钢筋混凝土结构损伤演化及预后分析方法研究

摘要

钢筋混凝土结构在国民经济及日常生活中起着举足轻重的作用，大量的中小型桥梁的主体部分均为钢筋混凝土梁。在这些钢筋混凝土桥梁的结构设计与分析中，能否对钢筋混凝土梁进行准确分析是基于桥梁性能进行结构设计和保障桥梁安全服役的关键。这些桥梁在运营过程中，由于设计、施工问题及材料本身随时间的劣化、环境腐蚀等因素的影响，不可避免的会产生损伤;同时，随着我国经济的发展，不少桥梁存在着设计等级偏低等的安全问题。因此，对钢筋混凝土桥梁的安全使用寿命进行分析，发展钢筋混凝土桥梁的预后分析方法，不仅可以方便桥梁管理者的管理，而且便于工程师们对桥梁的病害做到预知与防治。
　　围绕上述钢筋混凝土结构工程中的问题，本文主要进行了以下研究:
　　1）重点考虑了钢筋混凝土梁受拉区混凝土的抗拉能力及其损伤演化特性，同时考虑了钢筋混凝土梁中钢筋与混凝土的物理非均质性，建立了钢筋混凝土梁的新的结构分析模型。其中混凝土的损伤演化特性通过Mazars提出的损伤模型进行模拟，钢筋和混凝土的非均质性通过采用层合梁理论将钢筋等效为钢筋层来考虑。基于新的钢筋混凝土梁的结构分析模型，详细推导了钢筋混凝土梁的弯曲变形过程中中和轴位置随荷载的变化、钢筋混凝土梁挠度以及钢筋混凝土梁截面应力变化的解析表达式，建立了新的钢筋混凝土梁的解析分析理论;
　　2）建立了钢筋混凝土桥梁损伤分析的有限元模型，结合桥梁结构健康监测数据和结构损伤有限元分析模型，对钢筋混凝土桥梁在实测交通荷载和预估交通流量增长等因素作用下的损伤累积状态进行了预后分析;
　　3）为了对钢筋混凝土桥梁进行更加准确的服役寿命分析，建立能够反映钢筋混凝土桥梁寿命衰减机理的寿命分析模型，本文研究了混凝土收缩以及荷载长期效应对桥梁结构损伤演化和服役寿命的影响，重点考虑了混凝土损伤演化过程中拉应力的作用及其对寿命的影响，对现有的钢筋混凝土梁的挠度计算公式进行修正，建立了新型的钢筋混凝土梁的挠度计算公式。在该挠度计算公式的基础上，获得了钢筋混凝土梁的寿命分析模型。最后，运用上述所建理论，以某大桥为工程背景，建立了该钢筋混凝土桥用于损伤预后分析的有限元模型，重点研究了C55混凝土损伤塑性模型中的参数设置和钢筋的优化布设;研究了该钢筋混凝土桥梁结构的安全服役性能，预测了其服役寿命。
　　本文的研究结果表明:
　　1）所建立的钢筋混凝土梁理论能够较准确地描述钢筋混凝土梁服役过程中的损伤和弯曲变形过程，并能进行钢筋混凝土梁的优化布筋设计和安全服役分析，从而消除钢筋混凝土梁安全服役的隐患;
　　2）在钢筋混凝土桥梁的正常运营环境中，交通流量作为桥梁结构产生损伤累积的主要原因，其在未来服役期内的增长会加速结构的损伤累积，因此，在钢筋混凝土桥梁的损伤预后分析中，考虑交通流量的增长与模型的更新是十分必要的;在桥梁的损伤分析中，昼夜温差以及季节性温度的变化虽对桥梁的损伤累积过程有显著的影响，但在桥梁未来长期服役过程中，气候变暖所引起的钢筋混凝土桥梁的损伤累积的变化较小;因此，在钢筋混凝土桥梁损伤预后分析中，气候变暖导致的环境温度改变对损伤累积的影响可忽略不计;
　　3）本文发展的修正的钢筋混凝土梁挠度计算公式能够较准确的计算钢筋混凝土梁在长期服役荷载下的任意时刻的挠度值，所建立的钢筋混凝土梁的寿命分析模型能方便的得到梁的安全服役寿命，并具有一定程度的可靠性。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 研究背景和意义

1．2 相关领域的研究现状

1．2．1 钢筋混凝土梁理论

1．2．2 钢筋混凝土梁损伤演化分析模型

1．2．3 钢筋混凝土桥梁损伤预后分析方法

1．2．4 钢筋混凝土桥梁剩余使用寿命预测

1．2．5 钢筋混凝土桥梁主要构件的剩余承载力预测

1．3 本文的主要工作

第二章 考虑混凝土损伤性能与非均质的钢筋混凝土梁理论

2．1 钢筋混凝土梁非均质损伤分析模型

2．1．1 建模中采用的基本假设与受力机理

2．1．2 本构关系

2．2 考虑混凝土拉伸区损伤性能与非均质的钢筋混凝土梁理论

2．2．1 梁截面上的应力分布与中和轴位置

2．2．2 梁的极限弯矩与最大挠度

2．3 算例分析与模型验证

2．4 本章小结

第三章 钢筋混凝土桥梁损伤预后分析方法研究

3．1 钢筋混凝土桥梁损伤预后分析方法概述

3．2 用于损伤预后的混凝土非线性本构模型

3．3 运营荷载作用下的钢筋混凝土桥梁预后分析方法

3．3．1 几何模型描述

3．3．2 混凝土损伤塑性模型参数的确定

3．3．3 运营荷载作用下钢筋混凝土桥梁的损伤预后分析

3．4 本章小结

第四章 在钢筋混凝土桥梁的设计与工程中的应用

4．1 钢筋混凝土桥梁交通荷载模拟

4．2 钢筋混凝土桥梁优化布筋与安全性设计分析

4．2．1 钢筋混凝土试验梁优化布筋

4．2．2 某大桥优化布筋

4．2．3 钢筋混凝土桥梁安全性设计分析

4．3 钢筋混凝土桥梁使用寿命分析

4．3．1 考虑混凝土损伤的钢筋混凝土梁寿命分析

4．3．2 某大桥使用寿命分析

4．4 本章小结

第五章 总结与展望

5．1 本文完成的工作及主要成果

5．2 后续工作展望

参考文献

致谢

攻读硕士期间撰写与发表的论文