第期田浩等寿命期内钢筋混凝土连续梁退化过程分析. 结构整体力学性能演变过程的退化全过程分析方法及相应的分析工具本文根据氯离子侵蚀作用时混凝土桥梁耐久性退化全过程的受力特点首先给出退化过程中个关键时刻的计算数学模型以及特有力学问题的数值模拟方法在理论分析的基础上利用计算机高级语言 "(

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痛境牛
7 years ago
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1 第卷第期年月哈尔滨工业大学学报!"""#"#$%& ' 寿命期内钢筋混凝土连续梁退化过程分析田浩陈艾荣同济大学桥梁工程系 ( 上海 )*+,+ -./01 浙江省交通科学研究所杭州摘要为实现寿命期内混凝土桥梁退化过程定量分析的目标在给出退化全过程中个关键时刻的计算数学模型以及特有力学问题模拟方法的基础上建立基于有限元数值模拟的混凝土桥梁退化过程分析方法在理论分析的基础上利用 "( 编写了分析程序 $! 以一座钢筋混凝土连续梁为对象研究其在氯离子侵蚀作用时给定寿命期内桥梁结构整体力学性能的演变规律结果表明氯离子侵蚀作用时普通钢筋具有开始锈蚀时间早锈蚀速率快的特点成桥. + 后模型梁个关键截面处的抗弯承载力均小于对应的包络弯矩对于钢筋混凝土桥梁其承载能力极限状态时可能会出现耐久性不足关键词钢筋混凝土连续梁寿命期退化过程关键时刻数值模拟氯离子侵蚀中图分类号 " 文献标志码文章编号 !" "+ $#* 23+)12)4*52#*22* "6**728*)9 (!,+,+* $,*+)*+,+ -./01 :,26*+!0*2)*4*0282+0, 8)*))24$11*0+)* +;, $,*+! ),233824),252+5+)* )4002)2*528* * **)22212) ),594),252+5+)* )2*528*833825",*8* ),201 3)+)* 41+84),2),220*)*0+)* ),28*1+)* 12), *+120,+* * ),252+5+)* ),2),22)*0+++98* $! *8*)2 * "(",2282+0, ),27+*+)* 48)0) * *72 827*02*42*), 0,*52322 )+)* *80+*25 ) * )20)*8*52*52",228)88,),+) ),2* *)*+)* )*1242*40212)08* * ),208* +)2*84+8)*), 0,*52322)+)* )28)0)20132)* 25*0+3+0*)* ),+ ),22+)* )8+))0*)* 0+820)*84),2)*1+)2*1*)8)+)28+28) +84),22* )2*528 ),2)*1+)2*1*) 8)+)28+212*29),+725+**)952420)8 # $ 2* )20)*8*52 * )* *)*0+)*128 12*0+ 8*1+)* 0,*52322)+)* 混凝土和钢筋在劣化环境作用下会出现了一系列影响结构耐久性的物理化学现象如混凝土碳化保护层剥落裂缝的发展以及钢筋锈蚀收稿日期 ( - - 基金项目国家高技术研究发展计划项目 : 西部交通建设科技项目. - 作者简介田浩 (. 男博士陈艾荣 ( 男教授博士生导师等我国近几十年建造的混凝土桥梁中也有不少已暴露出病害更有一些桥梁在远没达到预期使用寿命时出现耐久性能严重退化的现象甚至发生倒塌等毁灭性事故目前混凝土桥梁的耐久性研究在材料和构件层面已取得许多成果 - 但是在结构层面则相对较少现有分析方法或是人为因素较多或是考虑的影响因素不够全面缺乏能准确定量模拟混凝土桥梁在劣化环境作用下

2 第期田浩等寿命期内钢筋混凝土连续梁退化过程分析. 结构整体力学性能演变过程的退化全过程分析方法及相应的分析工具本文根据氯离子侵蚀作用时混凝土桥梁耐久性退化全过程的受力特点首先给出退化过程中个关键时刻的计算数学模型以及特有力学问题的数值模拟方法在理论分析的基础上利用计算机高级语言 "( 编写了相应的分析程序 $!$02)2*525 +**)9++98*8898)21 最后以一座钢筋混凝土连续梁为对象研究在氯离子侵蚀作用下给定寿命期内模型梁整体力学性能的演变规律耐久性退化全过程耐久性退化全过程大致可分为个阶段如图所示第阶段为氯离子侵蚀阶段从结构建成到钢筋表面氯离子到达临界浓度而导致钢筋开始锈蚀时刻第阶段为钢筋锈蚀产物膨胀阶段从钢筋开始锈蚀到混凝土开裂时刻随着钢筋锈蚀程度的加深锈蚀率达到某临界值时进一步锈蚀产生的锈胀力将引起周围混凝土开裂第阶段为混凝土开裂阶段从混凝土开裂到保护层完全剥落时刻钢筋锈蚀程度达到某一临界值时混凝土保护层完全剥落第阶段为裂缝发展导致结构性能严重退化阶段钢筋将继续锈蚀但混凝土截面不再继续削弱直至结构达到极限状态而无法继续服役 #$!" 图 %& 退化全过程整个退化过程中共有个关键时刻临界时刻即和关键时刻前后结构整体力学性能将发生明显变化因此准确模拟混凝土桥梁退化全过程需要解决个问题如何确定退化过程中的个关键时刻如何准确模拟退化过程中出现的特有力学问题如材料力学性能退化不同材料的截面面积削弱以及由此引起的结构整体力学性能的演变结构自重损失以及削弱截面上的内力重分布等 %'%& 退化关键时刻在归纳和比较现有以实验或理论分析为基础 - 建立的众多数学模型的基础上本文选取了连贯性和适用性较好的关键时刻计算数学模型钢筋开始锈蚀时刻为 { } 0 8 其中为混凝土保护层厚度为氯离子扩散系数的时间依赖系数对普通硅酸盐混凝土近似取为为结构建成至检测时的时间当无有效实测数据时取为 + 为时刻的氯离子有效扩散系数为误差函数 0 为引起钢筋锈蚀的临界氯离子浓度 8 为混凝土表面氯离子浓度混凝土开裂时刻按下列公式进行计算 ( ( ) ) 8 8 槡. 0. 其中 0 为保护层开始时刻临界钢筋锈蚀深度为钢筋直径 0 为混凝土抗压强度标准值 0 为氯腐蚀环境保护层开裂前钢筋的平均锈蚀速度为钢筋的腐蚀电流密度 8 为钢筋表面氯离子浓度为钢筋表面处温度可近似取大气环境温度 0 为局部环境影响系数为混凝土电阻率 8 为腐蚀环境混凝土制备时已经含有的部分氯离子浓度为氯离子有效扩散系数为与水灰比相关的系数 0 为混凝土保护层中氯离子平均浓度可近似取混凝土表面和钢筋表面氯离子浓度的平均值为大气湿度式和中方程的右半部分均含有变量混凝土开裂时刻无法直接通过式求得因此混凝土开裂时刻将按照下述步骤计算假定保护层开裂时刻将代入式. 求出 8 和将 8 和代入式求出将代入式求出 0 将 0 代入式求出保护层开裂时刻如果 < 重复步如果 +8 - 则计算结束这里为给定的时间增量

3 .. 哈尔滨工业大学学报第卷为给定的微量保护层完全剥落时刻计算公式为 ( 其中 5 为保护层完全剥落时刻的钢筋锈蚀深度 0 为保护层开裂后钢筋锈蚀速度 %'& 退化过程中的力学问题在劣化环境作用时材料力学性能的退化和截面面积的削弱引起结构整体力学性能演变将引出一些在桥梁常规力学分析中不会出现的力学问题即材料力学性能的退化过程不同材料截面面积的削弱过程以及材料力学性能退化和截面面积削弱引起的结构整体力学性能演变. 耐久性分析程序 $! 在理论分析的基础上本文利用 " ( 编写了混凝土桥梁耐久性分析程序 $! 整个程序包括部分施工至结构成型分析部分和结构成型到结构退化直至极限状态分析部分施工至结构成型分析部分接文献 ( - 的模拟方法本文编写了可考虑多种施工方法的混凝土桥梁施工至结构成型阶段分析程序可以模拟施工过程中的结构体系变化预应力效应施工挂蓝作用以及混凝土徐变收缩作用等力学问题结构成型到退化至极限状态分析部分结构成型至结构退化至极限状态分析部分的功能为 + 将施工至结构成型分析得到的成型状态转化成结构退化分析的初始状态并生成相应的时间信息根据相应退化关键时刻的计算数学模型考虑某时间段内材料力学性能的退化截面面积的削弱由此重新生成结构的永久状态分析模型 0 考虑材料和截面的退化对桥梁结构整体力学性能的影响然后在每个时间段内重复步骤和 0 得到该时间段结束时刻结构的各项响应直至桥梁结构退化到安全性或适用性极限状态 $! 由. 个分析模块组成其构成见图图为 $! 的总体分析流程算例分析 '%& 模型介绍本文选取一座现浇跨全长 1 等高度钢筋混凝土箱形连续梁桥为研究对象主梁为单箱单室直腹板箱梁主梁构造及普通钢筋布置如图所示箱梁采用 $ 级混凝土普通钢筋选用钢筋图 & 结构!"#!$% &' "# " 2"# 1BC "# BC "# ()* + "&',-./0 1 ( : " 图 & 分析流程 F 图 (& 箱梁构造示意图 1 ;: 参照文献中的相关规定以及模型梁的具体结构构造表给出了主要设计参数的取值整体升降温梯度升降温以及汽车荷载等参照相应的设计资料和规范选取这里不再详述 ; : $ %

4 第期田浩等寿命期内钢筋混凝土连续梁退化过程分析.( 表 %& 主要设计参数参数描述取值大气年平均温度 = 大气年平均湿度混凝土抗压强度标准值 0 混凝土弹性模量! 0 普通钢筋抗拉强度标准值 8 普通钢筋弹性模量! 8 钢筋锈蚀临界氯离子浓度 0 混凝土表面氯离子浓度 8 局部环境系数 0 '& 计算结果分析 >?@+ %@+?@+ %@+ A1 ( A1 给定结构设计使用寿命和计算子步骤时间分别为 + 和 + 为了研究结构在劣化环境作用时由于材料力学性能和截面面积的削弱对结构整体力学性能演变的影响程度同时判断不同极限状态下结构各项力学性能指标随时间的推移是否仍能满足规范要求以下分析中将考虑结构成型后不计入和计入混凝土徐变收缩作用种情况而在结构成型前均考虑混凝土徐变收缩作用图给出模型梁中跨跨中截面处普通钢筋和混凝土截面面积损失率随时间的变化过程氯离子侵蚀作用时普通钢筋在.. + 时开始锈蚀在 + 时面积损失率达到 (> 混凝土截面在 + 时由于钢筋锈蚀膨胀导致其截面面积开始损失到 + 时面积损失率达到 > 可见混凝土截面在钢筋开始锈蚀后不到 + 就开裂说明在氯离子侵蚀作用时钢筋锈蚀速度非常快 "! 图 )& 普通钢筋和混凝土面积损失率图给出了不考虑混凝土徐变收缩作用时模型梁个关键截面处竖向位移随时间的变化率边跨跨中竖向位移由成桥时的 - 11 假定竖向位移以结构整体坐标系的 " 轴正向为正变化到成桥 + 时的变化率为 > 而中跨跨中竖向位移由成桥时的 - 11 变化到 + 时的 - 11 变化率达到 > 图 *& 关键截面竖向位移变化率图给出了考虑混凝土徐变收缩作用时模型梁个关键截面处混凝土截面竖向位移随时间的演变过程从中可以发现成桥后 + 内由于徐变收缩作用导致结构的竖向位移变化明显成桥 + 后由于混凝土截面的削弱又引起竖向位移发生明显变化此外根据文献钢筋混凝土梁式桥主梁最大挠度不应超过计算跨径的 A 在本算例中主梁的最大挠度应不超过 11 可以看出虽然模型梁关键截面处的竖向位移随时间的推移有所增加但由于成桥时刻结果变形的富裕度较大在成桥 + 时竖向位移仍未超过容许挠度结构变形依然满足规范要求图 +& 关键截面竖向位移演变过程图. 给出了不考虑混凝土徐变收缩作用时模型梁关键截面处全截面的包络弯矩随时间的变化率其中边跨跨中处截面的包络弯矩由成桥时的?1 假定弯矩以使混凝土截面下缘受拉为正变化到成桥 + 时的 (?1 变化率为.> 中墩墩顶处截面的包络弯矩由成桥时的 -?1 变化到成桥 + 时的 -?1 在成桥 ( + 时变化达到峰值 -(( 1 变化率为 > 注意到包络弯矩随时间并非单调变化这是因为截面的削弱导致其形心位置不断发生改变削弱导致结构自重损失承担的内力引起结构的内力重分布在以上个因素交互作用下包络弯矩就可能随时间出现增大或减小的情况

5 ( 哈尔滨工业大学学报第卷图 ( 给出了模型梁个关键截面抗弯承载力随时间的损失率其中边跨跨中处截面的弯矩承载能力由成桥时的 (? 1 减小到 + 后的 (?1 损失率为 > 中墩墩顶处截面的弯矩承载能力由成桥时的 -.?1 减小到 + 后的 -?1 损失率为 (> 图,& 关键截面包络弯矩变化率图给出了模型梁边跨跨中和中墩墩顶处截面的抗弯承载力和考虑混凝土徐变收缩效应的包络弯矩随时间的演变过程由图可以发现在成桥. + 后个关键截面的抗弯承载力均小于对应的包络弯矩结构承载能力极限状态下的相应力学性能指标已无法满足规范要求!"#$ "! 图 -& 关键截面抗弯承载力损失率! 图 %.& 关键截面抗弯承载力和包络弯矩演变过程结论在氯离子侵蚀环境作用时普通钢筋具有开始锈蚀时间早锈蚀速率快的特点因此混凝土截面在普通钢筋开始锈蚀后数年内都有可能开始削弱对于钢筋混凝土桥梁由于没有预应力钢筋普通钢筋的截面面积对抗弯承载力的大小影响显著普通钢筋截面的损失将显著降低结构的抗弯承载力而在氯离子侵蚀作用下钢筋锈蚀速率又非常迅速所以结构抗弯承载力损失的速率相应就很快因此在设计使用寿命期内钢筋混凝土梁耐久性问题的关键是其承载能力能否满足规范要求提出的基于有限元数值模拟的混凝土桥梁退化全过程分析方法及编写的分析程序能综合考虑桥梁施工方法混凝土徐变收缩和预应力效应等常规力学问题以及材料力学性能退化截面面积削弱和结构整体力学性能演变等退化力学问题所以可以较全面准确地反映劣化环境作用时混凝土桥梁耐久性退化的全过程参考文献 $!?%5+12) * ",2#32+ **)2#+1%22+*52*28 45+**)9528* * B228*)2 #+1 ##! %$ " "?!C#?++98*8 48)0) )2*+)25 $8)0)28 52)2+08* $ AA@0225*4),2!205 )2+)*+$42202 $02)252!2722$ 5*)*8"18 #D!@ ((. - C& &%! & &%?!@25*0)*),221+* *827*02* )298)2208*$2 12)+5 $02)2282+0, - $#?#'!$,*52*5025 2* 40212)08* )20+0*8*1+)* $212)+5 $02)2$138*) $#$! 混凝土结构耐久性评定标准! 北京中国建筑工业出版社 -?C?!!3+)*+)* )2*+**)9+ +98*8432)28*25 328) )2*52* ))3*)*08*8)+*+ ",2*72 8*)9420+8)2. 田浩给定寿命期内混凝土桥梁性能演变分析上海同济大学 ( ( 李国平桥梁结构分析综合系统? 上海同济大学出版社 ((. - 肖汝诚桥梁结构分析及程序系统? 北京人民交通出版社 - "% 公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范! 北京人民交通出版社. - ( 编辑魏希柱

第期冀伟等等截面波形钢腹板连续箱梁竖向基频的参数研究 1 图典型构造示意图 %5" 2! "!&! 图试验梁基本尺寸 6 & 2 2 #& &2! &! 图 / 试验梁立面图 / &! #& &2! &! 体外

第期冀伟等等截面波形钢腹板连续箱梁竖向基频的参数研究 1 图典型构造示意图 %5 2! !&! 图试验梁基本尺寸 6 & 2 2 #& &2! &! 图 / 试验梁立面图 / &! #& &2! &! 体外中图分类号 / 文献标志码文章编号 1 / 1 1 第卷第期年月西安建筑科技大学学报自然科学版!"# $ %&"# '! "& "& ( ' 等截面波形钢腹板连续箱梁竖向基频的参数研究冀伟刘世忠蔺鹏臻兰州交通大学甘肃省道路桥梁与地下工程重点