在役混凝土箱梁橋時變承載力的分析理論及試驗研究項目摘要

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雜，以往基于平面桿系理論的抗彎剪強度設(shè)計方法存在有很大的局限性，易造成結(jié)構(gòu)的彎扭開裂，嚴重時出現(xiàn)抗彎扭強度不足的倒塌破壞。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，并進行試驗研究，驗證混凝土箱梁橋結(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)的承載機理，研究提出一套適用箱梁橋彎扭設(shè)計的實用設(shè)計方法。

基于全壽命周期理論，對在役混凝土橋梁的性能劣化機理展開了研究，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散的修正模型，與傳統(tǒng)的考慮單一因素的氯離子擴散模型相比，修正的氯離子擴散模型更貼近混凝土橋梁的實際，更加合理，在此基礎(chǔ)上，進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測；同時，基于空間非規(guī)則單元元胞自動機研究，提出了一種新的氯離子在混凝土內(nèi)擴散的算法模型，它能考慮濃度梯度引起的擴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)學模型，推導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語言編程實現(xiàn)和嵌入上述模型，并給出了計算實例進行驗證。本研究還從理論、試驗和數(shù)值分析的角度，對鋼筋混凝土箱梁的復合受力特性進行探索，提出了基于桁架模型的復合受力鋼筋混凝土箱梁構(gòu)件迭代配筋設(shè)計方法，并給出了詳細的計算流程；同時，進行了鋼筋混凝土雙跨連續(xù)箱梁復合受力模型試驗及理論分析研究，提出了適用于鋼筋混凝土箱梁復合受力全過程分析的改進板-桁模型，并基于所提出的理論編制了計算程序，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行了應(yīng)用研究和預測。 2100433B

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)新點主要在于建立近海橋梁耐久性損傷RC材料力學性能時變模型；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弱，從而為全壽命周期內(nèi)近海在役橋梁地震風險評估提供理論依據(jù)。

隨著我國經(jīng)濟快速發(fā)展，近海交通運輸建設(shè)規(guī)模不斷擴大，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。本項目基于不同荷載模式下銹蝕鋼筋力學性能試驗，分析了單調(diào)拉伸荷載、低周反復荷載作用下銹蝕鋼筋的力學性能，對銹蝕鋼筋力學性能在不同荷載模式下退化程度進行了對比研究，并給出了銹蝕鋼筋力學性能退化計算模型。通過碳化混凝土棱柱體試件單調(diào)及反復荷載試驗，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)及反復荷載下碳化對試件力學性能的影響，并給出了碳化混凝土力學性能退化計算模型。建立近海橋梁精細化有限元模型，通過的銹蝕鋼筋混凝土橋墩試件抗震性能試驗驗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，進行了近海環(huán)境下鋼筋混凝土材料力學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險評估提供理論依據(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、承載力分析預測、時變可靠度分析預測、穩(wěn)定分析，橋梁加固理論、方法及工程實踐等方面進行研究，推動在役橋梁結(jié)構(gòu)研究的發(fā)展。