锈蚀钢筋混凝土梁工作性能的试验研究

论文摘要

钢筋锈蚀是影响混凝土结构耐久性的重要因素之一。研究结果表明,锈损钢筋混凝土结构性能的劣化,主要是由于锈蚀钢筋的截面损失、钢筋和混凝土之间粘结性能的退化、以及钢筋锈胀力导致的混凝土锈胀开裂等因素造成的。基于以上影响因素,对锈损结构的残余承载能力、剩余使用寿命进行计算和估计是对此类结构进行损伤诊断和安全性鉴定的主要内容,近二十年来逐渐成为研究的热点。本文在总结前人工作的基础上,设计并完成了两个系列针对锈损钢筋混凝土简支梁的试验:第一个系列是对22根梁进行了准长期静力荷载条件下的加速锈蚀试验;第二个系列是对5根带集中质量梁进行的振动测试试验。两个系列的试验中都是通过控制钢筋锈蚀发生区域以及锈蚀率来模拟实际工程中不同的锈损状态,并与未锈梁的试验结果进行比较,然后得出一般性的结果。根据以上试验现象,进行了锈损钢筋混凝土梁正截面抗弯承载能力、截面刚度、横向裂缝特征以及损伤定位与定量分析等方面的研究。所取得的研究成果可以概括如下:(1)建立了一般条件下锈蚀钢筋混凝土梁正截面抗弯承载能力计算模型。试验现象表明:截面上钢筋锈蚀的发生位置不同,对该截面抗弯承载能力的影响也不同。本文通过人为控制钢筋锈蚀的发生区域,分别实现了跨中对称范围内不同长度的受拉区纵向钢筋锈蚀,和跨中纯弯区段内受压区纵向钢筋锈蚀。在分别讨论两种情况下梁正截面承载能力计算方法的基础之上,结合已有的混凝土结构设计规范中普通混凝土受弯构件的正截面承载能力计算公式,提出了一般情况下锈损钢筋混凝土梁的正截面承载能力计算方法。并通过计算两根既有压区钢筋锈损又有拉区钢筋锈损试验梁的计算结果与实测结果,验证了该方法的可行性。(2)提出了持续荷载作用下锈损均匀的混凝土梁跨中挠度增大系数θCORR的计算方法。在持续荷载作用下,锈损钢筋混凝土梁截面刚度会随着钢筋锈蚀率的增加而逐步减小。本文对9根试验梁在大小不同的持续荷载作用下,跨中挠度随时间的变化进行了观测。荷载持续作用时间由30至80天不等,主要根据拟锈梁的锈蚀程度确定。然后通过对比受拉区纵向钢筋锈损梁与非锈损梁的挠度变化规律,提出了均匀锈蚀条件下锈损梁跨中挠度增大系数θCORR的计算方法,从而间接反映刚度的退化。该方法重点考虑了持续作用荷载大小、锈损发生范围、锈蚀率三种因素的影响,为混凝土结构耐久性设计中的使用寿命预测提供参考。(3)提出利用动力测试技术确定钢筋锈损梁短期刚度的一种新方法。简支梁的动力刚度与抗弯刚度系数EI之间存在一定联系,可以利用振动测试技术对一定条件下抗弯刚度系数EI加以识别。本文观测了9根试验梁在持续荷载试验全过程一阶自振频率的变化、横向裂缝高度的变化以及拟锈梁最终锈胀裂缝宽度等内容。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 钢筋混凝土结构的耐久性与钢筋锈蚀
• 1.2 锈蚀钢筋混凝土构件的损伤机理及破坏特征
• 1.2.1 钢筋锈蚀的电化学机理
• 1.2.2 钢筋锈蚀造成的混凝土结构损伤
• 1.2.3 混凝土中钢筋锈蚀速度的影响因素
• 1.3 混凝土结构中钢筋锈蚀的诊断方法
• 1.4 锈蚀钢筋混凝土结构的可靠性分析与鉴定
• 1.5 钢筋锈蚀的研究现状
• 1.5.1 钢筋混凝土结构防腐蚀设计研究现状
• 1.5.2 锈蚀钢筋混凝土梁承载能力研究现状
• 1.5.3 锈蚀钢筋混凝土梁抗弯刚度研究现状
• 1.5.4 振动测试在锈损探测中的应用
• 1.6 本文研究的主要内容
• 第2章 锈蚀钢筋混凝土梁正截面受弯承载能力计算
• 2.1 引言
• 2.2 试验设计
• 2.2.1 试件设计和制作
• 2.2.2 静力荷载试验内容及方法
• 2.3 加速锈蚀试验方法
• 2.3.1 加速锈蚀机理
• 2.3.2 试验梁加速锈蚀方案
• 2.3.3 试验梁锈蚀量的控制
• 2.4 测试结果
• 2.4.1 钢筋材性试验
• 2.4.2 锈胀破坏
• 2.4.3 试验梁静力破坏特征分析
• 2.5 锈蚀梁正截面抗弯承载能力计算
• 2.5.1 基本假定
• 2.5.2 锈蚀梁正截面抗弯承载能力计算方法
• 2.5.3 算例
• 2.6 小结
• 第3章 持续荷载作用下锈蚀梁挠度计算
• 3.1 引言
• 3.2 试验设计
• 3.2.1 试件选取
• 3.2.2 试验内容及方法
• 3.3 试验现象及结果
• 3.3.1 锈胀裂缝的出现时间
• 3.3.2 挠度随时间的变化
• 3.4 挠度发展的估计方法
• 3.4.1 基本假定
• 3.4.2 计算参数的初步分析
• CORR 的计算模型'>3.4.3 挠度增大系数θ_CORR的计算模型
• 3.4.4 锈损不间断情况下梁挠度增长的计算
• 3.5 小结
• 第4章 锈蚀混凝土梁短期刚度计算
• 4.1 引言
• 4.2 试验设计
• 4.2.1 试件选取
• 4.2.2 试验内容及方法
• 4.3 试验现象及结果
• 4.3.1 自振频率随时间的变化
• 4.3.2 横向裂缝高度的统计数据
• 4.3.3 锈胀裂缝宽度的统计数据
• 4.4 锈蚀梁刚度退化模型
• 4.5 锈蚀梁短期抗弯刚度的计算方法
• 4.5.1 现行规范中的计算方法及讨论
• 4.5.2 基本假定
• 4.5.3 锈蚀梁抗弯刚度计算
• 4.6 小结
• 第5章 锈蚀钢筋混凝土梁裂缝分析
• 5.1 引言
• 5.2 试验简介
• 5.2.1 试件选取
• 5.2.2 试验内容及方法
• 5.3 试验现象及结果
• 5.3.1 弯曲裂缝的出现与开展
• 5.3.2 锈损梁的锈胀开裂
• 5.4 钢筋锈蚀对横向裂缝的影响
• 5.4.1 受压区钢筋锈蚀对梁横向开裂的影响
• 5.4.2 受拉区钢筋锈蚀对梁横向裂缝的影响
• 5.5 小结
• 第6章 钢筋混凝土结构锈蚀损伤定位与识别
• 6.1 引言
• 6.2 试验简介
• 6.2.1 试件设计和制作
• 6.2.2 梁Crack 横向裂缝的制作
• 6.2.3 振动测试方案
• 6.2.4 加速锈蚀试验方案
• 6.3 试验现象及结果
• 6.3.1 前四阶自振频率的测试结果
• 6.3.2 前四阶振型的测试结果
• 6.3.3 环境温度对振动测试的影响
• 6.4 锈蚀损伤定位与识别
• 6.4.1 刚度变化与结构振型和频率变化之间的关系
• 6.4.2 利用振型和频率信息识别结构损伤
• 6.5 小结
• 第7章 锈蚀钢筋混凝土梁耐久性
• 7.1 引言
• 7.2 混凝土结构耐久性的基本关系
• 7.2.1 混凝土结构耐久性的基本定义
• 7.2.2 结构安全性、适用性和耐久性的关系
• 7.2.3 混凝土结构耐久性设计目标
• 7.3 锈蚀钢筋混凝土结构的可靠性评估
• 7.3.1 锈蚀结构的动态可靠度
• 7.3.2 锈蚀结构的可靠性评估
• 结论
• 1.本文的主要研究结论及特色工作
• 2.有待于进一步研究的问题
• 参考文献
• 致谢
• 附录A 攻读博士学位期间发表的论文
• 附录B 钢筋单位长度质量的实测数据
• 附录C 钢筋材性试验结果
• 附录D 混凝土材性试验结果