环境作用下结构受力性能的退化2.ppt

2013 11 4 结构全寿命维护 第6章环境作用下结构受力性能的退化 6 1锈蚀钢筋的力学性能6 2锈蚀预应力筋的力学性能6 3锈后钢筋与混凝土间粘结性能的退化6 4锈蚀钢筋混凝土梁的受弯性能6 5练习题6 6参考文献 第6章环境作用下结构受力性能的退化 抗力R保持不变 效应S保持不变 失效概率Pf不变 分布类型和模型 均值 变异性 第6章环境作用下结构受力性能的退化 不变 分布类型 均值和变异性均不变 纵向裂缝宽度 横向裂缝宽度 承载力 钢筋截面锈损率 s 混凝土保护层胀裂 时间t t1 tcr L 纵向裂缝宽度达限值 twl H 横向裂缝宽度达限值 twh P 承载力下降到限值 tp S 变形达到限值 ts 0 变形 锈蚀构件承载能力计算 锈蚀构件刚度计算 锈蚀构件裂缝宽度 第6章环境作用下结构受力性能的退化 锈蚀构件受力性能的退化 性能指标 钢筋开始锈蚀 1 平均截面锈蚀率 2 最大截面锈蚀率 3 质量锈蚀率 6 1锈蚀钢筋的力学性能 钢筋锈蚀程度的表征 锈蚀前平均截面积 锈蚀后平均截面积 锈蚀后最小截面积 锈蚀后钢筋质量 原钢筋横截面 原钢筋横截面 6 1锈蚀钢筋的力学性能 锈蚀钢筋获取途径 自然锈蚀机理 加速锈蚀机理 钢筋自然锈蚀形态 钢筋加速锈蚀形态 6 1锈蚀钢筋的力学性能 几何形态 钢筋自然锈蚀形态 钢筋加速锈蚀形态 6 1锈蚀钢筋的力学性能 几何形态 6 1锈蚀钢筋的力学性能 破坏形态 加速 16 加速 12 6 1锈蚀钢筋的力学性能 加速 10 加速 6 荷载 变形曲线 自然 12 自然 14 自然 16 自然 8 6 1锈蚀钢筋的力学性能 荷载 变形曲线 1 随着钢筋锈蚀的发展 钢筋锈蚀越不均匀 2 混凝土中自然锈蚀钢筋不均匀程度 加速锈蚀钢筋 3 随着钢筋锈蚀的发展 屈服荷载 极限荷载降低 且极限荷载尤为明显 4 随着钢筋锈蚀的发展 屈服平台缩短甚至消失 极限延伸率降低 颈缩现象消失 6 1锈蚀钢筋的力学性能 试验现象 6 1锈蚀钢筋的力学性能 锈蚀钢筋强度的表征 名义屈服荷载 名义屈服强度 名义极限荷载 名义极限强度 锈前屈服强度 锈前极限强度 锈后平均截面积 界限锈蚀率 光圆钢筋 10 15 变形钢筋 20 30 6 1锈蚀钢筋的力学性能 确定性应力 应变本构关系 名义屈服强度相对值 截面锈蚀率关系 名义极限强度相对值 截面锈蚀率关系 极限延伸率相对值 截面锈蚀率关系 弹性模量 截面锈蚀率关系 6 1锈蚀钢筋的力学性能 确定性应力 应变本构关系 6 1锈蚀钢筋的力学性能 锈蚀钢筋力学性能退化机理 锈蚀钢筋的承载力 平均截面积 基于平均截面积的强度 最小截面积 基于最小截面积的强度 最小截面积 未锈钢筋的强度 6 1锈蚀钢筋的力学性能 锈蚀钢筋力学性能退化机理 1 钢筋截面积的不均匀性是名义强度降低的主要因素 2 R值随着锈蚀率的增大而增大 导致强度降低 3 自然锈蚀钢筋的R值大于加速锈蚀钢筋 导致其强度衰减更显著 6 1锈蚀钢筋的力学性能 锈后钢筋力学性能的变异性 极限强度相对值变异系数 极限应变相对值变异系数 屈服强度相对值变异系数 力学性能变异性的增大对构件的受力性能有什么影响 预应力筋拉伸试验装置 锈蚀混凝土板的尺寸示意图 混凝土板中预应力筋电化学加速锈蚀装置示意 6 2锈蚀预应力筋的力学性能 典型锈蚀率时预应力筋荷载 变形曲线 6 2锈蚀预应力筋的力学性能 6 2锈蚀预应力筋的力学性能 6 2锈蚀预应力筋的力学性能 1 锈后钢丝的弹性模量基本不变 但钢铰线降低 2 锈后钢绞线极限强度的降低比钢丝更为显著 钢筋锈蚀 钢筋横肋锈损 保护层锈胀开裂 钢筋与混凝土间摩擦作用降低 机械咬合力减小 混凝土对钢筋的约束降低 化学胶着力破坏 钢筋与混凝土间生成铁锈层 6 3锈后钢筋与混凝土间粘结性能的退化 6 3锈后钢筋与混凝土间粘结性能的退化 如何解释锈蚀率较低时 粘结强度提高的现象 6 3锈后钢筋与混凝土间粘结性能的退化 6 3锈后钢筋与混凝土间粘结性能的退化 锈蚀梁受弯性能试验研究 6 4锈蚀钢筋混凝土梁的受弯性能 梁中钢筋锈蚀率 锈蚀梁受弯性能试验研究 分析横截面积的纵向不均匀分布对承载力的影响 加载装置 锈蚀梁受弯性能试验研究 锈胀裂缝宽度 破坏形态 L23 L12 L11 L13 锈蚀梁受弯性能试验研究 混凝土表面应变分布 锈蚀梁受弯性能试验研究 混凝土表面应变分布 锈蚀梁受弯性能试验研究 裂缝宽度 裂缝间距 锈蚀梁受弯性能试验研究 1 解释锈蚀后裂缝间距增大 裂缝变宽的机理 2 分析工程实际与试验梁的区别 锈蚀梁受弯性能试验研究 钢筋锈蚀 承载力下降 刚度退化 受力裂缝间距增大 宽度增大 混凝土表面平均应变符合平截面假定 钢筋 混凝土间粘结性能退化 锚固良好时梁仍能发生受弯破坏 锈蚀钢筋本构模型物理特征的变化对梁受弯性能有一定的影响 严重锈蚀梁 钢筋可进入强化阶段 梁可能发生脆性破坏 试验总结 锈蚀梁受弯性能试验研究 弯矩 曲率关系数值模拟分析 截面分析模型 平衡方程 相容关系 完全有粘结锈蚀梁 锈蚀梁受弯性能数值模拟 6 4锈蚀钢筋混凝土梁的受弯性能 弯矩 曲率关系数值模拟分析 计算步骤 1 增加截面曲率 2 假定值 3 由相容关系计算混凝土条带及钢筋的应变 并由物理关系计算应力值 4 判断平衡方程是否满足 若是求出弯矩M 并重复步骤1 4 否则调整值 直至平衡方程成立为止 5 当符合破坏条件时 停止计算 完全有粘结锈蚀梁 锈蚀梁受弯性能数值模拟 6 4锈蚀钢筋混凝土梁的受弯性能 荷载 挠度关系数值模拟分析 共轭梁法计算梁荷载 挠度关系的分析模型 共轭梁法 完全有粘结锈蚀梁 锈蚀梁受弯性能数值模拟 6 4锈蚀钢筋混凝土梁的受弯性能 弯矩 锈蚀钢筋应变 曲率关系数值模拟分析 基本假定 同前 但平截面假定不再成立 截面分析模型 相容关系 平衡方程 破坏条件 完全无粘结锈蚀梁 锈蚀梁受弯性能数值模拟 6 4锈蚀钢筋混凝土梁的受弯性能 弯矩 锈蚀钢筋应变 曲率关系数值模拟分析 完全无粘结锈蚀梁 锈蚀梁受弯性能数值模拟 6 4锈蚀钢筋混凝土梁的受弯性能 荷载 挠度关系数值模拟分析 计算步骤 1 将梁分成m段 2 逐步增加其应 sc sc sc 3 假定梁跨中截面曲率 并确定Mc 4 确定荷载P 并求出梁各分段弯矩Mi 5 求出梁各分段混凝土中心处的应变 csoi 6 判断变形协调条件是否满足 若是 继续第7 步 否则 调整 重复3 6 直至满足足够的精度为止 7 计算梁各分段的截面曲率 8 由共轭梁法计算梁跨中挠度 9 检查梁是否达到破坏条件 若是 停止计算 否则 重复2 9 直至梁破坏为止 变形协调条件成立 完全无粘结锈蚀梁 锈蚀梁受弯性能数值模拟 6 4锈蚀钢筋混凝土梁的受弯性能 L10 L11 L12 L13 L20 L21 L22 L23 弯矩曲率关系 锈蚀梁受弯性能数值模拟 6 4锈蚀钢筋混凝土梁的受弯性能 L20 L21 L22 L23 L10 L11 L12 L13 荷载挠度关系 锈蚀梁受弯性能数值模拟 6 4锈蚀钢筋混凝土梁的受弯性能 利用数值分析结果 分析锈蚀梁受弯性能退化机理 不考虑钢筋本构模型物理特征的变化不考虑混凝土截面损伤不考虑受压钢筋影响 锈蚀梁抗弯承载能力计算 6 4锈蚀钢筋混凝土梁的受弯性能 粘结性能退化 钢筋锈蚀 导致梁抗弯承载力下降的主要因素 导致梁使用性能劣化的主要因素 就平均应变而言符合平截面假定 短期荷载效应 锈蚀梁抗弯刚度计算 6 4锈蚀钢筋混凝土梁的受弯性能 裂缝截面处的应力和应变 平均应变 锈蚀梁抗弯刚度计算 6 4锈蚀钢筋混凝土梁的受弯性能 钢筋应变趋于均匀不均匀系数增大 参照GB50010 锈蚀梁抗弯刚度计算 6 4锈蚀钢筋混凝土梁的受弯性能 ku 10 544 1 586 c d 开裂 开裂是钢结构中危害性最大的一种病害 没有之一 这是由于 开裂往往导致结构的突然破坏 而事先没有明显征兆 导致疲劳裂纹的基本因素 应力循环次数 与交通状况及桥梁构造型式相关 应力幅 与活载大小相关 构造细部的疲劳强度 正交异性钢桥面板 横梁 横联 与主梁腹板连接处 主梁扭转引起的疲劳裂纹 主梁腹板受压区的呼吸疲劳 主梁受拉翼缘贴板端头开裂 疲劳开裂机理 就断裂力学观点而言 钢结构的疲劳破坏是从裂纹起始 扩展到最终断裂的过程 疲劳裂纹的扩展近似沿最大主拉应力的垂直方向 其扩展速率呈指数增长 早期增长较慢 占疲劳寿命的大部分 由于这个原因 在结构中较早地对裂纹进行探测比较困难 裂纹对结构应力分布的影响 裂纹尖端区域的应力集中程度与裂纹尖端的曲率半径有关 裂纹越尖锐 应力集中程度越高 这种应力集中可能导致材料的实际断裂强度远低于材料的理论断裂强度 应力强度因子 疲劳发展过程 疲劳裂纹的发展包括三个阶段 裂纹形核阶段 裂纹稳态扩展阶段 裂纹突然破坏阶段 通常第一阶段耗时最长 而第三阶段耗时最短 疲劳裂纹扩展曲线 区域1 曲线接近于门槛值 裂纹扩展速度较慢 当应力强度因子低于门槛值时 裂纹不扩展 区域2 直线段 为稳定裂纹增长区 材料微观结构没有影响 用Paris方程较能相对准确的描述裂纹增长 区域3 裂纹扩展速率很快 存在裂纹失稳增长 当达到材料的断裂韧性KIC时 发生断裂失效 KIC与微观结构密切相关 疲劳寿命计算 断裂力学法 疲劳寿命计算 疲劳曲线法 6 5练习题 已知钢筋混凝土梁的截面尺寸为b 250mm h 600mm 混凝土保护层厚度c 25mm 混凝土和钢筋材料的性能指标为 fc 23N mm2 ft 2 6N mm2 Ec 2 51 104N mm2 fy 357N mm2 Es 1 97 105N mm2 受拉区配有3 25 As 1472mm2 的纵向受拉钢筋 1 计算锈胀开裂时