循环荷载作用下劣化桩基础承载能力分析

摘要

钢筋混凝土桩基础作为建筑物重要承载构件，其承载能力直接影响建筑物稳定。钢筋混凝土构件在服役过程中，由于受到所处自然环境和长期循环荷载的作用，会逐渐呈现出材料劣化现象。主要表现为钢筋锈蚀和钢筋-砼界面粘结性能的弱化，这两种因素的共同作用将直接影响结构的正常使用和承载能力弱化。本文结合实际工程检测数据和有限元数值模拟分析，对内河环境下钢筋混凝土构件强度劣化进行了系统的研究。进行的主要工作和取得的成果有以下几点:
　　(1)结合现场调研、理论分析及码头工程检测，研究了内河环境下钢筋混凝土构件强度劣化规律及影响因素。结果表明:内河环境下钢筋混凝土劣化主要表现在混凝土开裂与碳化，箍筋外露锈蚀，主筋锈蚀周围常见混凝土锈胀开裂;影响内河环境下构件劣化的主要因素为混凝土碳化导致的钢筋锈蚀以及循环荷载引起的钢筋-砼界面强度退化，海洋环境中的Cl-侵蚀导致的钢筋腐蚀作用微弱;混凝土的保护层厚度和碳化深度，是决定钢筋锈蚀程度最主要因素。
　　(2)考虑锈胀开裂前后钢筋锈蚀速率的差异性，建立了适用于内河环境的钢筋锈蚀量预测数学模型。引入极限粘结强度降低系数，描述了锈蚀导致的钢筋-砼界面粘结强度退化与锈蚀率的关系，建立了锈蚀率与粘结性能参数的关系;分别考虑锈蚀及循环荷载引起的粘结强度弱化，建立了界面间粘结力与锈蚀率、循环荷载次数、滑移量的函数关系，得到了循环荷载作用下锈蚀钢筋混凝土界面粘结滑移模型。
　　(3)基于锈蚀率与钢筋-混凝土界面粘结强度退化模型，开展了锈蚀钢筋混凝土桩的数值模拟分析。结果表明:随着锈蚀率的增大，钢筋与混凝土应变值相差变大，钢筋和混凝土协同工作能力降低;钢筋-混凝土界面滑移曲线在混凝土开裂前呈平滑状态，开裂后出现波动，波动幅度与最大滑移值随锈蚀率增大而增大;钢筋锈蚀率低于2.5％时，桩基的承载能力略微增大，增幅为1％，锈蚀率增大，桩基承载能力呈近似线性降低，在锈蚀率达到最大13.1％时承载能力下降6％。
　　(4)基于循环荷载作用下锈蚀钢筋-混凝土界面粘结滑移模型，开展了钢筋混凝土桩的数值模拟分析。结果表明:循环荷载与锈蚀共同作用时，循环荷载次数增加，钢筋与砼之间的相对滑移呈微小增大、迅速增大、趋于平稳的三阶段发展趋势;相对于仅考虑锈蚀引起的构件承载能力退化，循环荷载和锈蚀共同作用时影响更为明显，且承载力随着循环荷载次数的增加下降更快，最大达到18％;同一循环荷载次数不同锈蚀率的条件下，桩基的承载能力变化不大，差值仅在2％～3％左右，表明锈蚀导致的承载力弱化远小于循环荷载对承载能力的弱化。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 研究背景及意义

1．2 国内外研究现状及发展动态

1．2．1 锈蚀钢筋混凝土强度试验研究现状

1．2．2 钢筋-砼界面弱化理论分析及数值模拟研究现状

1．3 本文主要研究内容

第二章 内河钢筋混凝土构件劣化现状及影响因素

2．1 引言

2．2 内河钢筋混凝土构件劣化现状

2．3 内河钢筋混凝土构件劣化影响因素分析

2．3．1 混凝土碳化

2．3．2 钢筋锈蚀

2．3．3 循环荷载作用

2．4 工程实例检测分析

2．4．1 构件外观状况调查

2．4．2 构件裂缝情况检测

2．4．3 构件碳化深度检测

2．4．4 构件锈蚀情况检测

2．4．5 混凝土强度检测

2．5 本章小结

第三章 锈蚀钢筋-混凝土界面弱化模型及有限元建模方法

3．1 引言

3．2 钢筋锈蚀量预测

3．2．1 钢筋锈蚀量预测理论模型

3．2．2 内河环境下钢筋锈蚀量预测

3．3 锈蚀钢筋力学性能分析

3．4 锈蚀钢筋与混凝土粘结性能弱化

3．4．1 未锈蚀钢筋与混凝土粘结滑移关系

3．4．2 锈蚀率对粘结强度的影响

3．4．3 锈蚀率对滑移值的影响

3．5 循环荷载与钢筋锈蚀共同条件下蚪IZl仕eN力退化模型

3．6 考虑粘结滑移的钢筋混凝土有限元建模方法

3．6．1 混凝土单元模型

3．6．2 钢筋单元模型

3．6．3 粘结滑移单元模型

3．7 有限元建模方法验证

3．8 本章小结

4．1 引言

4．2 有限元模型建立

4．3 有限元计算结果分析

4．3．1 构件变形和应力分析

4．3．2 钢筋的荷载应力曲线

4．3．3 混凝土裂缝发展分析

4．3．4 不同锈蚀率下桩顶荷载位移曲线

4．3．5 不同锈蚀率下钢筋与混凝土相对滑移分析

4．3．6 锈蚀率对混凝土-钢筋应变协调的影响

4．3．7 不同锈蚀率对构件承载力影响分析

4．4 本章小结

第五章 循环荷载作用下劣化桩基础数值模拟分析

5．1 引言

5．2 不同循环次数下荷载位移曲线

5．3 不同循环次数对钢筋混凝土相对滑移影响分析

5．4 不同循环次数对构件承载力影响分析

5．5 本章小结

第六章 结论与展望

6．1 主要结论

6．2 展望

致谢

参考文献

在校期间发表的论文及取得的学术成果