计及地方气候的混凝土结构钢筋锈蚀寿命研究

通过拟Monte-Carlo抽样法,计及地方温度和相对湿度影响,研究混凝土结构钢筋锈蚀寿命,并以上海、广州、莆田等沿海城市的混凝土结构为例,分析钢筋锈蚀寿命的概率分布、概率密度,以及混凝土结构保护层厚度C_(cov)、表面氯离子浓度C_s、氯离子扩散系数D_(ref)和钢筋锈蚀时氯离子临界浓度C_(th)等对钢筋锈蚀寿命的影响。研究结果显示:地方气候温度、相对湿度对钢筋锈蚀寿命有一定影响;增加C_(cov)和C_(th),可以提高混凝土结构抗氯离子腐蚀、延长其使用寿命;C_s和D_(ref)的增大会降低钢筋锈蚀寿命。建议在混凝土结构及耐久性设计时,考虑地方气候环境的影响,并采取适当增大混凝土保护层厚度等措施,以提高钢筋锈蚀寿命。     

钢筋混凝土结构锈胀开裂及裂缝扩展试验研究

采用加速腐蚀试验,系统地研究了钢筋直径、混凝土强度、腐蚀电流密度、保护层厚度、钢筋位置和类型等因素影响下钢筋混凝土锈胀开裂及裂缝扩展的规律.试验结果表明:腐蚀电流密度对锈胀开裂时间的影响最为显著,其他依次为钢筋直径、保护层厚度、混凝土强度;锈胀裂缝随时间增长呈线性增大趋势;各种因素对锈胀裂缝扩展的影响程度依次为腐蚀电流密度、保护层厚度、混凝土强度和钢筋直径;腐蚀电流密度越大、保护层厚度越小,锈胀裂缝扩展越快;混凝土强度等级越高、钢筋直径越小,锈胀裂缝扩展越缓慢.对比分析发现,钢筋位于上部和相同腐蚀电流下采用变形钢筋时,锈胀开裂晚且裂缝扩展更缓慢;钢筋位于角部时开裂早且裂缝扩展快.分析了各种因素影响机理并提出了提高耐久寿命的措施.     

基于扩孔理论的混凝土钢筋锈胀开裂分析

采用圆孔扩张理论对钢筋混凝土保护层锈胀开裂过程进行分析,推导不同锈蚀率下的混凝土塑性区边界应力及塑性区半径计算公式,建立保护层锈胀开裂扩孔模型。依据扩孔模型导出与保护层开裂时刻对应的临界钢筋锈蚀率表达式ρ(t),并对临界钢筋锈蚀率模型影响因素进行分析。研究结果表明:临界钢筋锈蚀率ρ(t)与混凝土强度等级、相对保护层厚度、钢筋锈蚀速率和铁锈膨胀率相关;随着混凝土相对保护层厚度增大,锈胀开裂临界锈蚀率ρ(t)快速增大;随着铁锈膨胀率增大,临界锈蚀率ρ(t)快速下降;随着混凝土强度等级增大,临界锈蚀率ρ(t)增加不明显。该模型为进一步研究碳化或者氯离子侵蚀的钢筋锈胀开裂寿命预测提供了理论基础。     

预应力组合箱梁桥的使用寿命分析

为了研究既有预应力混凝土结构在混凝土碳化后,结构在服役期间的使用寿命,分析讨论了混凝土碳化及与混凝土本身有关的内部因素(如水灰比、水泥品种、骨料品种与粒径、混凝土强度等)和与环境有关的外部因素(如环境湿度、CO2浓度、环境温度等)的影响.以混凝土的碳化深度作为一个随时间变化的随机过程,建立了一般大气环境下,混凝土强度的时变概率随机模型.并将混凝土强度、保护层厚度、荷载横向分布系数以及荷载增长视为随机变量,在此基础上,研究了在不修复的情况下五跨一联预应力组合箱梁主梁和结合面的使用寿命,结果表明结合面的失效概率要大于主梁.荷载增长对结构可靠度指标影响较大.给出了在不同服役年限时结构主梁和结合面的使用寿命可靠度水平,其结果对预测结构剩余寿命和经济、科学地安排养护维修时间具有重要参考意义.     

型钢混凝土应力传递与黏结破坏机理分析

以型钢混凝土标准推出试验为基础,分析型钢与混凝土之间的黏结性能与应力传递。在考虑型钢与混凝土之间三维空间黏结作用效果的基础上,建立推出试验的力学桁架模型,该桁架模型可以较好地反映型钢混凝土各种黏结破坏形态的破坏机理。混凝土强度、型钢翼缘的保护层厚度、配箍率、型钢的锚固长度是影响型钢与混凝土之间黏结强度的主要因素,利用桁架模型分析了这些因素对黏结强度的影响,得出以下结论:黏结强度随着混凝土强度的增大而提高;随着型钢翼缘保护层厚度的增加,混凝土保护层所能承担的拉力逐渐增大,极限荷载和黏结强度相应提高;配箍率的增加可以有效提高黏结破坏后的残余黏结力;随着型钢锚固长度的增加,试件能承受的极限荷载增大,型钢与混凝土接触面的黏结强度减小。     

粉煤灰混凝土的多因素寿命预测模型

通过快速碳化试验,研究了不同粉煤灰掺量(0～60%)、不同养护龄期(1,3,7,28,90 d)、不同弯曲荷载率(0,25%,50%)对m(W)/m(C)=0.34混凝土的碳化影响,并建立了综合考虑粉煤灰掺量、养护龄期、荷载率、环境温度、结合能力以及混凝土的CO2扩散系数时间依赖性的多因素寿命预测模型.结果表明:混凝土的CO2扩散系数与粉煤灰掺量成二次函数关系,粉煤灰掺量30%左右最佳.混凝土的CO2扩散系数随养护龄期的增加而降低,随荷载率的增加而增加.其关系分别符合指数关系和乘幂关系.使用多因素碳化寿命预测模型对大桥的箱梁和索塔进行预测,箱梁的运营寿命为211年,索塔为167年.增加养护龄期或提高保护层厚度是提高大掺量粉煤灰结构混凝土寿命的重要途径.     

混凝土海洋平台抗氯离子侵蚀耐久寿命预测试验研究

对不同水灰比及掺加粉煤灰、硅灰的高性能混凝土氯离子扩散系数进行了试验研究,并对高性能混凝土海洋平台结构抗氯离子侵蚀耐久寿命进行了预测和分析,结果表明在一定条件下,低水灰比和增加保护层厚度均可以提高混凝土结构抗氯离子侵蚀的耐久寿命.该结论为混凝土海洋平台结构的耐久性设计与评估提供了参考依据.     

裂缝非贯通条件下混凝土结构中氯离子扩散解析

考虑混凝土裂缝的非贯通条件,根据裂缝深度将带裂缝混凝土结构分为裂缝区和无裂缝区.依据Fick第二定律,建立氯离子在带裂缝混凝土结构中的扩散方程,结合初始条件和边界条件,采用Laplace变换法得到带裂缝混凝土结构中氯离子扩散方程的解析解,并分析裂缝宽度和深度对氯离子分布规律及钢筋混凝土结构耐久寿命影响.结果表明,裂缝的深度越小、宽度越大,则裂缝非贯通条件下的氯离子浓度与裂缝贯通条件下的氯离子浓度差异越大.随着裂缝深度与保护层厚度之比d_(cr)/d_c增大,钢筋混凝土结构耐久寿命呈现先减小后增大的变化趋势;当d_(cr)/d_c=1.0时,结构耐久寿命取得最小值;当d_(cr)/d_c1.6时,结构耐久寿命可近似按裂缝贯通时的情况计算.     

混凝土保护层锈胀开裂时间的计算模型

针对钢筋锈蚀是影响钢筋混凝土结构使用寿命的重要因素,以及锈胀开裂为结构耐久性寿命的临界点的现象,假定混凝土满足双剪强度准则,利用厚壁圆筒理论,对均匀锈胀开裂过程进行弹塑性分析,建立了均匀锈胀厚壁圆筒模型.结合Faraday腐蚀定律,得到了锈胀开裂时间计算式.通过对计算式各主要参数的分析,发现增大混凝土保护层厚度、减小钢筋直径以及降低铁锈膨胀率,能有效提高钢筋混凝土结构的耐久性;混凝土强度等级对结构耐久性影响较小.理论计算值与已有试验值吻合较好,计算式合理、可行.     

基于修正扩散方程的混凝土结构耐久寿命敏感性分析

在Fick扩散定律的基础上,综合考虑多因素后,建立了修正的氯离子扩散模型,并对此进行了耐久寿命的敏感性分析,基于各参数的统计特征,进行了耐久寿命的Monte-Carlo仿真模拟.研究结果表明,氯离子扩散系数、保护层厚度、表面氯离子浓度、临界氯离子浓度均对混凝土结构的耐久寿命有显著的影响.在工程中应重视这些影响因素的统计特性,提高结构耐久寿命预测的精度和准确性,更好地为混凝土结构的维护和管理服务.     

复杂环境下钢筋混凝土桥梁损伤概率模型及可靠度分析

综合考虑氯离子的结合作用、水灰比、温度和湿度因素对钢筋锈蚀的初始时间的影响,对Fick第二定律进行改进,建立了初锈时间模型.并通过Monte Carlo数值模拟技术,对钢筋混凝土桥梁的保护层厚度、表面氯离子浓度、扩散系数和临界氯离子浓度进行随机抽样,进行了正常使用极限状态下的可靠度计算.研究结果表明,钢筋对锈蚀的敏感程度依次为:保护层厚度、临界氯离子浓度、扩散系数、表面氯离子浓度;随着锈蚀率的增加,桥梁在使用年限达到65年之后,失效概率达到1,同时使用年限下降27%.     

时变扩散系数对混凝土结构服役寿命的影响

基于氯离子二维扩散模型考虑混凝土氯离子扩散衰减系数及其随机性,计算了氯盐侵蚀下混凝土结构的可靠度及服役寿命。为克服传统可靠度敏感系数的缺陷,分析氯离子扩散衰减系数及其随机性对混凝土结构耐久性的影响,根据全微分公式导出了可靠度对随机变量均值和变异性的无量纲敏感系数。计算结果表明,忽略氯离子扩散系数时变性会导致显著地低估结构服役寿命,而不考虑衰减系数的随机性又会明显地高估结构耐久性能。敏感性分析结果表明,混凝土氯离子扩散衰减系数与混凝土保护层厚度对氯盐侵蚀下混凝土结构耐久性的影响占主导地位,并随着服役时间的增加,衰减系数的影响会超过混凝土保护层厚度。     

硫酸铵腐蚀环境下的混凝土碳化深度试验研究与应用

硫酸盐腐蚀是影响混凝土结构耐久性能的重要化学劣化因子之一。以赣南离子型稀土开采残留硫酸铵的环境问题为背景,通过实验室快速碳化试验研究硫酸铵溶液浓度对混凝土碳化深度的影响规律。结果表明:硫酸铵溶液浓度越大,相同强度等级的混凝土在相同碳化龄期的碳化深度与碳化速率越大。根据试验结果建立了硫酸铵腐蚀环境下混凝土碳化深度预测模型,对该环境下混凝土最小保护层厚度取值提出了建议。     

钢筋混凝土构件模型的配筋率及保护层厚度研究

运用相似性原理,对钢筋混凝土轴心受压、大偏心受压柱以及钢筋混凝土梁的强度相似条件进行推导,确定了模型试验中模型构件配筋率及混凝土保护层厚度的理论取值,并采用误差分析方法分析了模型混凝土保护层厚度取值对承载力相似性的影响.分析表明,在进行钢筋混凝土构件模型试验时,宜采用与原型相同的配筋率.对于轴心受压柱,模型保护层厚度不产生误差;对于钢筋混凝土梁,模型保护层厚度取原型保护层厚度除以0.5倍比例系数,此时误差可以控制在10%;对于大偏压柱,建议保护层厚度取原型保护层厚度除比例系数.     

基于ABAQUS考虑钢筋影响的 混凝土构件收缩徐变分析

基于CEB-FIP(2010)模型采用MATLAB拟合徐变曲线,通过ABAQUS分析软件二次开发了收缩徐变计算程序。在参数验证的基础上,模拟计算了素混凝土及钢筋混凝土柱、单层三跨框架梁在不同参数影响下考虑徐变和收缩影响的竖向变形,提出了考虑钢筋影响的变形折减系数并分析了其影响参数,拟合了不同影响因素下柱的折减系数公式。结果表明:柱的尺寸、混凝土强度与折减系数为二次曲线关系,湿度、配筋率与折减系数为线性关系,轴压比对折减系数影响不大;梁的截面高度、混凝土强度、配筋率与折减系数为二次曲线关系,湿度与折减系数呈线性关系,梁上线荷载大小对折减系数影响不大;折减系数公式能很好地考虑钢筋对混凝土收缩徐变的影响。     

海工预应力混凝土氯离子侵蚀模型及耐久性

总结分析了国内外有关混凝土中氯离子侵入模型的研究概况,针对海工预应力混凝土结构,讨论了影响氯离子侵入预应力混凝土的各种因素．考虑混凝土与氯离子间的结合能力,建立了预应力混凝土氯离子侵入数学模型．以混凝土保护层厚度、氯离子扩散速度以及表面氯离子浓度为主要参数,运用可靠度理论,建立了海工预应力混凝土结构耐久性可靠度分析模型．分析结果表明：应力状态下。混凝土的氯离子有效扩散系数是变化的,其中混凝土的拉应力会加快氯离子的扩散,而压应力则相反;同时从耐久性分析中可知,混凝土保护层厚度对氯离子侵蚀下的PC结构耐久性影响最大,表面氯离子浓度及氯离子扩散速度次之．     

大气环境下锈蚀对钢筋混凝土结构可靠度的影响

研究了大气环境下钢筋混凝土结构可靠度的分析方法 ,计算了不同环境、不同混凝土强度及不同混凝土保护层厚度时构件的可靠度指标 .结果表明 ,在较为恶劣的环境条件下 ,混凝土强度和混凝土保护层厚度对钢筋混凝土结构可靠度有明显的影响 .因此 ,大气环境下钢筋混凝土结构的耐久性设计非常重要     

不同基准混凝土强度橡胶混凝土力学性能

为了探讨不同基准混凝土强度(C60,C40和C20)下,橡胶粉体积取代率和橡胶粉粒径对混凝土力学性能的影响,采用混凝土常规力学性能试验方法进行了橡胶混凝土和易性、抗压强度以及弹性模量试验。试验结果表明:橡胶混凝土立方体抗压强度、坍落度和弹性模量均随体积取代率的增加、橡胶粉粒径的增大而降低;橡胶粉体积取代率与强度降低系数之间存在较好的线性关系,回归分析的橡胶混凝土抗压强度方程形式简单,具有较理想的精度。     

基于Monte Carlo随机计算的海工混凝土使用寿命预测

基于Monte Carlo方法对水胶比0.35,0.45,0.55的普通混凝土和掺加25%粉煤灰及25%矿渣的大掺量工业废渣混凝土在海洋水下环境下的服役寿命进行了数值计算,并将计算结果按照Weibull分布进行拟合,得到了使用寿命的Weibull分布参数,同时量化分析了保护层厚度对混凝土使用寿命的影响.结果表明:水胶比和混凝土保护层厚度对混凝土使用寿命有很大影响,掺加工业废渣由于有效改善氯离子结合能力,也能使混凝土使用寿命有较大提高.为海工混凝土的耐久性设计和使用寿命预测提供了有效的参数分析方法.