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氯盐环境钢绞线预应力混凝土结构的腐蚀效应

作　者: 李富民
导　师: 袁迎曙
学　校: 中国矿业大学
专　业: 结构工程
关键词: 预应力混凝土钢绞线腐蚀效应断裂概率模型
分类号: TU378
类　型: 博士论文
年　份: 2008年
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内容摘要

基于力筋腐蚀的预应力混凝土结构耐久性问题日益突出,但相关的研究很少。为此,该论文针对氯盐环境钢绞线预应力混凝土结构的腐蚀效应这一迫切基础问题展开研究。试验研究表明,氯盐环境混凝土内钢绞线具有典型的坑蚀形态,蚀坑几何形状可抽象为棱锥形、椭球形及马鞍形3种;蚀坑几何尺寸统计表明,坑深和坑长的分布具有分形特性,并反映了浅、短、中宽型蚀坑分布较多的特点。基于材料微观结构特征的理论分析和模拟实际条件的长期试验研究表明,氯盐环境下混凝土内钢绞线对阳极溶解型应力腐蚀和氢致开裂型应力腐蚀都不敏感;腐蚀钢绞线钢丝的弯曲疲劳试验表明,其腐蚀疲劳断裂具有典型的各项异性特征。提出了混凝土中钢筋腐蚀机理的新见解:腐蚀的阴阳极过程均主要发生在活化区,腐蚀的主要阻力只是电极的极化阻力。因此,钢筋腐蚀的控制模式包括氧扩散控制和供水条件控制2种。基于腐蚀机理新见解,根据金属腐蚀极化理论和试验测试数据及文献氧扩散系数模型,分别建立了2种控制条件下混凝土内钢筋腐蚀速率的基本理论模型和实用模型。试验结果和模型算例共同表明,正常使用时预应力结构中钢绞线的腐蚀速率比零应力时提高27%左右。静力拉伸试验表明,蚀坑导致钢绞线的脆性增加,最大承拉力和极限平均应变降低;钢绞线钢丝可能出现劈裂式、杯锥式及铣刀式等3种基本断口形式以及它们的组合形式。根据微观电镜扫描和金属断口理论并结合材料微结构特征,提出了腐蚀钢绞线钢丝基于蚀坑处珠光体团位向的微观断裂机制。根据断裂机制提出以Mises总应变作为断裂参量的腐蚀钢绞线的断裂准则。通过拉伸试验配合有限元模拟和数理统计得到腐蚀钢绞线断裂抗力的分布规律及模型;通过对4段腐蚀钢绞线的有限元模拟及数理统计得到腐蚀钢绞线断裂效应的分布规律及模型。在此基础上,借助结构可靠度理论获得了腐蚀钢绞线基于腐蚀率的断裂失效概率模型。试验研究表明,在0～0.7mm的锈胀裂缝范围内,腐蚀钢绞线与混凝土之间的粘结性能未出现明显退化,其中极限粘结强度和粘结刚度还有所提高。试验研究表明,腐蚀预应力混凝土梁发生2种典型的受弯破坏方式,一是传统的适筋破坏,另一是本文提出的断丝破坏;在腐蚀率不大(小于2.87%)的情况下,腐蚀对梁的开裂弯矩、屈服弯矩、极限弯矩、开裂挠度、屈服挠度的影响都不显著,但对极限挠度却产生了明显的影响。提出以《规范》概率极限状态设计实用表达式为依据进行腐蚀钢绞线预应力混凝土梁承载力设计和评估的方法,其中考虑腐蚀引起钢绞线抗拉强度指标概率取值的变化;在前述断裂失效概率模型的基础上,结合混凝土结构裂缝理论推导得到了预应力混凝土梁内腐蚀钢绞线的抗拉强度标准值及设计值模型。

全文目录

致谢  5-7
摘要  7-9
Abstract  9-25
1 文献综述  25-55
  1.1 研究背景与研究意义  25-29
    1.1.1 混凝土结构的耐久性  25-26
    1.1.2 预应力混凝土结构的应用  26
    1.1.3 预应力混凝土结构的耐久性问题  26-29
  1.2 预应力混凝土结构耐久性的研究现状及存在问题  29-51
    1.2.1 耐久性试验技术  29-32
    1.2.2 保护层体系中腐蚀介质的传质行为  32
    1.2.3 预应力钢筋的腐蚀形态特征  32-33
    1.2.4 预应力钢筋的应力腐蚀敏感性  33-38
    1.2.5 钢筋的腐蚀动力学行为及腐蚀速率模型  38-41
    1.2.6 腐蚀预应力钢筋的力学性能  41-45
    1.2.7 腐蚀钢筋的粘结性能  45-46
    1.2.8 腐蚀混凝土受弯构件的受力性能  46-47
    1.2.9 混凝土结构的耐久性评估与设计  47-51
  1.3 本文的研究规划  51-55
    1.3.1 研究策略  51-52
    1.3.2 研究目标  52
    1.3.3 研究内容  52-53
    1.3.4 科学问题  53
    1.3.5 技术路线  53-55
2 氯盐环境混凝土中钢绞线的腐蚀特性  55-94
  2.1 钢绞线的化学成分及微观组织结构  55-62
    2.1.1 化学成分  55-56
    2.1.2 拉拔前的微观组织结构  56-59
    2.1.3 拉拔后的微观组织结构  59-62
  2.2 钢绞线的腐蚀形态特征  62-67
    2.2.1 试验研究方案  62-63
    2.2.2 试验结果  63-65
    2.2.3 机理分析  65-67
  2.3 钢绞线的蚀坑几何形状及分布特征  67-74
    2.3.1 蚀坑几何形状  67-68
    2.3.2 蚀坑分布特征  68-74
  2.4 钢绞线的应力腐蚀敏感性  74-88
    2.4.1 应力腐蚀概述  74-75
    2.4.2 钢绞线的阳极溶解型应力腐蚀敏感性  75-76
    2.4.3 钢绞线的氢致开裂型应力腐蚀敏感性  76-81
    2.4.4 氯盐环境混凝土中钢绞线应力腐蚀敏感性试验研究  81-88
  2.5 钢绞线的腐蚀疲劳断裂特性  88-91
    2.5.1 腐蚀较弱时的疲劳断裂特性  89-90
    2.5.2 腐蚀较强时的疲劳断裂特性  90-91
  2.6 本章小结  91-94
3 氯盐环境混凝土中钢筋（含钢绞线）的腐蚀动力学行为及腐蚀速率模型  94-130
  3.1 试验研究  94-103
    3.1.1 腐蚀电流密度与混凝土电阻的监测结果  95-98
    3.1.2 试验结果分析  98-103
  3.2 混凝土中钢筋的腐蚀动力学行为  103-116
    3.2.1 混凝土中钢筋腐蚀机理的新见解  103-106
    3.2.2 混凝土中钢筋腐蚀的极化动力学方程  106-113
    3.2.3 混凝土中钢筋腐蚀的极化曲线  113-114
    3.2.4 混凝土中钢筋腐蚀速率的控制模式及影响因素  114-116
  3.3 混凝土中钢筋腐蚀速率的基本理论模型  116-120
    3.3.1 基本假定及依据公式  116-117
    3.3.2 依据公式的基本参数确定  117-118
    3.3.3 氧浓差极化控制下腐蚀速率的基本理论模型  118-119
    3.3.4 电化学极化控制下的腐蚀速率基本理论模型  119-120
  3.4 氯盐环境混凝土中变形钢筋及钢绞线的腐蚀速率实用模型  120-127
    3.4.1 氧扩散控制下的实用模型  121-123
    3.4.2 供水条件控制下的实用模型  123-126
    3.4.3 实用模型的应用  126-127
  3.5 本章小结  127-130
4 腐蚀钢绞线的受拉性能及断裂失效概率模型  130-190
  4.1 腐蚀钢绞线静力拉伸试验研究  130-149
    4.1.1 试验研究方案  130-133
    4.1.2 腐蚀钢绞线的静力拉伸曲线  133-139
    4.1.3 腐蚀钢绞线的坑蚀特征、断口特征以及断裂参数  139-143
    4.1.4 腐蚀钢绞线的断裂形态与断裂机制分析  143-148
    4.1.5 腐蚀钢绞线的受拉性能退化分析  148-149
  4.2 腐蚀钢绞线钢丝的断裂准则  149-151
    4.2.1 经典失效准则评介  150
    4.2.2 本文断裂准则——Mises应变准则  150-151
  4.3 腐蚀钢绞线的有限元模拟方法  151-157
    4.3.1 材料属性及本构关系  151-152
    4.3.2 腐蚀钢绞线的几何模型  152-154
    4.3.3 腐蚀钢绞线钢丝间的内力重分布及简化有限元模型  154-157
  4.4 腐蚀钢绞线的断裂抗力分布模型  157-161
    4.4.1 抗力分布模型选定  157-161
    4.4.2 抗力分布模型拟合优度的K-S检验  161
  4.5 腐蚀钢绞线的断裂效应分布模型  161-183
    4.5.1 椭球形和马鞍形蚀坑处断裂效应的回归模型  162-176
    4.5.2 腐蚀钢绞线的断裂效应分布模型  176-183
  4.6 腐蚀钢绞线的断裂失效概率模型  183-186
    4.6.1 断裂效应确定性数据样本对应的失效概率模型  183-184
    4.6.2 断裂效应概率数据样本对应的失效概率模型  184-185
    4.6.3 最终失效概率模型及算例  185-186
  4.7 本章小结  186-190
5 腐蚀钢绞线与混凝土的粘结性能  190-221
  5.1 基于短粘结的短期粘结性能  190-205
    5.1.1 试验研究方案  190-193
    5.1.2 试验现象与分析  193-195
    5.1.3 粘结滑移曲线及分析  195-201
    5.1.4 粘结机理分析  201-203
    5.1.5 粘结滑移设计曲线  203-205
  5.2 基于长粘结的长期粘结蠕变性能  205-214
    5.2.1 试验研究方案  205-210
    5.2.2 试验结果与分析  210-213
    5.2.3 长期粘结蠕变机理分析  213-214
  5.3 基于长粘结的短期锚固粘结性能  214-218
    5.3.1 试验研究方案  214-216
    5.3.2 试验结果与分析  216
    5.3.3 锚固粘结机理分析  216-218
  5.4 腐蚀钢绞线的粘结性能设计  218
  5.5 本章小结  218-221
6 腐蚀钢绞线预应力混凝土梁的受弯性能及抗弯承载力计算概率模型  221-261
  6.1 试验研究方案  222-229
    6.1.1 先张梁试验研究方案  222-223
    6.1.2 后张梁试验研究方案  223-229
  6.2 试验结果与受弯性能分析  229-242
    6.2.1 反拱与锈胀裂缝  229-230
    6.2.2 荷载裂缝  230-231
    6.2.3 腐蚀形态及断口形式  231-233
    6.2.4 加载曲线及受弯性能  233-242
  6.3 抗弯承载力计算的概率模型  242-258
    6.3.1 抗弯承载力计算的静力平衡表达式  242-245
    6.3.2 抗弯承载力计算的可靠度分析  245-247
    6.3.3 抗弯承载力设计的实用概率模型  247-255
    6.3.4 抗弯承载力评估的实用概率模型  255
    6.3.5 算例及讨论  255-258
  6.4 本章小结  258-261
7 结论与展望  261-268
  7.1 本文结论  261-266
    7.1.1 创新性试验技术  261
    7.1.2 创新性研究方法  261
    7.1.3 创新性研究结果  261-266
  7.2 未来工作展望  266-268
    7.2.1 本课题研究工作的不足及未来工作展望  266
    7.2.2 预应力混凝土结构耐久性研究的未来工作展望  266-268
参考文献  268-281
附录一：符号索引  281-289
附录二：插图索引  289-294
附录三：表格索引  294-307
作者简历  307-310
学位论文数据集  310

氯盐环境钢绞线预应力混凝土结构的腐蚀效应

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