,发现显式公式对剪跨比小于4,翼缘宽度比值在3~6范围内的T梁预测效果最好。
(3)将考虑钢筋阻滞作用、吸附反应、裂缝尺寸的氯离子扩散模型引入到T梁耐久性研究中,更加真实地分析了不同裂缝尺寸下T梁内氯离子浓度场分布规律。此外,通过电化学理论和COMSOL有限元数值仿真,验证了COMSOL在钢筋锈蚀方面的适用性,发现钢筋的初锈时间随裂缝尺寸的增加而相应提前,当混凝土表面氯浓度与钢筋锈蚀临界浓度相差较近时,裂缝对初锈时间影响较大,而对钢筋锈蚀速率影响较小;当两者相差较大时,裂缝对初锈时间的影响变小,而对钢筋锈蚀速率的影响较大,并随裂缝宽度深度的增加而增加,同一裂缝处,钢筋锈蚀速率自身随时间也呈现出非线性的增加。
(4)将锈蚀钢筋力学参数引入T梁抗剪承载力的显式公式中,得到锈蚀钢筋混凝土T梁时变抗剪承载力计算模型,并在已有抗弯承载力模型基础上推导得到锈蚀T梁时变抗弯承载力计算模型;收集的T梁锈蚀抗剪承载力、锈蚀抗弯承载力试验结果验证本文模型的正确性;基于此,分析了浪溅区随机氯离子浓度下完好混凝土T梁和开裂混凝土T梁95%置信水平的钢筋表面氯离子浓度,发现腹板裂缝对箍筋表面的早期氯离子浓度影响较大,相同时间下,开裂混凝土的箍筋锈蚀率大于完好混凝土箍筋,且箍筋的锈蚀速率均大于纵筋,开裂混凝土的抗剪承载力衰退速率大于完好混凝土;氯离子侵蚀15年内,完好混凝土的失效模式为弯曲失效,而开裂混凝土梁则存在剪切失效风险。
(1)通过大量的文献调研,梳理分析了现有文献中的氯离子传输模型、钢筋锈蚀模型、抗剪承载力计算模型、锈蚀混凝土梁抗剪承载力计算方法等研究现状,总结分析了目前研究中存在的一些问题。
(2)基于修正压力场理论(MCFT),推导了弯剪状态下钢筋混凝土T梁的抗剪承载力迭代算法,通过收集试验样本验证了本文模型的正确性;通过统计分析T形梁样本在抗剪极限状态时纵筋、箍筋和混凝土的受力状态,简化迭代方法得到显式公式,并通过试验数据证明了显式算法的正确性,发现显式公式对剪跨比小于4,翼缘宽度比值在3~6范围内的T梁预测效果最好。
(3)将考虑钢筋阻滞作用、吸附反应、裂缝尺寸的氯离子扩散模型引入到T梁耐久性研究中,更加真实地分析了不同裂缝尺寸下T梁内氯离子浓度场分布规律。此外,通过电化学理论和COMSOL有限元数值仿真,验证了COMSOL在钢筋锈蚀方面的适用性,发现钢筋的初锈时间随裂缝尺寸的增加而相应提前,当混凝土表面氯浓度与钢筋锈蚀临界浓度相差较近时,裂缝对初锈时间影响较大,而对钢筋锈蚀速率影响较小;当两者相差较大时,裂缝对初锈时间的影响变小,而对钢筋锈蚀速率的影响较大,并随裂缝宽度深度的增加而增加,同一裂缝处,钢筋锈蚀速率自身随时间也呈现出非线性的增加。
(4)将锈蚀钢筋力学参数引入T梁抗剪承载力的显式公式中,得到锈蚀钢筋混凝土T梁时变抗剪承载力计算模型,并在已有抗弯承载力模型基础上推导得到锈蚀T梁时变抗弯承载力计算模型;收集的T梁锈蚀抗剪承载力、锈蚀抗弯承载力试验结果验证本文模型的正确性;基于此,分析了浪溅区随机氯离子浓度下完好混凝土T梁和开裂混凝土T梁95%置信水平的钢筋表面氯离子浓度,发现腹板裂缝对箍筋表面的早期氯离子浓度影响较大,相同时间下,开裂混凝土的箍筋锈蚀率大于完好混凝土箍筋,且箍筋的锈蚀速率均大于纵筋,开裂混凝土的抗剪承载力衰退速率大于完好混凝土;氯离子侵蚀15年内,完好混凝土的失效模式为弯曲失效,而开裂混凝土梁则存在剪切失效风险。