普通大气环境下混凝土桥梁时变抗弯性能

目的研究混凝土桥梁在碳化、钢筋锈蚀等环境因素影响下的时变抗弯性能,促进全寿命设计方法在桥梁设计实践中的应用.方法通过实验研究结构受力状态对混凝土碳化的影响,根据已有研究成果分析钢筋锈蚀、钢筋强度退化、粘结强度退化等影响因素,并进一步对混凝土保护层锈胀剥落破坏进行数值仿真研究,在此基础上提出普通大气环境下混凝土桥梁时变抗弯性能的分析方法.结果利用提出的分析方法对实桥进行了计算分析,结果表明在各种退化因素影响下,桥梁的性能逐年退化,预应力钢筋开始锈蚀后,退化速率明显加快.结论各种退化因素对桥梁性能的影响不容忽视,在桥梁的设计实践中引入时变性能分析更为科学合理.     

碳绞线体外预应力在桥梁中的应用

为解决混凝土桥梁中钢筋锈蚀引发的问题,采用CFRP筋中的碳绞线作体外束施加预应力.探讨了碳绞线体外预应力混凝土桥梁的结构特点和构造措施,以及该类桥梁中挠度、延性及抗弯、抗剪的计算分析方法.据此在淮安市的何圩桥中研究设计了一跨碳绞线体外预应力混凝土简支梁,并利用有限元法等对其延性和抗弯承载力进行了分析.研究表明,该桥的筋束应力、裂缝宽度、挠度、延性及极限抗弯承载能力各项指标均能满足设计要求.碳绞线体外预应力桥梁发展前景看好.     

油罐车火灾下考虑混凝土高温爆裂的PC箱梁承载能力

针对油罐车火灾对预应力混凝土桥梁的破坏过程,选取桥梁工程建设中应用较为广泛的预应力混凝土(PC)箱梁为研究对象,建立油罐车火灾下预应力混凝土箱梁桥混凝土高温爆裂的"三级指标",并设定了相应油罐车火灾下混凝土的爆裂场景,采用单元生死技术模拟混凝土高温爆裂特征,分析考虑混凝土高温爆裂的预应力混凝土箱梁截面温度场的完整分布形态,计算混凝土不同高温爆裂指标下的预应力混凝土箱梁极限承载能力,拟合并建立计算公式。研究结果表明:截面关键点的温度曲线呈三阶段上升趋势;爆裂导致混凝土截面的温度在传导过程中产生突变,温度分布以爆裂后截面形态分层递进;混凝土的高温爆裂使钢束、钢筋的强度显著下降;混凝土的爆裂深度越大,正截面抗弯承载能力下降越快;混凝土发生重度爆裂,延火时间180min时,箱梁跨中截面的抗弯承载能力从未爆裂时的60.73%降至14.87%,箱梁L/4截面(L为跨径)的抗弯承载能力从未爆裂时的64.37%降至19.37%;混凝土高温爆裂不同深度下预应力混凝土箱梁桥抗弯承载能力衰变呈现多阶段特征。混凝土爆裂对预应力混凝土箱梁的截面温度分布和抗弯承载能力影响显著,提出的考虑爆裂的承载能力计算公式简单实用。     

既有预应力混凝土桥梁结构承载能力时变可靠度研究

文章在研究了既有预应力混凝土桥梁抗力和荷载时变特性的基础上,建立了现有预应力混凝土桥梁抗弯承载能力的时变可靠度计算模型,讨论了结构时变可靠度的计算方法,编制了可靠度计算实用分析程序,计算了时变可靠度指标,以我国高速公路桥梁中广泛应用的多座预应力混凝土T梁桥为例,在考虑其抗力时变特性的理论基础上,研究承载能力可靠度的衰减规律。     

锈蚀HRB500钢筋混凝土板抗弯性能试验研究

采用通电方式对配置HRB500级钢筋和普通钢筋的混凝土板进行加速锈蚀,并对锈蚀钢筋混凝土板进行抗弯承载力试验研究. 对比分析了不同锈蚀程度下钢筋混凝土板的破坏形态、抗弯承载能力、荷载-挠度曲线. 同时,通过试验研究了锈蚀钢筋受拉性能和黏结性能随锈蚀程度不同的变化规律. 考虑板内不同锈蚀程度的钢筋可能发生受拉屈服或黏结滑移破坏,提出锈蚀钢筋混凝土板抗弯承载力计算方法. 经过对比分析,试验结果与计算模型吻合良好,锈蚀板抗弯承载力计算值与试验值之比的平均值为1.019,标准差为0.081.     

无黏结预应力混凝土桥墩极限抗弯承载力研究

推导了无黏结预应力混凝土桥墩的抗弯极限承载力的计算公式,分析了极限承载力与预应力钢筋面积、普通钢筋面积和混凝土强度等影响因素的关系.基于塑性铰法,对无黏结预应力混凝土桥墩的抗弯极限承载力进行研究,分析了各因素对抗弯极限承载力的影响.结果表明,增大普通钢筋面积和混凝土强度可以提高抗弯极限承载力;极限弯矩随着预应力钢筋的增多,先增大后减小.因此,对于预应力混凝土桥墩,增大普通钢筋配筋率对提高极限抗弯承载力最有效,但要控制预应力钢筋的数量.     

疲劳荷载下钢筋锈蚀混凝土构件粘结性能试验研究

为探索钢筋锈蚀混凝土构件的疲劳性能,对疲劳荷载作用下钢筋锈蚀混凝土构件的粘结滑移性能进行了试验研究,依据实验结果分析了钢筋锈蚀率对构件的粘结性能退化的影响规律.研究表明:疲劳荷载强度相同,极限粘结强度和滑移差值随着钢筋锈蚀率的增加,呈现出先升后降的趋势,即当钢筋锈蚀率小于2%时,其疲劳极限粘结强度上升;而当钢筋锈蚀率大于4%时,其疲劳极限粘结强度下降.根据试验结果拟合极限粘结强度的计算公式,计算结果与试验结果吻合得较好.     

南海海域混凝土结构的钢筋锈蚀特征

为了探究热带海洋环境下混凝土结构的钢筋锈蚀现状,对中国南海岛礁珊瑚混凝土结构和普通混凝土进行现场调研与测试,研究了混凝土结构的钢筋锈蚀率、锈蚀钢筋强度与变形的规律以及钢筋锈蚀率与钢筋表面自由氯离子含量之间的关系.结果表明:在南海岛礁工程中,多风、高温、潮湿的海洋环境对钢筋混凝土结构具有很强的腐蚀破坏作用,钢筋锈蚀率较大,其主要破坏特征为混凝土保护层胀裂、剥落、垮塌、露筋、钢筋锈蚀等,钢筋锈蚀以坑蚀为主;随着钢筋锈蚀率的增大,锈蚀钢筋的屈服强度逐渐降低,锈蚀钢筋的屈强比也呈下降趋势.普通混凝土结构因氯离子扩散导致的钢筋起锈时间不足22~25a;不同暴露区域对钢筋锈蚀率的影响规律是浪溅区水下区大气区.     

高强钢筋高强混凝土预应力梁抗弯性能试验研究

通过对12根高强钢筋高强混凝土预应力梁的抗弯试验,观测试验梁的破坏现象和失效过程,研究混凝土强度等级、非预应力高强钢筋配筋率、预应力钢筋配筋率等因素对其抗弯性能的影响规律.试验结果表明,高强钢筋高强混凝土预应力适筋梁破坏过程包括开裂前阶段、带裂缝工作阶段和钢筋屈服后直至失效3个阶段,各阶段破坏模式与普通钢筋混凝土梁受弯破坏相似,均为延性破坏.混凝土强度等级以影响钢筋屈服后的抗弯性能为主,高强度等级混凝土试验梁的后期承载力下降较小.非预应力筋配筋率显著影响试验梁开裂后的抗弯性能,即相同变形时,配筋率越高承载力越高.相同张拉控制应力条件下,预应力筋配筋率越高开裂弯矩越大;相同弯矩作用下,预应力配筋率越高变形越小,其极限承载力也越高.     

考虑锈蚀预应力筋利用强度的PC梁受弯承载弯矩计算

针对钢绞线锈蚀导致黏结性能下降造成预应力混凝土(PC)梁抗弯承载弯矩下降的问题,引入锈蚀影响因子研究锈蚀对预应力筋强度利用的影响,基于锈蚀PC梁静载试验,给出预应力筋强度利用率与锈蚀率的关系,进而建立锈蚀PC梁抗弯承载弯矩计算模型并进行验证。研究结果表明:PC梁抗弯承载弯矩随钢绞线锈蚀的增大而降低;在极限状态下,钢绞线屈服与配筋率和锈蚀程度有关,当配筋率小于0.23时,无论锈蚀与否,钢绞线均会屈服,当配筋率大于该临界值(0.23)时,需考虑锈蚀对钢绞线强度利用率的影响;建立的模型具有较高的精度,可以合理地预测钢绞线锈蚀对PC梁抗弯承载弯矩的影响。     

海洋环境混凝土桥梁耐久性参数敏感性分析

为了实现海洋环境混凝土桥梁耐久性参数敏感性分析的目标,首先给出了海洋环境混凝土桥梁耐久性退化过程中三个关键时刻的计算数学模型和截面削弱过程的模拟方法.以一座预应力混凝土连续梁为对象,利用笔者自行编写的分析程序分析了保护层厚度、大气温度、钢筋锈蚀临界氯离子浓度、混凝土表面氯离子浓度和混凝土强度等设计参数对混凝土桥梁耐久性...     

纳米高岭土改性混凝土与钢筋的黏结性能

为考察纳米高岭土对混凝土与钢筋间黏结性能的影响,利用电流加速腐蚀试验方法,研究了不同腐蚀时间下钢筋锈蚀率与纳米高岭土掺量的关系,分析了纳米高岭土改性混凝土与钢筋之间的黏结滑移关系及黏结强度的变化情况.研究结果表明:纳米高岭土改善了钢筋与混凝土间的黏结性能,降低了混凝土试件的刚度,纳米高岭土掺量为3%的混凝土试件与钢筋间的黏结强度较普通混凝土试件提高约56.55%;混凝土中内掺纳米高岭土能够延缓钢筋锈蚀,纳米高岭土掺量为5%的混凝土试件在腐蚀36 h后,钢筋锈蚀率较普通混凝土试件降低约52%;腐蚀48 h后,纳米高岭土掺量为3%的混凝土试件与钢筋间的黏结强度约为普通混凝土试件的2.16倍.     

公路早期部分预应力混凝土T梁腐蚀疲劳性能试验分析

我国早期建造、处于腐蚀环境的在役公路预应力混凝土T梁桥面临严峻的腐蚀疲劳问题.为探讨此类桥梁的腐蚀疲劳性能，基于上世纪80年代公路部分预应力混凝土T梁标准图设计试验模型，开展特定钢绞线锈蚀率(设计锈蚀率为10%)下不同疲劳荷载幅值的部分预应力混凝土T梁模型的弯曲疲劳试验，获得模型梁在循环荷载作用下的跨中挠度、梁底纵向钢筋和受压区混凝土应变、竖向裂缝宽度等的发展规律及疲劳寿命.试验结果表明：在钢绞线腐蚀较为严重时，模型梁的弯曲疲劳破坏特征为受腐蚀钢绞线发生无征兆的断丝破坏，且受压区混凝土未出现被压碎现象，破坏模式为脆性破坏；在钢绞线锈蚀率基本相同时，模型梁的受弯性能随着疲劳荷载幅值的增大而显著下降，且其疲劳寿命也随着疲劳荷载幅值的增大而急剧下降.基于应力-寿命(S-N)理论，提出钢绞线锈蚀后的部分预应力混凝土T梁的疲劳寿命预测公式，可用于初步评估钢绞线锈蚀后的部分预应力混凝土T梁的疲劳寿命.     

预应力离心钢管混凝土直杆抗弯承载力参数分析

利用有限元分析软件ABAQUS对预应力离心钢管混凝土直杆(简称PSC杆)进行抗弯性能模拟分析,与离心钢管混凝土直杆(简称SC杆)抗弯性能对比,以钢管壁厚、混凝土壁厚、预应力钢棒配筋率三个因素作为分析参数,表明截面含钢率是影响PSC杆抗弯承载能力的主要因素,杆件抗弯承载力与截面含钢率正相关.经过线性拟合,推导预应力离心钢管混凝土直杆抗弯承载力的计算式,在设计生产中具有一定的参考价值.     

混凝土内钢筋锈蚀速率时变的全过程模式

讨论恒定气候环境下,混凝土内钢筋锈蚀速率的变化。在恒定气候环境和氯盐侵蚀条件下,对混凝土中钢筋的锈蚀电流密度进行测量。测量结果表明,在钢筋锈蚀过程中,锈蚀速率(锈蚀电流密度）具有时变特性,并且其时变过程可以划分为6个阶段。试验结果也显示了混凝土强度及混凝土电阻率对钢筋锈蚀速率变化的影响。基于不同锈蚀水平下钢筋与混凝土交界面过渡区(ITZ）的细观结构,开展了试验结果的机理分析,发现锈蚀层的发展和锈胀开裂是影响锈蚀过程的主要因素。最后,建立了钢筋锈蚀速率时变的全过程模式。     

混凝土内钢筋锈胀力发展及钢筋锈蚀速率的时变性

为了研究混凝土内钢筋的锈蚀过程及其内在机理,通过对不同锈蚀阶段钢筋与混凝土界面的细观观测,描述了锈蚀层的形成与发展过程,给出了钢筋锈胀力的分布形态,揭示了混凝土锈胀开裂过程和钢筋锈蚀速率的时变过程.结果表明:钢筋锈蚀产物的膨胀性以及钢筋-混凝土界面区的多孔性,为铁锈物向界面区孔隙内的扩散提供了条件,随着锈蚀的进行,原有的界面区逐渐演变为混凝土与铁锈物混合的锈蚀层.锈蚀层的进一步发展,不仅会导致钢筋表面界面区逐渐密实,阻碍混凝土保护层中氧气和水分向锈蚀界面的输送,使混凝土内钢筋锈蚀速率下降,而且会使锈蚀物在钢筋表面产生对混凝土的膨胀力,最后导致混凝土开裂.     

疲劳荷载对锈蚀钢筋混凝土梁刚度影响的试验研究

为研究短期疲劳荷载对锈蚀钢筋混凝土梁抗弯性能的影响,对8根钢筋混凝土梁进行了疲劳及静力加载试验研究。结果表明:短期疲劳荷载对锈蚀钢筋混凝土梁性能的影响明显大于未锈蚀梁的,其裂缝发展速度更快,分布区域也更加集中,锈蚀钢筋与混凝土的协同工作能力降低;疲劳加载后的锈蚀钢筋混凝土梁塑性变形能力降低,抗弯刚度退化的幅度更大;提高混凝土强度可以在一定程度上提高锈蚀梁的屈服荷载等力学指标,减少因钢筋锈蚀导致的混凝土梁抗弯性能的下降幅度,有利于提高混凝土梁的耐久性性能。     

长期荷载作用下SFRC梁承载能力极限状态可靠性分析

为分析长期荷载作用下SFRC梁承载能力极限状态可靠性的时变规律,基于持荷10年的SFRC梁抗弯试验结果,建立了SFRC梁承载能力极限状态时变可靠性分析模型.对于Ⅰ系列梁(持荷水平不变、钢纤维掺量改变)和Ⅱ系列梁(持荷水平改变、钢纤维掺量不变),将等效抗力法和一次二阶矩法相结合,求得其时变可靠指标,并预测了100年长期荷载作用下可靠性的时变规律.结果表明:对于Ⅰ系列梁,钢纤维体积分数为0.5%是最佳掺量;对于Ⅱ系列梁,外荷载越小,可靠指标越大,抗弯承载力越大,外加荷载越接近,可靠指标越接近;在服役期内SFRC梁可靠指标先上升后下降,当钢筋开始锈蚀,可靠指标曲线出现拐点,导致梁正截面抗弯承载力下降明显.     

临海滩涂环境下混凝土中氯离子侵蚀破坏试验研究

混凝土的材料组成、工作环境等因素对其耐久性有很大的影响。通过对不同配合比、不同保护层厚度长期暴露于临海滩涂环境的钢筋混凝土试件表面裂缝规律、钢筋锈蚀程度、力学性能等方面的试验研究,表明:直接暴露于临海环境中的钢筋锈蚀最为严重;钢筋锈蚀越明显,其强度下降趋势越显著,锈蚀率越大,延性越低;混凝土保护层的厚度、裂缝宽度跟钢筋锈蚀之间是相互影响的,保护层厚度越小,裂缝宽度越大,钢筋锈蚀率越高,当裂缝宽度为小于或等于0.2mm的细微裂缝时,钢筋锈蚀率≤2%,当裂缝宽度0.5 mm时,钢筋锈蚀率与裂缝之间可能存在线性正向关系。     

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。