环境作用下结构受力性能的退化2

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R,S0t使用寿命概率密度抗力R(t)效应S(t)失效概率Pf(t)R,S0t目标使用寿命平均使用寿命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ηs混凝土保护层胀裂时间tT1t1tcrηL纵向裂缝宽度达限值twlηH横向裂缝宽度达限值twhηP承载力下降到限值tpηS变形达到限值ts0TcrTu变形混凝土钢筋孔隙过渡区Cl-CO2O2H2O锈蚀产物Vp<VairVair

<Vp<Vcr

Vp=Vcr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

Vp>Vcr服役时间剩余使用寿命（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阳极阴极大气环境

混凝土

混凝土钢筋e直流电源+锈蚀钢筋铜片盐溶液-混凝土混凝土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

未锈

锈蚀

未锈

锈蚀6.1锈蚀钢筋的力学性能破坏形态加速ф16加速ф126.1锈蚀钢筋的力学性能加速ф10加速ф6荷载-变形曲线自然ф12自然ф14自然ф16自然ф86.1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相对屈服荷载相对极限荷载相对面积比值

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自然锈蚀钢筋R加速锈蚀钢筋R（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？ (a)(b)(c)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粘结强度降低粘结试验方法拉拔试验压入试验拉/压试验半梁式试验拉-压组合试验6.3锈后钢筋与混凝土间粘结性能的退化80φ20φ14φ10010203040506070钢筋锈蚀率(%)30252015105平均粘结强度（MPa）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150140b=130混凝土FN钢板a00.10,20.30.40.50.6法向力σ(MPa)2.52.01.51.00.5粘结强度τ（MPa）I类II类III类IV类锈蚀程度：I<II<III<IVτ=F/ab，σ=N/ab6.3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玻璃缸直流稳压电源垫块铜片5％NaCl溶液混凝土梁钢筋正极负极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L23L12L11L13锈蚀梁受弯性能试验研究L10L11L12L13混凝土表面应变分布锈蚀梁受弯性能试验研究L20L21L23L22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。 弯矩—曲率关系（L10~L13）

弯矩—曲率关系（L20~L23）

弯矩—曲率关系荷载—位移关系（L10~L13）

荷载—位移关系（L20~L23）

荷载—位移关系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

基本假定：1）平截面假定成立2）忽略剪切变形3）不考虑混凝土力学性能的变化及其截面的损失4）不考虑顶部纵筋的影响5）忽略箍筋锈蚀的影响破坏条件：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：计算步骤：1）对梁进行分段2）增加跨中截面曲率3）求出跨中截面弯矩Mc，荷载P4）求各分段弯矩Mi，并由此求出5）由共轭梁法计算跨中挠度值6）判断梁是否破坏，否则重复2）～6）直至梁破坏为止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！h1nbas'ash/2-as'h/2-asZii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计算步骤：1）增加锈蚀钢筋中的应变εsc=εsc＋Δεsc；2）由锈蚀钢筋的本构关系计算出钢筋的拉力Nsc；3）增加梁底混凝土的应变εcn=εcn+Δεcn；4）假定值；5）计算；6）由相容关系计算混凝土条带和受压钢筋的应变，并由物理方程求出对应的应力；7）检查平衡方程是否满足，若是，求出弯矩M及混凝土中心处应变εcso，若否，调整值，重复4）~7），直至满足平衡为止；8）检查压区混凝土是否压碎，若是，转入第9）步，否则，重复3）~8）；9）检查锈蚀钢筋是否达到极限应变，若是，结束计算，否则，重复1）~9）。h1nbas'ash/2-as'h/2-asZii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NscNscABP/2P/2cl保护层锈胀脱落i计算步骤：1）将梁分成m段；2）逐步增加其应εsc=εsc+Δεsc；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εcsoi；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L10L11L12L13L20L21L22L23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L20L21L22L23L10L11L12L13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力学性能退化截面面积减小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MkMk锈蚀梁抗弯刚度计算6.4锈蚀钢筋混凝土梁的受弯性能受拉钢筋应变滞后裂缝截面处的应力和应变MkAsch0sh01cc0h0Ascsc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