负载锈蚀钢筋混凝土梁损伤特征及其抗力性能研究

摘要

钢筋混凝土结构在服役过程中常因耐久性问题而提前失效，针对此类问题的研究国内外学者已做了大量工作，但多基于单因素作用或未将荷载作用考虑在内，与实际工程中混凝土结构所处环境多有不符。位于沿海或寒区等恶劣环境下的混凝土结构在其服役过程中除受到荷载作用外，常经受冻融循环和钢筋锈蚀等作用，为充分应对多因素耦合作用对混凝土结构的影响，明确其劣化特征及抗力性能，需开展盐冻、荷载及钢筋锈蚀等多因素耦合作用下混凝土结构耐久性的研究。
　　为此，本文首先考虑到钢筋混凝土构件在实验室内加速劣化与自然环境下的损伤可能存在差异，探究了钢筋混凝土梁通电锈蚀与自然锈蚀的相似性，提出了较为合理的加速锈蚀方法。基于此，并利用课题组发明的混凝土梁反力加载试验装置，分别进行了常温及寒冷环境下混凝土梁在负载、盐冻及钢筋锈蚀等多因素耦合作用下的劣化特征和抗力性能研究。具体而言，主要展开的工作及所获结论如下：
　　1）试验研究了箍筋配置与否、箍筋与纵筋是否绝缘以及负极布置位置对钢筋混凝土梁通电锈蚀特征的影响。结果表明：完好梁箍筋对与其相交处纵筋有阻锈作用，而箍筋与纵筋绝缘梁则无此现象；不同锈蚀方式下试验梁首条锈胀裂缝均处于梁顶受拉区，负极位于梁顶锈蚀效率较高，但锈蚀物不能充分氧化，呈墨绿色；结合自然锈蚀梁的锈蚀特征提出了较为合理的混凝土梁通电锈蚀方法。
　　2）基于前述建立的锈蚀方法，研究了室温下不同负载水平和持荷时间钢筋混凝土梁的锈蚀特征。结果表明：混凝土梁的钢筋骨架中箍筋锈蚀最严重，其次是纵向受拉筋，受压纵筋锈蚀最轻微，箍筋平均锈蚀率是纵向受拉筋的2~3.4倍；负载对受拉纵筋平均锈蚀率无明显影响，但会显著影响其锈蚀不均匀程度，使纵筋表面锈坑、锈疤增多，荷载效应不同造成钢筋保护层的电阻分布及阻值大小差异是导致梁锈蚀形态随持荷水平而变化的本质原因。
　　3）借助步入式人工环境试验箱模拟冻融交变环境，研究了寒区盐冻负载锈蚀耦合作用下的混凝土梁的劣化特性。提出了基于模态测试分析的方法评定钢筋混凝土构件冻融损伤程度的评价方法，分析了负载对混凝土梁冻融损伤的影响及冻融损伤对混凝土梁通电锈蚀特征的影响，结果表明：试验梁二阶固有频率的变化能较好反映冻融损伤状况，负载作用加剧了混凝土梁的冻融损伤，多因素耦合作用下的损伤程度明显大于单因素作用情况；冻融环境下，钢筋锈蚀效率降低，但冻融损伤过后的常温状态，钢筋腐蚀速率加快。
　　4）基于试验结果，研究了不同负载水平及锈蚀程度梁的抗弯承载力和变形性能，详细分析了连续负载期间混凝土梁的变形特征及整个加载过程中钢筋混凝土梁粘结性能的退化情况。结果表明：受拉纵筋锚固完好梁在相同锈蚀时间下，负载梁极限承载力略高于不负载梁，负载历史对其抗弯刚度有一定影响，负载作用结束后继续加载初期，其刚度有2.23~6.77倍的增加；在计算梁正截面承载力时，无需考虑钢筋混凝土协同工作系数，而且对于配筋率较高的低锈蚀率（<6％）梁，甚至可以忽略钢筋有效面积的减小，仍按完好梁估算。
　　5）通过试验和数值仿真对无粘结梁抗力性能进行了研究，进一步探究了锈蚀、冻融及其耦合作用条件下，钢筋混凝土梁受拉区粘结作用失效后，对其抗力性能的影响。分析了无粘结区的长度及其分布位置对混凝土梁破坏特征、正载面承载力及变形性能的影响。结果表明：当无粘结区分布于试验梁中部（沿跨中对称，包含纯弯段）时，随无粘结长度的增加，试验梁极限承载力增加，但抗弯刚度有所降低；当无粘结区分布于弯剪段时，极限承载力变化不明显，但抗弯刚度有所降低，随无粘结区分布长度增大，抗弯刚度降低幅度增大，且无粘结区分布于纯弯段范围内越少，抗弯刚度降低幅度越大；在受拉纵筋锚固完好的情况下，无粘结梁刚度减小主要是因受拉纵筋平均应变较大所致。
　　6）基于盐冻融环境下负载锈蚀混凝土梁抗力性能的试验结果，探讨了冻融损伤后受拉纵筋粘结性能的退化特性及其变形性能和正截面承载力。结果表明：连续负载期间，冻融循环阶段试验挠度变化较快，冻融损伤程度越大挠度增量越大；因冻融损伤导致的受拉区钢筋混凝土粘结性能损伤致使试验梁受力模式向拉杆拱模式转化，在受拉纵筋两端锚固完好受压区混凝土无损伤的情况下，冻融锈蚀梁极限承载力总体不低于完好梁。

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引言

1绪论

1.1研究背景与意义

1.2国内外研究现状

1.3存在的问题

1.4本文主要研究内容

2混凝土梁加速锈蚀方法的确定

2.1加速锈蚀方法概述

2.2试验设计

2.3试验梁锈蚀特征

2.4锈蚀特征影响因素分析

2.5锈蚀方法的确定

2.6本章小结

3氯盐环境下负载混凝土梁锈损特征

3.1试验设计

3.2不同负载水平梁通电锈蚀特征

3.3负载对试验梁锈蚀特征的影响

3.4本章小结

4盐冻环境下负载锈蚀混凝土梁损伤特征

4.1试验设计

4.2混凝土内温度分布特征

4.3不同负载水平梁冻融锈蚀劣化特征

4.4钢筋混凝土梁损伤特征影响因素分析

4.5本章小结

5氯盐环境下负载锈蚀混凝土梁抗力性能研究

5.1试验及仿真设计

5.2试验梁变形情况及破坏特征

5.3抗弯承载力评估方法研究

5.4挠度的计算与分析

5.5本章小结

6盐冻环境下负载锈蚀混凝土梁抗力性能研究

6.1试验设计

6.2试验梁变形情况及破坏特征

6.3抗弯承载力试验结果与分析

6.4挠度试验结果及分析

6.5受拉区保护层剥落对梁抗力性能的影响

6.6本章小结

7结论及展望

7.1结论

7.2展望

参考文献

附录：攻读硕士学位期间参与科研项目及取得的部分研究成果

致谢