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钢绞线腐蚀对预应力混凝土梁桥受力性能影响建筑模型试验研究

时间:2018-03-03 20:46来源:www.e-lunwen.com 作者:lgg 点击:
本文是建筑工程论文,建筑工程,指通过对各类房屋建筑及其附属设施的建造和与其配套的线路、管道、设备的安装活动所形成的工程实体。其中“房屋建筑”指有顶盖、梁柱。
本文是建筑工程论文,建筑工程,指通过对各类房屋建筑及其附属设施的建造和与其配套的线路、管道、设备的安装活动所形成的工程实体。其中“房屋建筑”指有顶盖、梁柱、墙壁、基础以及能够形成内部空间,满足人们生产、居住、学习、公共活动需要的工程。(以上内容来自百度百科)。
 
第一章 绪论
 
1.1 研究背景
钢筋混凝土结构从 150 多年前发明到现在,在建筑、市政、交通运输和海港等各类基础工程建设中能被广泛应用,是因为它在结构性能方面具有优越性、在经济方面具有适用性。特别是近三十年来预应力应用于混凝土的技术在我国的广泛运用,不但在设计思维上达到突破性的发展,而且在结构性能上改善了钢筋混凝土的力学性能,使结构设计更加合理,结构性能大大增强。但是,一方面由于预应力混凝土施工技术工艺的复杂性,任何阶段的质量问题都会对结构的承载能力和耐久性造成影响;在另一方面,钢绞线特别容易产生腐蚀,从而对混凝土结构造成损伤。这是由于钢绞线性质和环境造成的:混凝土中钢绞线的性质包括小断面和长期处于高应力状态,环境为各种介质侵蚀(如氯离子侵蚀、化学介质侵蚀和碳化等)的作用。关于预应力混凝土的相关技术在实际工程结构中已经得以广泛应用,对于一直处在腐蚀环境中的预应力混凝土结构来说,目前工程界对其的认识还不够深入,防腐措施还不够成熟,导致了承载能力或耐久性降低速率过快,结构提前破坏。预应力混凝土结构耐久性失效的相关报道事故在世界范围内已发生多起,究其原因,其中很大一部分的失效事故都是源于预应力钢绞线的腐蚀。从相关资料可以看到,西柏林议会大厦的混凝土壳体屋顶在 1980 年发生混凝土屋顶部分倒塌,其原因是支承构件的预应力钢索产生了锈蚀[1]。由于不饱满灌浆致使除冰盐从接缝位置的空隙进入钢绞线表面,腐蚀了纵向和横向预应力钢绞线,一座始建于 1953 年的英国南威尔斯的 Ynys-Y-Gwas 单跨后张预应力混凝土桥在 1985 年突然损坏而发生倒塌[2]。在印度孟买 Thane 河上,采用后张法修建的第一座预应力混凝土桥,由于预应力钢绞线出现严重腐蚀,政府进行了第一次修缮,在运营不到 10 年后,重修桥的钢绞线又遭到了腐蚀,不得已再次重建。国内目前超载现象严重,其中一座处于辽宁省盘锦市境内的田庄台大桥在长期超载作用下于2004 年 6 月突然垮塌,调查得出原因为内部预应力筋严重受损[3]。1983 年在美国佛罗里达州建造的一座体外预应力桥梁叫尼尔斯海峡大桥(Niles ChannelBridge), 靠近锚固端的 19 股钢绞线被调查发现出现严重腐蚀,仅在建成后的 16年。位于北京西直门的旧立交桥建于 80 年代初,仅运行了 18 年,就因钢筋的严重腐蚀被拆除重建[4]。建于 1986 年的沈阳文化路立交桥为四层双环式立交桥,作为沈城标志性建筑之一也在使用 13 年后因钢筋腐蚀严重破坏。在 2000 年的定期检查中,京广线百孔大桥被发现其第 52 孔曲线内梁的一束预应力钢绞线己锈断,调查得出的原因是建设早期掺加的减水剂和抗冻剂主要成分是2CaCl ,钢绞线表面就因为减水剂和抗冻剂中的氯离子浓度太高产生了严重的腐蚀[5]。如下表 1.1统计了部分国内外预应力结构的失效状况及原因分析。
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1.2 国内外研究现状
混凝土结构的承载力与延性会受腐蚀钢绞线静力性能退化的严重影响,关于钢绞线腐蚀后的静力性能,国内外学者对其进行了深入研究,并使用多种分析手段得到了一部分主要规律,这些规律都是关于钢绞线性能的退化。但是目前有关腐蚀钢绞线静力性能的研究还不够成熟,没有形成业内统一认同的腐蚀规律,以及完善的分析数据库。关于腐蚀后预应力钢绞线的力学性能退化问题是近年来才引起重视的热点问题,国内外的研究成果还很少,下面就所查到的有关成果作一一介绍。Vehovar 等[6]对斯洛文尼亚地区某座预应力混凝土高架桥中腐蚀预应力钢绞线的力学性能退化问题进行研究。钢绞线按照腐蚀程度由轻到重的顺序将其分成0~5 级,并对各级钢绞线进行了拉伸试验,测试得出力学性能的变化。结果表明:随着腐蚀程度的提高,腐蚀预应力钢绞线的主要受力性能(名义屈服强度、名义极限强度和伸长率)均有显著降低。陈瑞明[7]首先对预应力钢绞线进行了锈蚀试验,然后对锈蚀钢绞线进行了静力拉伸试验。得出三点结论:(1)钢绞线性能退化的主要原因是钢丝蚀坑的产生。预应力钢绞线的断裂截面一般都是位于单根钢丝蚀坑最大的部位, 应力集中的部位也往往是蚀坑位置。拉伸过程中的钢绞线随着锈蚀率的增加变形减小,当锈蚀率达到 8.72%时,钢绞线已经观察不到屈服点,并在弹性阶段就突然脆断。(2)钢绞线的实际腐蚀率、极限伸长率、名义弹性模量和名义极限强度都随着锈蚀率的增加而呈现一种统一的降低趋势。然而在本试验最大设计锈蚀率(13.08%)的情况下,试验得到钢绞线的名义屈服强度与普通钢绞线的名义屈服强度基本处于同一水平,降低趋势不明显。(3)为了实现对腐蚀后钢绞线力学性能的损伤严重性进行定量化的描述,作者通过线性回归拟合出如下几种关系,包括钢绞线的截面锈蚀率与极限伸长率、弹性模量和名义极限强度之间的关系.
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第二章 腐蚀钢绞线的相关理论及等级评定
 
2.1 腐蚀钢绞线相关理论
2.1.1 预应力钢绞线的腐蚀机理
发生电化学反应的条件一般是混凝土中的电解质与金属表面开始接触,使金属失去电子后离子化,或者更进一步产生了氧化物、氢氧化物,从而材料发生量变甚至质变,这样的过程叫做电化学腐蚀。在正常情况下,钢绞线是处于不会腐蚀的环境中,因为高碱性环境会在表面形成致密的钝化膜。但是环境变化之后,一些腐蚀介质(2CO 、-Cl )开始侵蚀混凝土,当腐蚀介质遇到混凝土孔隙水中的2Ca(OH) 之后就会发生中和反应,使 PH 值小于初值,没有了高碱性环境的保护作用钝化膜就会遭到破坏,裂缝也因此出现,裂缝的出现又进一步恶化了钝化膜的被保护作用,如此地恶性循环。由于恶劣环境,钢绞线表面的钝化膜被破坏,离子的数量变多、活动也变强,同时电位差也就产生了,混凝土环境中含有的水和氧气作为反应必须物,在钝化膜被破坏部位开始形成腐蚀微电池,微电池的阴极得到电子,阳极失去电子,各自发生反应使钢绞线表面腐蚀[26-28]。金属最常见的腐蚀类型是锈蚀[30]。分析金属腐蚀的原理,实质为界面上单独发生化学反应或者电化学多重反应,表面金属作为阳极失去电子后成为活性离子。金属腐蚀不仅会减小截面面积,还会使材料的塑性、韧性和强度等力学性能明显降低;同时金属构件的表面原有形状也会发生改变,光、电学等物理性能发生恶化,金属制品的使用寿命也会缩短。金属腐蚀的分类有如下几种:坑蚀、均匀腐蚀、应力腐蚀、氢脆腐蚀、疲劳腐蚀、晶间腐蚀、缝隙腐蚀和磨损腐蚀[31]。普通混凝土结构中的钢筋锈蚀一般为自然电化学腐蚀和杂散电流腐蚀这两类;然而对于预应力混凝土结构,由于高张拉力的作用,应力腐蚀或氢脆腐蚀都有可能发生[32]。根据目前的研究成果,预应力混凝土中钢绞线的腐蚀类型一般为电化学腐蚀,而电化学腐蚀最严重、最常见的为坑蚀[33-35]。
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2.2 钢绞线腐蚀程度等级评定
普通钢筋的腐蚀指标是以腐蚀率(截面积损失率)表示,根据腐蚀率的不同将普通钢筋进行腐蚀程度分类。同样地,预应力钢绞线的腐蚀指标是以腐蚀率表示,因此,钢绞线腐蚀程度等级评定分类的依据也是截面腐蚀率。我国推荐使用的《公路桥涵养护规范》(JTG H11-2004)[58]中桥梁技术状况评定等级标准的承载能力可以作为预应力钢绞线腐蚀等级评定的分类标准。在预应力混凝土梁桥中,普通钢筋一般作为构造钢筋,不承担梁体的承载能力;预应力钢绞线作为主要的受拉构件,对抗弯承载力起着决定性的作用。规范中关于桥梁技术状况评定等级的具体内容已列出,如下表 2.1 所示.T 梁桥承载力不仅与钢绞线的腐蚀有关,还与钢绞线的布筋位置、翼缘板的宽度和混凝土的强度有关。但通过对实际梁体的分析我们可以知道,钢绞线腐蚀对弯矩承载力公式中的偏心距影响较小。这是因为在钢绞线腐蚀的初、中期,腐蚀量还比较小,对于受压区混凝土高度的改变也较小,再将该微小变化代入偏心距之后就会显得更小,因此可以认为偏心距不变;在钢绞线腐蚀的中、后期,钢绞线由于极限延伸率的大幅下降,会出现脆断现象,对于受压区混凝土来说也来不及出现比较大的高度变化,从而也可认为偏心距不变。最终就可得出梁体抗弯承载力和钢绞线承载力成比例关系,抗弯承载力的下降可以直接考虑为钢绞线承载力的下降。
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第三章 腐蚀钢绞线预应力混凝土梁性能试验研究......24
3.1 引言............24
3.2 试件概况....24
3.2.1 试件设计与制作....24
3.2.2 试验材料性能........27
3.2.3 预应力筋的张拉....28
3.2.4 钢绞线的加速腐蚀...........29
3.3 测点布置....30
3.4 试验过程....31
3.4.1 加载设备.....31
3.4.2 加载制度.....32
3.4.3 控制点确定............34
3.5 静载试验结果及分析......34
3.6 本章小结....41
第四章 有限元模拟仿真分析研究.............43
4.1 引言............43
4.2 模型分析和材料属性......44
4.3 腐蚀预应力梁几何模型的建立............48
4.4 有限元计算及结果对比分析.....50
4.5 本章小结....56
第五章 预应力混凝土梁桥承载力的时变可靠度分析.............57
5.1 引言............57
5.2 结构可靠度理论..............57
5.3 时变可靠度模型分析.......61
5.4 承载力时变可靠度实例分析.....65
5.5 本章小结....73
 
第五章 预应力混凝土梁桥承载力的时变可靠度分析
 
5.1 引言
在服役期间的预应力混凝土梁桥面对许多存在因素,且存在因素大多是不确定性的,如随机的荷载、非线性的结构损伤、不确定的抗力衰减、无法准确赋值的结构参数、人为因素或人工活动的影响、边界条件的改变等,在以上这些不确定性的因素条件下对桥梁进行安全评估,将会变得十分复杂。如何既全面的对结构进行评估,又能够达到评估的目的,且评估方法和过程简单易行,成为目前的一个研究方向。面对评估过程的复杂性,在役混凝土梁桥评估的特点有如下几点:1、不确定性,在役混凝土梁桥评估的不确定性包括结构行为不确定、荷载效应不确定和所处环境不确定;2、时间约束性,需要进行评估的结构大多是已经服役一段时间之后的梁桥,评估得到的预定使用期必须是从结构已使用之后的当前时间节点到结构期望寿命之间的时间,且荷载效应的评估也是对该期间进行荷载预测;3、实际性,在梁桥的评估过程中需要进行桥梁结构的分析,结构的分析就包括抗力衰减和结构损伤等,不同的桥梁对于衰减和损伤是必然不同的,这就需要考虑其实际情况进行针对分析[70-72]。在桥梁结构的后续期望服役期间,对结构能否完成预定功能的能力进行研究,属于时变可靠度的分析问题。桥梁结构的预定功能包括承载能力时变可靠度、挠度时变可靠度、剩余寿命时变可靠度等,本章仅仅针对预应力钢绞线混凝土梁桥进行承载能力时变可靠度进行分析。
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结论
 
由于近年来耐久性问题的日益突出,国内外很多学者将目光都投向了构件和材料耐久性问题的研究。预应力钢绞线腐蚀作为影响预应力混凝土构件耐久性的主要因素之一,对预应力混凝土结构的力学性能(包括静力性能和疲劳性能)都会产生非常重要的影响,甚至起着决定性的作用。本文在已有研究的基础上,对钢绞线的腐蚀程度进行了评定,并通过对腐蚀钢绞线的预应力混凝土梁桥进行了一系列的静力荷载试验,主要得出了如下结论:
1、随着钢绞线腐蚀率的增大,预应力混凝土试验梁的承载能力和延性指标均出现了降低,由于钢绞线及梁体的延性降低,梁体的破坏形态也由延性破坏向脆性破坏发展转变。
2、在预应力钢绞线不同腐蚀情况下,梁体的抗裂能力相差不大,说明钢绞线的局部腐蚀对预应力损失影响较小;但随腐蚀率的增加,梁体破坏荷载状况程较快下降趋势,腐蚀率为 12%的试验梁对于未腐蚀梁其下降率高达 45%,则预应力钢绞线的腐蚀主要影响梁体极限承载能力;且钢绞线腐蚀对开裂前梁内普通钢筋的应力影响较微弱,对开裂后的影响也较有限。
3、试件的截面变形在开裂前后应变基本呈线性关系,大致遵循平截面假定,但是开裂后截面的中和轴上升趋势较明显;当裂缝开展完全后,跨中截面的平截面假定同样适用,只是在开裂位置和未开裂位置出现比较大的应变差值。
4、借助有限元软件建立不同腐蚀程度的钢绞线预应力混凝土梁有限元模型得到的计算行为与试验过程得到的受力行为规律大体上是一致的,我们可以认为采用本文的本构关系及单元处理具有合理性,且利用 FEA 建立模型进行非线性分析是科学可行的。因此进行桥梁评估时可以借助于非线性分析结果,对实际评估进行指导。
5、通过对实际某桥梁进行可靠度分析,计算得到荷载效应和结构抗力的均值和标准差,由此进一步得出 T 梁抗弯承载力的可靠度指标 Z,最后对可靠度变化规律进行了分析总结,得出了钢绞线失效腐蚀率和桥梁寿命。
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参考文献(略)
(责任编辑:gufeng)
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