基於機率的鏽蝕鋼筋混凝土梁時變抗力研究

《基於機率的鏽蝕鋼筋混凝土梁時變抗力研究》是依託同濟大學，由張偉平擔任項目負責人的面上項目。

基本介紹

• 中文名：基於機率的鏽蝕鋼筋混凝土梁時變抗力研究
• 項目類別：面上項目
• 項目負責人：張偉平
• 依託單位：同濟大學

中文摘要

採用三維雷射掃描技術獲取加速鏽蝕鋼筋和自然鏽蝕鋼筋的高精度三維實體模型，運用圖像分析軟體提取不同位置的橫截面積信息；考慮鋼筋直徑、截斷長度、鏽蝕率和荷載等因素，運用極值統計分析方法建立鏽蝕鋼筋橫截面積的時變機率分布模型。在已有鏽蝕鋼筋力學性能資料庫的基礎上，補充鏽蝕鋼筋的物理拉伸試驗；並利用相應的三維實體模型，採用有限元軟體進行數值拉伸試驗，研究截斷位置和鋼筋長度對鏽蝕鋼筋力學性能的影響，探索銹後鋼筋力學性能變異性的變化規律；建立基於最小截面的鏽蝕鋼筋隨機本構關係。採用計算機隨機模擬方法，考慮銹後鋼筋橫截面積沿縱向的不均勻性以及橫截面積、力學性能均值和變異性變化的影響，建立鏽蝕鋼筋混凝土梁抗力的時變機率分布模型並用於時變可靠性分析，為服役結構全壽命設計理論的發展奠定基礎。最後，從鏽蝕鋼筋的幾何特徵、力學性能及鏽蝕鋼筋混凝土梁的時變抗力和可靠性等多方面，探索加速鏽蝕與自然鏽蝕之間的相似性。

結題摘要

鋼筋鏽蝕是混凝土結構耐久性失效的主要原因。鏽蝕後鋼筋橫截面積減小、力學性能退化，鋼筋與混凝土間的粘結性能削弱甚至喪失，最終導致鏽蝕構件承載能力降低甚至失效。傳統可靠度理論在可靠性分析時將荷載及其效應的隨機過程看作隨機變數，並假定結構抗力在正常設計、正常施工和正常維護條件下不隨時間變化。因此，既有建築結構可靠性評定時應當引入時間參數，考慮抗力隨時間的變化，發展更精確的時變可靠性分析方法。鏽蝕鋼筋混凝土構件的時變抗力分析關鍵在於認識並考慮鋼筋鏽蝕對材料性能、幾何參數及計算模式的影響。 項目首先基於二次槓桿作用，開發了一套受彎構件的持續載入裝置，用於獲取荷載與鏽蝕同時作用下的鏽蝕鋼筋。採用三維雷射掃描技術獲取鏽蝕鋼筋的三維實體模型，提取不同位置處橫截面積分析其縱向不均勻性。為方便工程套用，提出採用鏽蝕鋼筋平均截面積與最小截面積之比R衡量其縱向分布的不均勻性。統計分析表明，R服從Gumbel極值分布，且隨著鋼筋鏽蝕的發展，其橫截面積分布越不均勻，R值的均值和均方差增大。在此基礎上，進一步採用極值統計理論，建立了鏽蝕鋼筋R值的機率分布模型。 鏽蝕鋼筋拉伸試驗結果發現，隨著鋼筋鏽蝕的發展，名義屈服強度、極限強度和極限應變降低，屈服平台縮短，據此建立了鏽蝕鋼筋的確定性本構關係。經過統計分析發現，不同鏽蝕率下的鏽蝕鋼筋力學性能服從常態分配，其變異係數隨著鏽蝕率的增加而增大，在此基礎上建立了鏽蝕鋼筋力學性能退化的機率模型，最終把確定性的鏽蝕鋼筋應力-應變模型發展為鏽蝕鋼筋應力-應變關係的隨機模型。 引入鏽蝕後鋼筋截面積的機率分布模型和本構關係，發展了鏽蝕梁的時變可靠性分析方法。將鏽蝕梁看作N個單元組成的串聯體系，引入鏽蝕速率模型，利用R的機率分布模型，採用蒙特卡羅法模擬獲得每個單元對應的最小截面，計算並比較相應的荷載效應和抗彎承載能力，最終獲得鏽蝕梁的時變可靠性。計算結果表明，時變可靠性分析時單元長度應該取150mm，且考慮鏽蝕鋼筋橫截面積的縱向不均勻性，其失效機率可能高達不考慮情況下的3倍，不容忽視。另外，在配筋率相同的情況下，鋼筋直徑越大，鏽蝕梁的時變可靠性越高。