在役混凝土箱梁橋時變承載力的分析理論及試驗(yàn)研究結(jié)題摘要

基于全壽命周期理論，對在役混凝土橋梁的性能劣化機(jī)理展開了研究，提出了基于荷載影響因子和氯離子結(jié)合能力的兩種因素耦合的氯離子擴(kuò)散的修正模型，與傳統(tǒng)的考慮單一因素的氯離子擴(kuò)散模型相比，修正的氯離子擴(kuò)散模型更貼近混凝土橋梁的實(shí)際，更加合理，在此基礎(chǔ)上，進(jìn)一步研究提出了考慮荷載影響因子和氯離子結(jié)合能力的兩種因素的鋼筋銹蝕模型，并用于橋梁各構(gòu)件的時變可靠度與失效概率和剩余使用壽命的預(yù)測；同時，基于空間非規(guī)則單元元胞自動機(jī)研究，提出了一種新的氯離子在混凝土內(nèi)擴(kuò)散的算法模型，它能考慮濃度梯度引起的擴(kuò)散和壓力梯度引起的滲透及兩者協(xié)同作用。考慮服役過程中荷載—環(huán)境的相互作用，提出了銹蝕鋼筋的名義彈性模量和銹蝕系數(shù)以反映鋼筋在銹蝕過程中的變形特征，研究給出了荷載—環(huán)境耦合效應(yīng)分析的數(shù)學(xué)模型，推導(dǎo)了混凝土分離式和組合式兩種模型中的耦合分析的有限元方程，采用Fortran語言編程實(shí)現(xiàn)和嵌入上述模型，并給出了計(jì)算實(shí)例進(jìn)行驗(yàn)證。本研究還從理論、試驗(yàn)和數(shù)值分析的角度，對鋼筋混凝土箱梁的復(fù)合受力特性進(jìn)行探索，提出了基于桁架模型的復(fù)合受力鋼筋混凝土箱梁構(gòu)件迭代配筋設(shè)計(jì)方法，并給出了詳細(xì)的計(jì)算流程；同時，進(jìn)行了鋼筋混凝土雙跨連續(xù)箱梁復(fù)合受力模型試驗(yàn)及理論分析研究，提出了適用于鋼筋混凝土箱梁復(fù)合受力全過程分析的改進(jìn)板-桁模型，并基于所提出的理論編制了計(jì)算程序，同時對考慮鋼筋-混凝土界面粘結(jié)滑移性能混凝土箱梁結(jié)構(gòu)的裂縫和時變極限承載力進(jìn)行了應(yīng)用研究和預(yù)測。 2100433B

混凝土箱梁橋，一方面其構(gòu)成的混凝土材料和鋼筋的性能隨著時間、環(huán)境等會發(fā)生性能退化，其使用性能和承載力會隨之降低；另一方面，箱梁橋的受力十分復(fù)雜，以往基于平面桿系理論的抗彎剪強(qiáng)度設(shè)計(jì)方法存在有很大的局限性，易造成結(jié)構(gòu)的彎扭開裂，嚴(yán)重時出現(xiàn)抗彎扭強(qiáng)度不足的倒塌破壞。本課題從箱梁結(jié)構(gòu)三維空間的層面，考慮其混凝土和鋼筋性能退化的規(guī)律及數(shù)學(xué)模型，基于非線性分析理論，研究這類箱梁橋結(jié)構(gòu)的時變承載力分析理論，并進(jìn)行試驗(yàn)研究，驗(yàn)證混凝土箱梁橋結(jié)構(gòu)時變承載力及其破壞模式，揭示混凝土箱梁橋不同受力狀態(tài)的承載機(jī)理，研究提出一套適用箱梁橋彎扭設(shè)計(jì)的實(shí)用設(shè)計(jì)方法。

本課題以我國近海在役橋梁全壽命周期內(nèi)面臨的耐久性損傷及地震安全問題為背景，以RC橋梁為研究對象，通過近海腐蝕環(huán)境的模擬，考慮混凝土碳化與氯離子侵蝕的耦合作用，分析橋梁時變耐久性損傷對其抗震性能的影響，提取定量表征近海RC橋梁抗震性能演化的序參量，研究服役年限及近海環(huán)境作用與宏觀抗震性能的邏輯關(guān)聯(lián)，分析近海在役RC橋梁的時變地震易損性。創(chuàng)新點(diǎn)主要在于建立近海橋梁耐久性損傷RC材料力學(xué)性能時變模型；確定近海在役橋梁耐久性損傷分析邊界條件，研究近海橋梁全壽命周期內(nèi)抗震性能演化過程及時變規(guī)律；建立全壽命周期內(nèi)近海RC橋梁在主余震及多次地震作用下的時變地震易損性模型。最后以某在役近海長聯(lián)RC橋梁為例，根據(jù)服役年限及耐久性損傷，構(gòu)造主余震及多次地震序列，研究不同服役階段橋梁時變地震易損性及其魯棒性的強(qiáng)弱，從而為全壽命周期內(nèi)近海在役橋梁地震風(fēng)險(xiǎn)評估提供理論依據(jù)。

隨著我國經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展，近海交通運(yùn)輸建設(shè)規(guī)模不斷擴(kuò)大，近海橋梁數(shù)量不斷增多。對于近海橋梁，全壽命周期內(nèi)更為突出的問題是其處于海腐蝕環(huán)境的同時又在地震多發(fā)帶。本課題以我國近海在役橋梁全壽命周期內(nèi)面臨的耐久性損傷及地震安全問題為背景，以鋼筋混凝土橋梁為對象，研究了近海耐久性損傷橋梁時變易損性。本項(xiàng)目基于不同荷載模式下銹蝕鋼筋力學(xué)性能試驗(yàn)，分析了單調(diào)拉伸荷載、低周反復(fù)荷載作用下銹蝕鋼筋的力學(xué)性能，對銹蝕鋼筋力學(xué)性能在不同荷載模式下退化程度進(jìn)行了對比研究，并給出了銹蝕鋼筋力學(xué)性能退化計(jì)算模型。通過碳化混凝土棱柱體試件單調(diào)及反復(fù)荷載試驗(yàn)，得到各試件應(yīng)力應(yīng)變曲線及骨架曲線，考慮到碳化混凝土構(gòu)件的截面尺寸效應(yīng)，從混凝土碳化率的角度對比分析了單調(diào)及反復(fù)荷載下碳化對試件力學(xué)性能的影響，并給出了碳化混凝土力學(xué)性能退化計(jì)算模型。建立近海橋梁精細(xì)化有限元模型，通過的銹蝕鋼筋混凝土橋墩試件抗震性能試驗(yàn)驗(yàn)證有限元模型的有效性，分析了不同服役期內(nèi)橋墩抗震性能的演化過程。考慮混凝土碳化與氯離子侵蝕的耦合作用，通過模擬近海腐蝕環(huán)境，進(jìn)行了近海環(huán)境下鋼筋混凝土材料力學(xué)性能的退化過程的時變性分析。確定近海在役橋梁耐久性損傷分析邊界條件，考慮橋梁全壽命周期內(nèi)地震作用的時變性，采用時變地震易損性分析方法研究了近海橋梁全壽命周期內(nèi)抗震性能演化過程及時變規(guī)律。建立了全壽命周期內(nèi)近海RC橋梁在主余震及多次地震作用下的時變地震易損性模型，根據(jù)服役年限及耐久性損傷，構(gòu)造主余震及多次地震序列，研究不同服役階段橋梁時變地震易損性?；诶碚撘讚p性、可靠度理論以及構(gòu)件的概念移除法提出了一種適用于全壽命周期內(nèi)算例橋型的抗倒塌分析方法, 并進(jìn)行了基于時變易損性的近海橋梁主余震作用下的魯棒性分析,從而為全壽命周期內(nèi)近海在役橋梁地震風(fēng)險(xiǎn)評估提供理論依據(jù)。 2100433B

本中心旨在搭建研究平臺，在在役橋梁結(jié)構(gòu)分析，結(jié)構(gòu)安全的靜動態(tài)評價、損傷評估、耐久性分析設(shè)計(jì)、承載力分析預(yù)測、時變可靠度分析預(yù)測、穩(wěn)定分析，橋梁加固理論、方法及工程實(shí)踐等方面進(jìn)行研究，推動在役橋梁結(jié)構(gòu)研究的發(fā)展。