锈蚀钢管混凝土构件时变模型与承载力衰变规律研究

摘要

钢管混凝土是一种力学性能优越的组合材料，借助内填混凝土增强钢管壁的稳定性，同时又借助钢管对混凝土的套箍作用，抑制了混凝土的脆性，提高了混凝土的抗压强度和变形能力。尤其是钢管混凝土拱桥，较好的解决拱桥吊装重量和跨度的矛盾。相对于工程实践，钢管混凝土拱桥的设计理论相对滞后，锈蚀对钢管混凝土构件承载力影响问题就是其中之一。
　　本文依托重庆市自然科学基金计划项目——“锈蚀钢管混凝土构件的时变模型与承载力衰变规律”为题，开展了较为深入的理论与数值分析。
　　根据钢材锈蚀极化曲线的特征，导出均匀锈蚀电流密度表达式;借助Faraday定律建立了锈蚀钢管混凝土构件的锈层深度D与时间的关系;综合考虑环境和锈层结构的影响，确定了锈蚀场强△E和锈层电阻R的取值。在此基础上建立了钢管均匀锈蚀的时变理论模型，提出了均匀锈蚀预测的新方法，所得结果与试验值吻合良好。基于概率统计理论，推导了钢管的点蚀模型，建立了不同时间点与最深锈坑深度之间的关系。基于钢管混凝土极限平衡理论和断裂力学理论，推导了应力锈蚀断裂模型。建立了局部锈蚀钢管的平衡方程，构造应力锈蚀断裂的应力函数，对锈蚀裂纹的应力场、位移场进行了分析，对经典的裂纹起裂判据和裂纹扩展速度进行了修正。
　　针对钢管混凝土的均匀锈蚀，开展了不同锈蚀深度、不同钢管初应力度的承载力分析，结果表明:各构件极限承载力与锈蚀深度呈线性关系，随着锈蚀深度的增大，承载力减小;并且研究了钢管初应力对构件极限承载力的影响。针对钢管混凝土的局部锈蚀，开展了不同锈坑深度、不同锈坑长度的承载力分析和应力分析，结果表明:锈坑会削弱构件的极限承载力;随着锈坑深度、长度的增大，构件极限承载力减小。锈坑深度对局部锈蚀构件的应力场影响也较大。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 问题的提出

1．2 国内外研究现状

1．2．1 钢结构的均匀锈蚀

1．2．2 钢结构的局部锈蚀

1．2．3 钢结构锈蚀速率研究

1．2．4 钢结构锈蚀后材料力学性能研究

1．2．5 钢筋混凝土结构中钢筋锈蚀研究

1．2．6 钢管锈蚀研究

1．3 目前研究存在问题

1．4 本文主要研究内容

第二章 均匀锈蚀钢管的理论时变模型

2．1 钢管均匀锈蚀的控制过程

2．2 基本假定

2．3 公式的推导

2．4 算例

2．5 本章小结

第三章 钢管局部锈蚀时变模型

3．1 钢管的点蚀时变模型

3．1．1 钢管点蚀特征量的选取

3．1．2 锈蚀活性点个数、最深锈坑的深度的经典解

3．1．3 钢管点蚀特征量的时变解

3．2 钢管的应力锈蚀断裂(SCC)模型

3．2．1 应力锈蚀断裂简介

3．2．2 极限平衡理论及线弹性断裂力学方法

3．2．3 钢管应力锈蚀断裂的应力场、位移场的推导

3．2．4 钢管的应力锈蚀断裂的起裂判据

3．2．4 运用断裂力学能量法求解裂纹扩展速度da／dt

3．3 本章小结

第四章 锈蚀钢管混凝土构件承载力衰变规律

4．1 锈蚀后钢管与混凝土的本构关系

4．1．1 锈蚀钢管本构关系

4．1．2 混凝土本构关系

4．2 均匀锈蚀钢管混凝土构件承载力衰变规律

4．2．1 试件的参数

4．2．2 均匀锈蚀钢管混凝土构件的ANSYS有限元模型

4．2．3 均匀锈蚀钢管混凝土构件的极限承载力

4．3 局部锈蚀钢管混凝土构件承载力衰变规律

4．3．1 锈坑的参数

4．3．2 局部锈蚀钢管混凝土构件的有限元模型

4．3．2 局部锈蚀钢管混凝土构件的承载力

4．3．3 局部锈蚀钢管混凝土构件的应力场

4．4 本章小结

第五章 结论与展望

5．1 结论

5．2 有待完善的工作

致谢

参考文献

攻读硕士期间发表的论文及参与科研项目