氯离子环境下混凝土钢筋坑蚀深度的随机性研究

以Fick第二定律为基础,推导了考虑氯离子扩散系数时变性的预测混凝土中钢筋最大坑蚀深度的随机时变模型,并以人工气候氯盐环境下的试验结果为例,分析了影响钢筋最大坑蚀深度的主要因素及其敏感性;以Monte Carlo方法,分析了人工气候氯盐环境下混凝土内钢筋最大坑蚀深度的概率分布特性,并预测了不同暴露时间内钢筋的最大坑蚀深度。结论表明,混凝土的保护层厚度对钢筋最大坑蚀深度的影响最大,钢筋的最大坑蚀深度服从正态分布;人工气候氯盐环境下混凝土内钢筋的最大坑蚀深度随侵蚀时间的增长而呈近似线性增大,且与试验结论相符。     

钢筋对受盐冻混凝土氯离子扩散的影响

基于受盐冻混凝土中氯离子扩散规律的试验研究,修正Fick第二定律解析解,建立了盐冻环境氯离子扩散模型,分析了钢筋对混凝土中氯离子扩散的阻滞效应,研究了不同保护层厚度与钢筋直径比值对混凝土中氯离子扩散的影响。研究结果表明,受盐冻混凝土中钢筋表面的氯离子浓度增大系数、混凝土保护层厚度与钢筋直径比值相关;受盐冻混凝土构件中钢筋表面氯离子浓度受钢筋与混凝土保护层厚度的共同影响,随保护层厚度增大,混凝土中氯离子扩散系数增大;钢筋表面的氯离子浓度增大系数具有时变特征,随结构服役时间先升后降,并存在增大效应终止的临界时间。     

潮差环境下混凝土氯离子扩散时变性与孔隙分形特征的关系

通过人工气候模拟潮差区氯离子环境下混凝土的暴露试验,测定了不同暴露时间后的混凝土自由氯离子浓度,分析了其扩散系数及其时变性;以MIP法测定了不同暴露时间下混凝土的总孔隙率和孔径分布等孔隙特征参数,分析了其时变性;研究了潮差环境下混凝土扩散系数与孔隙微观参数的时变性关系,混凝土孔表面分形维数与扩散系数的关系。结果表明:在模拟潮差环境下,随着暴露时间的延长,混凝土氯离子扩散系数和总孔隙率均逐渐减小,而孔表面分形维数逐渐增大;不同暴露时间后,混凝土氯离子扩散系数与其各级孔隙率有较好的相关关系;混凝土不同孔径范围的孔表面分形维数与其氯离子扩散系数之间的相关性不同,其中以孔径范围为100~1000 nm的大毛细孔的孔表面分形维数相关性最高。     

氯盐环境下钢筋混凝土构件锈胀开裂风险概率分析

为了研究时间和空间等不确定因素下钢筋混凝土构件的锈胀开裂损伤,针对氯离子腐蚀环境,将钢筋锈蚀划分为2阶段3个特征时刻,分析了锈蚀初始时间、锈胀开裂时间以及锈胀开裂至界限宽度时间的概率特征,建立了钢筋混凝土构件生命周期内锈蚀损伤的风险概率模型,讨论了锈蚀损伤影响参数的敏感性。结果表明:钢筋锈蚀对其影响因素的敏感程度依次为混凝土保护层、临界氯离子浓度、扩散系数和混凝土表面氯离子浓度;钢筋混凝土构件从发生锈胀开裂到裂缝达到界限宽度的时间很短,界限宽度的取值对锈蚀损伤的影响并不显著。     

自然潮差环境下掺合料对混凝土氯离子扩散性能衰减的影响

以海洋潮差区环境暴露时间为60 d,120 d,240 d和360 d的现场试验为基础,研究了水灰比及掺加硅粉、粉煤灰、火成岩纤维对混凝土氯离子扩散性能衰减的影响,推导了混凝土扩散系数的时间衰减系数的计算公式,引入氯离子扩散系数衰减速率后进一步分析了长期暴露后混凝土扩散性能的衰减规律,并以已有研究成果分析了不同氯盐环境下掺合料对该扩散性能衰减的影响。结果表明:水灰比越大,混凝土氯离子扩散系数的时间衰减系数越小;单掺粉煤灰、火成岩纤维时扩散系数的时间衰减系数均增大,对氯离子扩散性能的衰减影响明显;掺入硅粉,能有效降低混凝土的氯离子扩散性,但对其时间衰减系数的影响较小;复掺硅粉和粉煤灰对扩散性能的早期衰减影响最为显著,其改善效果可达普通混凝土46.5%;掺合料对混凝土氯离子扩散性能的衰减系数的影响随时间逐渐减小,氯离子扩散系数的衰减速率最终趋于稳定;混凝土暴露的时间越长,掺合料对扩散性能的衰减影响越显著。     

暴露与养护时间对混凝土氯离子扩散性能的影响

随着暴露于实际环境中时间的延长,氯离子在混凝土中的扩散性能逐渐衰减。获取氯离子扩散性能与时间的关系是困难的,而养护时间对混凝土氯离子扩散性能也有影响。通过设计的人工气候环境下暴露和养护时间因素试验,测定了不同配合比、不同养护时间和暴露时间的混凝土中自由氯离子的浓度,并利用Fick第二定律分析了试验混凝土的氯离子扩散系数。分析和试验的结果表明,混凝土扩散系数随着暴露时间和养护时间的延长而降低,而暴露时间对混凝土氯离子扩散性能的影响更加明显,且扩散系数的降低幅度有减缓的趋势。     

考虑钢筋腐蚀的近海隔震桥梁地震易损性分析

基于氯离子腐蚀作用模型,对混凝土中钢筋锈蚀机理及过程开展了研究,进而建立了钢筋直径及屈服强度的退化模型。为了研究氯离子侵蚀对隔震桥梁抗震性能的影响,选取我国某一长期处于海洋潮汐环境中受氯离子腐蚀影响显著的近海隔震桥梁为算例,基于Open Sees平台分别建立了不考虑和考虑钢筋腐蚀的全桥有限元模型,然后选取15条合适的地震波进行了IDA分析,并根据构件需求能力比建立了板式橡胶支座和桥墩在不同破坏状态下的易损性曲线,最终基于概率论知识完成了全桥的系统易损性曲线。计算结果表明:对于隔震桥梁而言,板式橡胶支座比桥墩更容易发生破坏;全桥系统比任何单一构件都更容易发生破坏,采用全桥易损性曲线评价桥梁的抗震性能更加合理;考虑钢筋腐蚀后,全桥地震易损性增强,说明在氯离子侵蚀环境下,钢筋的腐蚀问题不可忽略。     

自然潮差环境弯曲荷载作用下混凝土氯离子峰值浓度的分布

混凝土中氯离子的峰值浓度是基于钢筋锈蚀的混凝土结构耐久性寿命预测的主要参数之一,其时变性和随机性取决于侵蚀环境、材料性能和作用荷载等因素。通过自然海洋潮差环境弯曲荷载作用下的混凝土构件暴露试验,在测得纯弯段混凝土的自由氯离子浓度的基础上,研究了弯曲荷载对混凝土中氯离子峰值浓度随机分布的影响。结果表明,自由氯离子峰值浓度的均值受弯曲荷载水平、水灰比及暴露时间的影响很大;而无论是在受压区还是受拉区,弯曲荷载作用下的混凝土氯离子侵蚀峰值浓度绝大多数服从对数正态分布;弯曲荷载水平、混凝土水灰比和暴露时间对混凝土中自由氯离子峰值浓度的分布类型的影响很小。     

养护条件对BCCP抗氯离子侵蚀性能的影响与比较分析∗

通过测试钢筋缠绕预应力钢筒混凝土管道（BCCP）细石混凝土保护层试块在标准养护（S），低压养护（0.7P）， 蒸汽养护（ZS）和蒸汽?低压养护（Z0.7P）条件下的氯离子扩散系数、抗压强度和吸水率，研究养护方式对BCCP 抗 氯离子侵蚀能力的影响，并基于灰色关联分析法，比较各因素的影响程度。结果表明：混凝土的抗氯离子侵蚀能力 随着养护龄期的增加而增加，单掺矿粉混凝土始终表现最优，使用高抗硫水泥会降低混凝土本身抗氯能力。低压 和蒸汽养护的混凝土在早龄期抗氯能力高于标准养护，但随水化龄期的增长，逐渐低于标准养护。低压不会对蒸 养混凝土内部产生损伤，反而会提高混凝土的密实度，因此，在养护龄期14 d 以前，扩散系数关系为S>0.7P>ZS> Z0.7P，28 d 以后，变为ZS>Z0.7P>0.7P>S；此外，养护气压和养护湿度对混凝土抗氯离子渗透性影响最大，其次 是养护温度，养护龄期的影响最小。     

高温后足尺有粘结预应力混凝土梁板力学性能研究

针对足尺有粘结预应力混凝土梁板高温后的抗弯承栽力开展了非线性计算分析。结果表明,综合配筋指标、有效预应力对高温后极限弯矩与常温下极限弯矩比值M_u~A/M_u的影响不大,预应力度和预应力筋的保护层厚度对M_u~A/M_u影响显著。高宽比近似相同的有粘结预应力混凝土梁,当第一排钢筋的保护层厚度相同时,受火时间为3 h,高度为700 mm的梁高温后截面承栽力下降幅度最大约为30%,高度为4500 mm的梁高温后截面承栽力下降幅度不到10%,高温后大尺度梁的力学性能优于小尺度梁。给出了考虑预应力筋保护层厚度和预应力度影响的有粘结预应力混凝土板M_u~A/M_u的计算公式,以及综合考虑预应力筋、非预应力筋合力点到梁底距离和预应力筋梁侧保护层厚度影响的有粘结预应力混凝土梁M_u~A/M_u的计算公式。     

混凝土锈胀开裂的抑制措施

钢筋锈蚀是影响混凝土结构耐久性最重要的因素。钢筋锈胀体积膨胀,对周围混凝土产生压力,继而导致保护层的受拉开裂,出现锈胀裂缝,这对结构整体的安全性和耐久性十分有害。研究混凝土锈胀裂缝的抑制措施,对提高结构的耐久性具有重要意义。从结构构造入手,以快速通电加速纵向钢筋锈蚀的方法,研究了混凝土保护层厚度和箍筋间距对混凝土构件锈胀开裂的影响;同时通过计算机仿真,对试验构件进行了数值试验。在此基础上,建立了构件表面应力与混凝土保护层厚度及箍筋间距的相关关系,得到了不同保护层厚和箍筋间距对试件表面锈胀裂缝的影响规律。     

方钢管混凝土柱-钢梁平面框架耐火性能研究

建立了局部火灾下多层多跨矩形钢管混凝土柱-钢梁平面框架温度场和力学性能分析的有限元模型。在考虑楼板影响的基础上,研究了保护层厚度不同时钢管混凝土框架结构的温度场分布规律。研究了不同受火工况条件下钢管混凝土框架结构的变形和破坏规律、耐火极限状态、受火梁的内力状态以及结构耐火极限的规律。分析表明,梁保护层厚度影响钢梁温度分布形式;火灾下,框架结构发生了受火梁的整体屈曲破坏。     

弯曲荷载对混凝土氯离子扩散与钢筋初锈时间的影响

通过设计的人工气候环境下水工混凝土梁加载侵蚀对比试验,分析了弯曲荷载作用下梁的纯弯区与无荷载作用下混凝土的氯离子浓度分布,并以F ick第二定律和Monte Carlo方法为基础,研究了弯曲荷载对水工混凝土的氯离子扩散参数与钢筋初始锈蚀时间的影响。结论表明,弯曲荷载对受压区混凝土的氯离子扩散有抑制作用,并延缓了受压区钢筋初始锈蚀时间。     

混凝土中钢筋锈蚀深度预测模型试验研究

通过长达2年的干湿循环试验,得到了48个锈蚀钢筋混凝土试件;采用数理统计相关知识,对试件的锈蚀特征进行了分析,建立了与保护层厚度、表面裂缝宽度、钢筋直径、混凝土强度等级及箍筋间距相关的混凝土中钢筋锈蚀深度预测模型;对模型进行参数敏感性分析表明,表面锈胀裂缝宽度是影响钢筋锈蚀深度的最主要因素,而较小的箍筋间距对纵向钢筋锈蚀深度也具有较明显影响;经试验数据验证表明,该模型具有较好的适用性。     

火灾下钢管混凝土柱与钢梁外伸端板连接的力学性能

为了研究钢管混凝土框架梁柱半刚性连接的抗火性能,利用ABAQUS软件进行了火灾作用下钢管混凝土柱与钢梁外伸端板连接节点的热力耦合性能的数值模拟。确定了高温下钢材和核心混凝土的材料本构关系模型,建立了考虑楼板影响的钢管混凝土框架外伸端板连接节点的有限元计算模型,对三面受火和外荷载共同作用下节点的受力全过程进行了分析。详细分析了荷载比、螺栓预紧力、防火保护层厚度、材料特性、构件几何尺寸等参数对节点耐火极限的影响。结果表明,荷载比、螺栓预紧力、防火保护层厚度和钢梁截面高度对组合节点耐火极限的影响较显著。该研究结果将为火灾下半刚性钢管混凝土框架的设计理论提供科学依据。     

火灾中植筋连接构件的抗火性能试验研究

为研究火灾中植筋连接构件的抗火性能,进行了35个化学植筋试件在不同温度下(25～200°C)的拉拔试验以及12个植筋连接混凝土构件的受火试验。拉拔试验重点研究了植筋胶的粘结力随温度变化的规律,以及不同温度下植筋胶的粘结—滑移关系,结果表明:随着温度升高,植筋胶的粘结力显著下降。植筋构件的受火试验中,考虑了植筋深度(15d,20d,d为钢筋直径)和保护层厚度(25、40、60mm)两种影响因素。首先对6个试件按ISO834标准升温曲线升温(荷载为常温下植筋构件设计承载力的10%),到指定时间后,加载至构件破坏失效,结果表明:植筋深度和保护层厚度对火灾中植筋连接构件的极限承载力均有重要影响。其后进行了6个构件的恒载升温试验(荷载为常温下常规植筋构件设计承载力的80%),直至构件破坏,结果表明:当保护层厚度小于40mm时,植筋深度和保护层厚度对耐火极限均有重要影响;当保护层厚度大于40mm时,对耐火极限的影响植筋深度要大于保护层厚度。     

带板钢筋混凝土简支梁的耐火极限增大系数

利用SAFIR程序,对带板钢筋混凝土简支梁的耐火极限增大系数进行了分析。考察了梁的荷载比、配筋率、保护层厚度、跨高比,以及板的厚度、宽度、保护层厚度和配筋率等参数,对ISO834标准升温过程作用下带板简支梁的耐火极限增大系数的影响规律。通过1296种工况的计算分析,建立了该增大系数的实用计算公式。研究结果表明:①板的保护层厚度对该增大系数的影响较大,随着保护层厚度增加,该增大系数迅速增大;②板的厚度和纵筋配筋率对该增大系数的影响较小;③适当增加板的宽度可以提高该增大系数。     

自然潮差环境下粉煤灰混凝土微观结构的时变过程

基于自然潮差环境下在较长时间的暴露试验,获得了混凝土中自由氯离子浓度,并用压汞法测定了不同暴露时间后的不同掺量粉煤灰混凝土的微观结构参数;分析了粉煤灰掺量对混凝土孔隙率、孔径分布及其时变性和自由氯离子浓度的影响;在此基础上,探讨了粉煤灰混凝土中的孔径占比和孔隙率等微观结构参数与其自由氯离子浓度的时变关系。结果表明:粉煤灰可以有效的减少混凝土孔隙率,改善了其孔径分布,增加了10 nm～100 nm的孔径占比,降低了100 nm～1 000 nm的孔径占比;随着暴露时间的延长,混凝土中100 nm～1 000 nm和1 000 nm以上孔径的贡献孔隙率逐渐降低,但对于10 nm以下的贡献孔隙率没有明显的影响;同一暴露时间后,混凝土氯离子峰值浓度随着粉煤灰掺量的增加而逐渐降低,且在暴露后期,粉煤灰对混凝土中自由氯离子浓度分布的影响更加显著。     

碳纤维布加固混凝土梁的高温抗弯承载力——影响因素及衰减关系

通过引入混凝土高温等效抗压强度,提出了碳纤维布加固混凝土梁高温抗弯承载力的一种简化计算方法.利用所提方法,考察了防火涂料设置、碳纤维布加固量、受拉钢筋配筋率、混凝土保护层厚度等参数对加固梁高温抗弯承载力的影响规律.在大量分析结果基础上,建立了加固梁高温抗弯承载力随升温时间的定量衰减关系.研究结果表明:(1)利用该简化方法所得加固梁的耐火极限与试验结果吻合较好;(2)实际工程中梁侧防火涂料高度可以90 mm为限,在此范围内加固梁的高温抗弯承载力随着梁侧防火涂料高度的增加逐渐增大;(3)混凝土保护层厚度越小,加固梁抗弯承载力随升温时间增加而降低的速率越大,但升温2 h以后加固梁的抗弯承载力基本按同一速率下降.     

考虑真实火灾效应的钢管混凝土偏压构件耐火性能数值模拟

采用FDS(fire dynamics simulator)对某一给定的小空间结构进行了火灾分析,通过Smokeview对FDS模拟的结果进行可视化,得到了三维动态的火灾发展过程,并提取了室内相对真实的升温曲线。在此基础上,通过热-力耦合的分析方法对考虑真实火灾效应时的钢管混凝土偏压构件的耐火性能进行了分析研究,并与标准火进行了比较。分析结果表明:采用ISO-834标准升温曲线计算得到的钢管混凝土柱的耐火极限比考虑真实火灾效应时得到的耐火极限小。此外,通过考虑真实火灾效应的不同参数作用下钢管混凝土偏压构件耐火极限的计算发现,长细比、火灾荷载比以及保护层厚度等对该类构件的耐火极限影响较为显著。