環(huán)境作用下結(jié)構(gòu)受力性能的退化2

2013-11-4結(jié)構(gòu)全壽命維護第6章環(huán)境作用下結(jié)構(gòu)受力性能的退化6.1銹蝕鋼筋的力學(xué)性能6.2銹蝕預(yù)應(yīng)力筋的力學(xué)性能6.3銹后鋼筋與混凝土間粘結(jié)性能的退化6.4銹蝕鋼筋混凝土梁的受彎性能6.5練習(xí)題6.6參考文獻第6章環(huán)境作用下結(jié)構(gòu)受力性能的退化抗力R保持不變效應(yīng)S保持不變失效概率Pf不變R,S0t使用壽命概率密度抗力R(t)效應(yīng)S(t)失效概率Pf(t)R,S0t目標使用壽命平均使用壽命分布類型和模型均值變異性第6章環(huán)境作用下結(jié)構(gòu)受力性能的退化不變：分布類型、均值和變異性均不變縱向裂縫寬度橫向裂縫寬度承載力

鋼筋截面銹損率ηs混凝土保護層脹裂時間tT1t1tcrηL縱向裂縫寬度達限值twlηH橫向裂縫寬度達限值twhηP承載力下降到限值tpηS變形達到限值ts0TcrTu變形混凝土鋼筋孔隙過渡區(qū)Cl-CO2O2H2O銹蝕產(chǎn)物Vp<VairVair

<Vp<Vcr

Vp=Vcr銹蝕構(gòu)件承載能力計算銹蝕構(gòu)件剛度計算銹蝕構(gòu)件裂縫寬度第6章環(huán)境作用下結(jié)構(gòu)受力性能的退化銹蝕構(gòu)件受力性能的退化性能指標鋼筋開始銹蝕

Vp>Vcr服役時間剩余使用壽命（1）平均截面銹蝕率（2）最大截面銹蝕率（3） 質(zhì)量銹蝕率 6.1銹蝕鋼筋的力學(xué)性能鋼筋銹蝕程度的表征銹蝕前平均截面積銹蝕后平均截面積銹蝕后最小截面積銹蝕后鋼筋質(zhì)量陽極陰極大氣環(huán)境

混凝土

混凝土鋼筋e直流電源+銹蝕鋼筋銅片鹽溶液-混凝土混凝土原鋼筋橫截面原鋼筋橫截面6.1銹蝕鋼筋的力學(xué)性能銹蝕鋼筋獲取途徑自然銹蝕機理加速銹蝕機理鋼筋自然銹蝕形態(tài)鋼筋加速銹蝕形態(tài)6.1銹蝕鋼筋的力學(xué)性能幾何形態(tài)鋼筋自然銹蝕形態(tài)鋼筋加速銹蝕形態(tài)6.1銹蝕鋼筋的力學(xué)性能幾何形態(tài)

未銹

銹蝕

未銹

銹蝕6.1銹蝕鋼筋的力學(xué)性能破壞形態(tài)加速ф16加速ф126.1銹蝕鋼筋的力學(xué)性能加速ф10加速ф6荷載-變形曲線自然ф12自然ф14自然ф16自然ф86.1銹蝕鋼筋的力學(xué)性能荷載-變形曲線（1）隨著鋼筋銹蝕的發(fā)展，鋼筋銹蝕越不均勻（2）混凝土中自然銹蝕鋼筋不均勻程度>加速銹蝕鋼筋（3）隨著鋼筋銹蝕的發(fā)展，屈服荷載、極限荷載降低，且極限荷載尤為明顯；（4）隨著鋼筋銹蝕的發(fā)展，屈服平臺縮短甚至消失，極限

延伸率降低，頸縮現(xiàn)象消失；

6.1銹蝕鋼筋的力學(xué)性能試驗現(xiàn)象6.1銹蝕鋼筋的力學(xué)性能銹蝕鋼筋強度的表征名義屈服荷載名義屈服強度名義極限荷載名義極限強度銹前屈服強度銹前極限強度銹后平均截面積相對屈服荷載相對極限荷載相對面積比值

界限銹蝕率光圓鋼筋:10%~15%變形鋼筋:20%~30%6.1銹蝕鋼筋的力學(xué)性能確定性應(yīng)力-應(yīng)變本構(gòu)關(guān)系名義屈服強度相對值—截面銹蝕率關(guān)系

名義極限強度相對值—截面銹蝕率關(guān)系

極限延伸率相對值—截面銹蝕率關(guān)系

彈性模量—截面銹蝕率關(guān)系

6.1銹蝕鋼筋的力學(xué)性能確定性應(yīng)力-應(yīng)變本構(gòu)關(guān)系6.1銹蝕鋼筋的力學(xué)性能銹蝕鋼筋力學(xué)性能退化機理銹蝕鋼筋的承載力=平均截面積*基于平均截面積的強度=最小截面積*基于最小截面積的強度=最小截面積*未銹鋼筋的強度6.1銹蝕鋼筋的力學(xué)性能銹蝕鋼筋力學(xué)性能退化機理自然銹蝕鋼筋R加速銹蝕鋼筋R（1）鋼筋截面積的不均勻性是名義強度降低的主要因素；（2）R值隨著銹蝕率的增大而增大，導(dǎo)致強度降低；（3）自然銹蝕鋼筋的R值大于加速銹蝕鋼筋，導(dǎo)致其強度衰減更顯著6.1銹蝕鋼筋的力學(xué)性能銹后鋼筋力學(xué)性能的變異性極限強度相對值變異系數(shù)極限應(yīng)變相對值變異系數(shù)屈服強度相對值變異系數(shù)力學(xué)性能變異性的增大對構(gòu)件的受力性能有什么影響？ (a)(b)(c)預(yù)應(yīng)力筋拉伸試驗裝置銹蝕混凝土板的尺寸示意圖混凝土板中預(yù)應(yīng)力筋電化學(xué)加速銹蝕裝置示意6.2銹蝕預(yù)應(yīng)力筋的力學(xué)性能典型銹蝕率時預(yù)應(yīng)力筋荷載－變形曲線6.2銹蝕預(yù)應(yīng)力筋的力學(xué)性能6.2銹蝕預(yù)應(yīng)力筋的力學(xué)性能6.2銹蝕預(yù)應(yīng)力筋的力學(xué)性能（1）銹后鋼絲的彈性模量基本不變，但鋼鉸線降低；（2）銹后鋼絞線極限強度的降低比鋼絲更為顯著。鋼筋銹蝕鋼筋橫肋銹損保護層銹脹開裂鋼筋與混凝土間摩擦作用降低機械咬合力減小混凝土對鋼筋的約束降低化學(xué)膠著力破壞鋼筋與混凝土間生成鐵銹層6.3銹后鋼筋與混凝土間粘結(jié)性能的退化粘結(jié)強度降低粘結(jié)試驗方法拉拔試驗壓入試驗拉/壓試驗半梁式試驗拉-壓組合試驗6.3銹后鋼筋與混凝土間粘結(jié)性能的退化80φ20φ14φ10010203040506070鋼筋銹蝕率(%)30252015105平均粘結(jié)強度（MPa）如何解釋銹蝕率較低時，粘結(jié)強度提高的現(xiàn)象？ 6.3銹后鋼筋與混凝土間粘結(jié)性能的退化150140b=130混凝土FN鋼板a00.10,20.30.40.50.6法向力σ(MPa)2.52.01.51.00.5粘結(jié)強度τ（MPa）I類II類III類IV類銹蝕程度：I<II<III<IVτ=F/ab，σ=N/ab6.3銹后鋼筋與混凝土間粘結(jié)性能的退化銹蝕梁受彎性能試驗研究玻璃缸直流穩(wěn)壓電源墊塊銅片5％NaCl溶液混凝土梁鋼筋正極負極6.4銹蝕鋼筋混凝土梁的受彎性能梁中鋼筋銹蝕率銹蝕梁受彎性能試驗研究分析橫截面積的縱向不均勻分布對承載力的影響？ 加載裝置銹蝕梁受彎性能試驗研究銹脹裂縫寬度破壞形態(tài)L23L12L11L13銹蝕梁受彎性能試驗研究L10L11L12L13混凝土表面應(yīng)變分布銹蝕梁受彎性能試驗研究L20L21L23L22混凝土表面應(yīng)變分布銹蝕梁受彎性能試驗研究裂縫寬度裂縫間距銹蝕梁受彎性能試驗研究（1）解釋銹蝕后裂縫間距增大、裂縫變寬的機理。 （2）分析工程實際與試驗梁的區(qū)別。 彎矩—曲率關(guān)系（L10~L13）

彎矩—曲率關(guān)系（L20~L23）

彎矩—曲率關(guān)系荷載—位移關(guān)系（L10~L13）

荷載—位移關(guān)系（L20~L23）

荷載—位移關(guān)系銹蝕梁受彎性能試驗研究鋼筋銹蝕承載力下降剛度退化受力裂縫間距增大、寬度增大混凝土表面平均應(yīng)變符合平截面假定鋼筋—混凝土間粘結(jié)性能退化錨固良好時梁仍能發(fā)生受彎破壞銹蝕鋼筋本構(gòu)模型物理特征的變化對梁受彎性能有一定的影響嚴重銹蝕梁，鋼筋可進入強化階段梁可能發(fā)生脆性破壞試驗總結(jié)銹蝕梁受彎性能試驗研究——彎矩—曲率關(guān)系數(shù)值模擬分析

基本假定：1）平截面假定成立2）忽略剪切變形3）不考慮混凝土力學(xué)性能的變化及其截面的損失4）不考慮頂部縱筋的影響5）忽略箍筋銹蝕的影響破壞條件：截面分析模型平衡方程：相容關(guān)系：完全有粘結(jié)銹蝕梁銹蝕梁受彎性能數(shù)值模擬6.4銹蝕鋼筋混凝土梁的受彎性能——彎矩—曲率關(guān)系數(shù)值模擬分析

計算步驟：1）增加截面曲率；2）假定值；3）由相容關(guān)系計算混凝土條帶及鋼筋的應(yīng)變，并由物理關(guān)系計算應(yīng)力值；4）判斷平衡方程是否滿足，若是求出彎矩M，并重復(fù)步驟1）~4），否則調(diào)整值，直至平衡方程成立為止；5）當符合破壞條件時，停止計算。完全有粘結(jié)銹蝕梁銹蝕梁受彎性能數(shù)值模擬6.4銹蝕鋼筋混凝土梁的受彎性能——荷載—撓度關(guān)系數(shù)值模擬分析共軛梁法計算梁荷載—撓度關(guān)系的分析模型

共軛梁法：計算步驟：1）對梁進行分段2）增加跨中截面曲率3）求出跨中截面彎矩Mc，荷載P4）求各分段彎矩Mi，并由此求出5）由共軛梁法計算跨中撓度值6）判斷梁是否破壞，否則重復(fù)2）～6）直至梁破壞為止完全有粘結(jié)銹蝕梁銹蝕梁受彎性能數(shù)值模擬6.4銹蝕鋼筋混凝土梁的受彎性能——彎矩—銹蝕鋼筋應(yīng)變—曲率關(guān)系數(shù)值模擬分析基本假定：同前！但平截面假定不再成立！h1nbas'ash/2-as'h/2-asZii截面分析模型相容關(guān)系：平衡方程：破壞條件：完全無粘結(jié)銹蝕梁銹蝕梁受彎性能數(shù)值模擬6.4銹蝕鋼筋混凝土梁的受彎性能——彎矩—銹蝕鋼筋應(yīng)變—曲率關(guān)系數(shù)值模擬分析計算步驟：1）增加銹蝕鋼筋中的應(yīng)變εsc=εsc＋Δεsc；2）由銹蝕鋼筋的本構(gòu)關(guān)系計算出鋼筋的拉力Nsc；3）增加梁底混凝土的應(yīng)變εcn=εcn+Δεcn；4）假定值；5）計算；6）由相容關(guān)系計算混凝土條帶和受壓鋼筋的應(yīng)變，并由物理方程求出對應(yīng)的應(yīng)力；7）檢查平衡方程是否滿足，若是，求出彎矩M及混凝土中心處應(yīng)變εcso，若否，調(diào)整值，重復(fù)4）~7），直至滿足平衡為止；8）檢查壓區(qū)混凝土是否壓碎，若是，轉(zhuǎn)入第9）步，否則，重復(fù)3）~8）；9）檢查銹蝕鋼筋是否達到極限應(yīng)變，若是，結(jié)束計算，否則，重復(fù)1）~9）。h1nbas'ash/2-as'h/2-asZii完全無粘結(jié)銹蝕梁銹蝕梁受彎性能數(shù)值模擬6.4銹蝕鋼筋混凝土梁的受彎性能——荷載—撓度關(guān)系數(shù)值模擬分析NscNscABP/2P/2cl保護層銹脹脫落i計算步驟：1）將梁分成m段；2）逐步增加其應(yīng)εsc=εsc+Δεsc；3）假定梁跨中截面曲率，并確定Mc；4）確定荷載P，并求出梁各分段彎矩Mi；5）求出梁各分段混凝土中心處的應(yīng)變εcsoi；6）判斷變形協(xié)調(diào)條件是否滿足，若是，繼續(xù)第7）步，否則，調(diào)整，重復(fù)3）~6），直至滿足足夠的精度為止；7）計算梁各分段的截面曲率；8）由共軛梁法計算梁跨中撓度；9）檢查梁是否達到破壞條件，若是，停止計算，否則，重復(fù)2）~9），直至梁破壞為止。變形協(xié)調(diào)條件成立！完全無粘結(jié)銹蝕梁銹蝕梁受彎性能數(shù)值模擬6.4銹蝕鋼筋混凝土梁的受彎性能L10L11L12L13L20L21L22L23彎矩曲率關(guān)系銹蝕梁受彎性能數(shù)值模擬6.4銹蝕鋼筋混凝土梁的受彎性能L20L21L22L23L10L11L12L13荷載撓度關(guān)系銹蝕梁受彎性能數(shù)值模擬6.4銹蝕鋼筋混凝土梁的受彎性能利用數(shù)值分析結(jié)果，分析銹蝕梁受彎性能退化機理 不考慮鋼筋本構(gòu)模型物理特征的變化不考慮混凝土截面損傷不考慮受壓鋼筋影響銹蝕梁抗彎承載能力計算6.4銹蝕鋼筋混凝土梁的受彎性能

粘結(jié)性能退化鋼筋銹蝕力學(xué)性能退化截面面積減小導(dǎo)致梁抗彎承載力下降的主要因素導(dǎo)致梁使用性能劣化的主要因素就平均應(yīng)變而言符合平截面假定短期荷載效應(yīng)MkMk銹蝕梁抗彎剛度計算6.4銹蝕鋼筋混凝土梁的受彎性能受拉鋼筋應(yīng)變滯后裂縫截面處的應(yīng)力和應(yīng)變MkAsch0sh01cc0h0Ascsc平均應(yīng)變銹蝕梁抗彎剛度計算6.4銹蝕鋼筋混凝土梁的受彎性能鋼筋應(yīng)變趨于均勻不均勻系數(shù)增大參照GB50010，銹蝕梁抗彎剛度計算6.4銹蝕鋼筋混凝土梁的受彎性能ku=10.544-1.586×(c/d)開裂開裂是鋼結(jié)構(gòu)中危害性最大的一種病害，沒有之一。這是由于，開裂往往導(dǎo)致結(jié)構(gòu)的突然破壞，而事先沒有明顯征兆。導(dǎo)致疲勞裂紋的基本因素應(yīng)力循環(huán)次數(shù)，與交通狀況及橋梁構(gòu)造型式相關(guān)；應(yīng)力幅，與活載大小相關(guān)；構(gòu)造細部的疲勞強度。正交異性鋼橋面板橫梁（橫聯(lián))與主梁腹板連接處主梁扭轉(zhuǎn)引起的疲勞裂紋主梁腹板受壓區(qū)的呼吸疲勞主梁受拉翼緣貼板端頭開裂疲勞開裂機理

就斷裂力學(xué)觀點而言，鋼結(jié)構(gòu)的疲勞破壞是從裂紋起始、擴展到最終斷裂的過程。疲勞裂紋的擴展近似沿最大主拉應(yīng)力的垂直方向，其擴展速率呈指數(shù)增長，早期增長較慢，占疲勞壽命的大部分。由于這個原因，在結(jié)構(gòu)中較早地對裂紋進行探測比較困難。裂紋對結(jié)構(gòu)應(yīng)力分布的影響裂紋尖端區(qū)域的應(yīng)力集中程度與裂紋尖端的曲率半徑有關(guān)，裂紋越尖銳，應(yīng)力集中程度越高。這種應(yīng)力集中可能導(dǎo)致材料的實際斷裂強度遠低于材料的理論斷裂強度。應(yīng)力強度因子疲勞發(fā)展過程疲勞裂紋的發(fā)展包括三個階段：裂紋形核階段、裂紋穩(wěn)態(tài)擴展階段、裂紋突然破壞階段。通常第一階段耗時最長，而第三階段耗時最短。疲勞裂紋擴展曲線區(qū)域1，曲線接近于門檻值，裂紋擴展速度較慢，當應(yīng)力強度因子低于