环境作用下结构受力性能和退化课件.ppt

1、2013-11-4第第6章章 环境作用下结构受力性能的退化环境作用下结构受力性能的退化26.1 锈蚀钢筋的力学性能锈蚀钢筋的力学性能6.2 锈蚀预应力筋的力学性能锈蚀预应力筋的力学性能6.3 锈后钢筋与混凝土间粘结性能的退化锈后钢筋与混凝土间粘结性能的退化6.4 锈蚀钢筋混凝土梁的受弯性能锈蚀钢筋混凝土梁的受弯性能6.5 练习题练习题6.6参考文献参考文献第第6章章 环境作用下结构受力性能的退化环境作用下结构受力性能的退化3抗力R保持不变效应S保持不变失效概率Pf不变R,S0t使用寿命概率密度抗力R(t)效应S(t)失效概率Pf(t)R,S0t目标使用寿命平均使用寿命分布类型和模型均 值变异性

2、第第6章章 环境作用下结构受力性能的退化环境作用下结构受力性能的退化不变不变：分布类型、均值和变异性均不变4纵向裂缝宽度横向裂缝宽度承载力 fR钢筋截面锈损率s混凝土保护层胀裂时间tT1t1tcrL纵向裂缝宽度达限值twlH横向裂缝宽度达限值twhP承载力下降到限值tpS变形达到限值ts0TcrTu变形混凝土钢筋孔隙过渡区Cl-CO2 O2 H2O锈蚀产物VpVairVair VpVcr服役时间 剩余使用寿命5（1）平均截面锈蚀率（2）最大截面锈蚀率（3）质量锈蚀率6.1 锈蚀钢筋的力学性能锈蚀钢筋的力学性能钢筋锈蚀程度的表征钢筋锈蚀程度的表征s0scss0AAA锈蚀前平均截面积锈蚀后平均截面

3、积s0sc,mins,maxs0AAA锈蚀后最小截面积0cs0mmm锈蚀后钢筋质量ss,maxs6阳极阴极2O大气环境 混凝土 混凝土钢筋OHOH2e直流电源+锈蚀钢筋铜片盐溶液-混凝土混凝土OH2Fe2Fe2Fe2Fe2FeOHOH2O原钢筋横截面2Fe2Fe2Fe2Fe2Fe2Fe2Fe2Fe原钢筋横截面6.1 锈蚀钢筋的力学性能锈蚀钢筋的力学性能锈蚀钢筋获取途径锈蚀钢筋获取途径自然锈蚀机理加速锈蚀机理 钢筋自然锈蚀形态钢筋加速锈蚀形态76.1 锈蚀钢筋的力学性能锈蚀钢筋的力学性能几何形态几何形态钢筋自然锈蚀形态钢筋加速锈蚀形态86.1 锈蚀钢筋的力学性能锈蚀钢筋的力学性能几何形态几何形态

4、9 未锈 锈蚀 未锈 锈蚀6.1 锈蚀钢筋的力学性能锈蚀钢筋的力学性能破坏形态破坏形态10020406080100120024681012变形(mm)荷载(KN)0%17.38%28.05%加速16加速126.1 锈蚀钢筋的力学性能锈蚀钢筋的力学性能0510152001234567变形(mm)荷载(KN)0%10.21%27.10%加速10加速6荷载荷载-变形曲线变形曲线11010203040506070024681012变形(mm)荷载(KN)0%11.30%25.89%010203040506070800246810变形(mm)荷载(KN)9.32%16.89%20.30%02040608

5、01001200123456变形(mm)荷载(KN)14.06%21.15%8.78%051015200246810变形(mm)荷载(KN)13.10%27.90%39.97%自然12 自然14 自然16 自然86.1 锈蚀钢筋的力学性能锈蚀钢筋的力学性能荷载荷载-变形曲线变形曲线12（1）随着钢筋锈蚀的发展，钢筋锈蚀越不均匀（2）混凝土中自然锈蚀钢筋不均匀程度加速锈蚀钢筋（3）随着钢筋锈蚀的发展，屈服荷载、极限荷载降低，且 极限荷载尤为明显；（4）随着钢筋锈蚀的发展，屈服平台缩短甚至消失，极限 延伸率降低，颈缩现象消失；6.1 锈蚀钢筋的力学性能锈蚀钢筋的力学性能试验现象试验现象136.1

6、锈蚀钢筋的力学性能锈蚀钢筋的力学性能锈蚀钢筋强度的表征锈蚀钢筋强度的表征ycycy0sucycycy0s0scy0s0scucucu0s0scu0ucu00sssc(1)(1)ffFFFAAFAAFFFAAFfAfA名义屈服荷载 名义屈服强度名义极限荷载 名义极限强度锈前屈服强度锈前极限强度锈后平均截面积 相对屈服荷载 相对极限荷载 相对面积比值14scs0su0shycfucfsc0sy0yf sucshc界限锈蚀率界限锈蚀率光圆钢筋光圆钢筋:10%15%变形钢筋变形钢筋:20%30%)()()()(shcscycucshcsucshcscycshcscs0ycycs0ycscscs0scf

7、ffEffEfE6.1 锈蚀钢筋的力学性能锈蚀钢筋的力学性能确定性应力确定性应力-应变本构关系应变本构关系15y=-1.0487x+1R2=0.667700.20.40.60.811.200.20.40.60.8截面锈蚀率名义屈服强度相对值y=-1.119x+1R2=0.729800.20.40.60.811.200.20.40.60.81截面锈蚀率名义极限强度相对值y=e-2.5009xR2=0.617100.20.40.60.811.21.41.600.20.40.60.8截面锈蚀率极限延伸率相对值名义屈服强度相对值名义屈服强度相对值截面锈蚀率关系截面锈蚀率关系 名义极限强度相对值名义极限

8、强度相对值截面锈蚀率关系截面锈蚀率关系 极限延伸率相对值极限延伸率相对值截面锈蚀率关系截面锈蚀率关系 00.511.522.533.5400.10.20.30.40.5截面锈蚀率弹性模量弹性模量弹性模量截面锈蚀率关系截面锈蚀率关系 6.1 锈蚀钢筋的力学性能锈蚀钢筋的力学性能确定性应力确定性应力-应变本构关系应变本构关系166.1 锈蚀钢筋的力学性能锈蚀钢筋的力学性能锈蚀钢筋力学性能退化机理锈蚀钢筋力学性能退化机理锈蚀钢筋的承载力=平均截面积*基于平均截面积的强度 =最小截面积*基于最小截面积的强度 =最小截面积*未锈钢筋的强度176.1 锈蚀钢筋的力学性能锈蚀钢筋的力学性能锈蚀钢筋力学性能退

9、化机理锈蚀钢筋力学性能退化机理uu.uuFFfAfAAARFFfAfAAARycycyc0minycscminscccc0mincscminscs10.9654y 自然锈蚀钢筋Rs10.9367y 加速锈蚀钢筋R（1）钢筋截面积的不均匀性是名义强度降低的主要因素；（2）R值随着锈蚀率的增大而增大，导致强度降低；（3）自然锈蚀钢筋的R值大于加速锈蚀钢筋，导致其强度衰减更显著186.1 锈蚀钢筋的力学性能锈蚀钢筋的力学性能锈后钢筋力学性能的变异性锈后钢筋力学性能的变异性s20.54040.02790.7796R极限强度相对值变异系数s0.67660.136极限应变相对值变异系数屈服强度相对值变异系

10、数s20.47940.03440.863R力学性能变异性的增大对构件的受力性能有什么影响？90010040025070120045070150(a)(b)(c)预应力筋拉伸试验装置锈蚀混凝土板的尺寸示意图 正极负极直流电源铜板5%NaCl溶液混凝土垫块预应力筋混凝土板电线混凝土板中预应力筋电化学加速锈蚀装置示意 6.2 锈蚀预应力筋的力学性能锈蚀预应力筋的力学性能典型锈蚀率时预应力筋荷载变形曲线 6.2 锈蚀预应力筋的力学性能锈蚀预应力筋的力学性能216.2 锈蚀预应力筋的力学性能锈蚀预应力筋的力学性能s0.08pcpcpcpucpucpcp0cpucp0c0.150.85Effpcp0cpc

11、p0cs0.08pcpcpcEp0cpucpc0.85/fEEc s=1 0.848-puc spuc s=1 1.935=1 2.683aa-puc s=1 9.387-6.2 锈蚀预应力筋的力学性能锈蚀预应力筋的力学性能（1）锈后钢丝的弹性模量基本不变，但钢铰线降低；（2）锈后钢绞线极限强度的降低比钢丝更为显著。23钢筋锈蚀钢筋横肋锈 损保护层锈胀开裂钢筋与混凝土间摩擦作用降低机械咬合力减 小混凝土对钢筋的约束降低化学胶着力破 坏钢筋与混凝土间生成铁锈层6.3 锈后钢筋与混凝土间粘结性能的退化锈后钢筋与混凝土间粘结性能的退化粘结强度降低24粘粘结结试试验验方法拉拔试验压入试验拉/压试验半梁

12、式试验拉-压组合试验6.3 6.3 锈后钢筋与混凝土间粘结性能的退化锈后钢筋与混凝土间粘结性能的退化2580201410010203040506070钢筋锈蚀率(%)30252015105平均粘结强度（MPa）如何解释锈蚀率较低时，粘结强度提高的现象？6.3 6.3 锈后钢筋与混凝土间粘结性能的退化锈后钢筋与混凝土间粘结性能的退化26150140b=130混凝土FN钢板a00.10,20.30.40.50.6法向力(MPa)2.52.01.51.00.5粘结强度（MPa）I类II类III类IV类锈蚀程度：IIIIIIIV=F/ab，=N/ab6.3 6.3 锈后钢筋与混凝土间粘结性能的退化锈后

13、钢筋与混凝土间粘结性能的退化27锈蚀梁受弯性能试验研究锈蚀梁受弯性能试验研究玻璃缸直流稳压电源垫块铜片5NaCl溶液混凝土梁钢筋正极负极6.4 锈蚀钢筋混凝土梁的受弯性能锈蚀钢筋混凝土梁的受弯性能28梁梁中中钢钢筋筋锈锈蚀蚀率率锈蚀梁受弯性能试验研究锈蚀梁受弯性能试验研究分析横截面积的纵向不均匀分布对承载力的影响？29加加载载装装置置锈蚀梁受弯性能试验研究锈蚀梁受弯性能试验研究30锈锈胀胀裂裂缝缝宽宽度度破破坏坏形形态态L23L12L11L13锈蚀梁受弯性能试验研究锈蚀梁受弯性能试验研究31L10L11L12L13混混凝凝土土表表面面应应变变分分布布锈蚀梁受弯性能试验研究锈蚀梁受弯性能试验研究

14、32L20L21L23L22混混凝凝土土表表面面应应变变分分布布锈蚀梁受弯性能试验研究锈蚀梁受弯性能试验研究33裂裂缝缝宽宽度度裂裂缝缝间间距距锈蚀梁受弯性能试验研究锈蚀梁受弯性能试验研究（1）解释锈蚀后裂缝间距增大、裂缝变宽的机理。（2）分析工程实际与试验梁的区别。34弯矩弯矩曲率关系（曲率关系（L10L13）弯矩弯矩曲率关系（曲率关系（L20L23）弯弯矩矩曲曲率率关关系系荷载荷载位移关系（位移关系（L10L13）荷载荷载位移关系（位移关系（L20L23）荷荷载载位位移移关关系系锈蚀梁受弯性能试验研究锈蚀梁受弯性能试验研究35钢筋锈蚀承载力下降刚度退化受力裂缝间距增大、宽度增大混凝土表面平

15、均应变符合平截面假定钢筋混凝土间粘结性能退化锚固良好时梁仍能发生受弯破坏锈蚀钢筋本构模型物理特征的变化对梁受弯性能有一定的影响严重锈蚀梁，钢筋可进入强化阶段梁可能发生脆性破坏试试验验总总结结锈蚀梁受弯性能试验研究锈蚀梁受弯性能试验研究36弯矩弯矩曲率关系数值模拟分析曲率关系数值模拟分析 基本假定：1）平截面假定成立2）忽略剪切变形3）不考虑混凝土力学性能的变化及其截面的损失4）不考虑顶部纵筋的影响5）忽略箍筋锈蚀的影响10.0038ccuscsuc破坏条件：截面分析模型截面分析模型平衡方程：11000()()022nciiscscscscinciiiscscsscscsiXAAAhhYMAZA

16、aAa()2()2ciiscsscsZhaha相容关系：完完全全有有粘粘结结锈锈蚀蚀梁梁锈蚀梁受弯性能数值模拟锈蚀梁受弯性能数值模拟6.4 锈蚀钢筋混凝土梁的受弯性能锈蚀钢筋混凝土梁的受弯性能37弯矩弯矩曲率关系数值模拟分析曲率关系数值模拟分析 计算步骤：1）增加截面曲率 ；2）假定 值；3）由相容关系计算混凝土条带及钢筋的应变，并由物理关系计算应力值；4）判断平衡方程是否满足，若是求出弯矩M，并重复步骤1）4），否则调整 值，直至平衡方程成立为止；5）当符合破坏条件时，停止计算。完完全全有有粘粘结结锈锈蚀蚀梁梁锈蚀梁受弯性能数值模拟锈蚀梁受弯性能数值模拟6.4 锈蚀钢筋混凝土梁的受弯性能锈蚀

17、钢筋混凝土梁的受弯性能38荷载荷载挠度关系数值模拟分析挠度关系数值模拟分析2222()()()()()()dxdxxdxdxd M xdV xq xdxdx1/2/21/22mAAiiimllAiiiVx lxlllMVxx共轭梁法计算梁荷载共轭梁法计算梁荷载挠度关系的分析模型挠度关系的分析模型 共轭梁法：计算步骤：1）对梁进行分段2）增加跨中截面曲率3）求出跨中截面弯矩Mc，荷载P4）求各分段弯矩Mi，并由此求出5）由共轭梁法计算跨中挠度值6）判断梁是否破坏，否则重复2）6）直至梁破坏为止ccci完完全全有有粘粘结结锈锈蚀蚀梁梁锈蚀梁受弯性能数值模拟锈蚀梁受弯性能数值模拟6.4 锈蚀钢筋混凝

18、土梁的受弯性能锈蚀钢筋混凝土梁的受弯性能39弯矩弯矩锈蚀钢筋应变锈蚀钢筋应变曲率关系数值模拟分析曲率关系数值模拟分析基本假定：同前！但平截面假定不再成立！h1nbasash/2-ash/2-asZiiscAscscAcs截面分析模型截面分析模型()2()2ciiscscsosZhaha11000()()022nciiscscscinciiiscscsscsiXAANhhYMAZAaNa相容关系：平衡方程：scscscNA破坏条件：10.0038ccuscsuc完完全全无无粘粘结结锈锈蚀蚀梁梁锈蚀梁受弯性能数值模拟锈蚀梁受弯性能数值模拟6.4 锈蚀钢筋混凝土梁的受弯性能锈蚀钢筋混凝土梁的受弯性能

19、40弯矩弯矩锈蚀钢筋应变锈蚀钢筋应变曲率关系数值模拟分析曲率关系数值模拟分析计算步骤：1）增加锈蚀钢筋中的应变sc=scsc；2）由锈蚀钢筋的本构关系计算出钢筋的拉力Nsc；3）增加梁底混凝土的应变cn=cn+cn；4）假定 值；5）计算 ；6）由相容关系计算混凝土条带和受压钢筋的应变，并由物理方程求出对应的应力；7）检查平衡方程是否满足，若是，求出弯矩M及混凝土中心处应变cso，若否，调整 值，重复4）7），直至满足平衡为止；8）检查压区混凝土是否压碎，若是，转入第9）步，否则，重复3）8）；9）检查锈蚀钢筋是否达到极限应变，若是，结束计算，否则，重复1）9）。2()/cnh h1nbasa

20、sh/2-ash/2-asZiiscAscscAcs完完全全无无粘粘结结锈锈蚀蚀梁梁锈蚀梁受弯性能数值模拟锈蚀梁受弯性能数值模拟6.4 锈蚀钢筋混凝土梁的受弯性能锈蚀钢筋混凝土梁的受弯性能41荷载荷载挠度关系数值模拟分析挠度关系数值模拟分析NscNscABP/2P/2cl保护层锈胀脱落csoicsoi计算步骤：1）将梁分成m段；2）逐步增加其应sc=sc+sc；3）假定梁跨中截面曲率 ，并确定Mc；4）确定荷载P，并求出梁各分段弯矩Mi；5）求出梁各分段混凝土中心处的应变csoi；6）判断变形协调条件是否满足，若是，继续第7）步，否则，调整 ，重复3）6），直至满足足够的精度为止；7）计算梁各

21、分段的截面曲率 ；8）由共轭梁法计算梁跨中挠度；9）检查梁是否达到破坏条件，若是，停止计算，否则，重复2）9），直至梁破坏为止。cci变形协调条件成立！完完全全无无粘粘结结锈锈蚀蚀梁梁锈蚀梁受弯性能数值模拟锈蚀梁受弯性能数值模拟6.4 锈蚀钢筋混凝土梁的受弯性能锈蚀钢筋混凝土梁的受弯性能42L10L11L12L13L20L21L22L23弯弯矩矩曲曲率率关关系系锈蚀梁受弯性能数值模拟锈蚀梁受弯性能数值模拟6.4 锈蚀钢筋混凝土梁的受弯性能锈蚀钢筋混凝土梁的受弯性能43L20L21L22L23L10L11L12L13荷荷载载挠挠度度关关系系锈蚀梁受弯性能数值模拟锈蚀梁受弯性能数值模拟6.4 锈蚀

22、钢筋混凝土梁的受弯性能锈蚀钢筋混凝土梁的受弯性能利用数值分析结果，分析锈蚀梁受弯性能退化机理 4410()2uccxMf bx h1ycsccf Axf b不考虑钢筋本构模型物理特征的变化不考虑混凝土截面损伤不考虑受压钢筋影响锈蚀梁抗弯承载能力计算锈蚀梁抗弯承载能力计算6.4 锈蚀钢筋混凝土梁的受弯性能锈蚀钢筋混凝土梁的受弯性能 粘结性能退化钢筋锈蚀力学性能退化截面面积减小导致梁抗弯承载力下降的主要因素导致梁使用性能劣化的主要因素45就平均应变而言符合平截面假定0smcmhscmscm0kks)(mhMMB短期荷载效应MkMk锈蚀梁抗弯刚度计算锈蚀梁抗弯刚度计算6.4 锈蚀钢筋混凝土梁的受弯性

23、能锈蚀钢筋混凝土梁的受弯性能受拉钢筋应变滞后受拉钢筋应变滞后scmst)(m46裂缝截面处的应力和应变20s01kc0sskscsscsccccbhMhAMEEMkAsch0sh01cc0h0Ascsc平均应变s0sscksscscscscscm)(EhAMtnEc20kc20s01kcccccccmEbhMEbhME锈蚀梁抗弯刚度计算锈蚀梁抗弯刚度计算6.4 锈蚀钢筋混凝土梁的受弯性能锈蚀钢筋混凝土梁的受弯性能钢筋应变趋于均匀钢筋应变趋于均匀不均匀系数增大不均匀系数增大)(sscn47参照GB 50010，scEscE62.0锈蚀梁抗弯刚度计算锈蚀梁抗弯刚度计算6.4 锈蚀钢筋混凝土梁的受弯

24、性能锈蚀钢筋混凝土梁的受弯性能s22sususs()1()910.13.83()2.73kkkkksuususu0.55/0.55/1/1/kkkkku=10.544-1.586(c/d)scEs20scsc30s20sscscmcm0kks)(1)()(1)(tkhAEEbhEhAtntmtmhMMBscE20scsks62.0)(15.1tkhAEMB48开裂开裂 开裂是钢结构中危害性最大的一种病害，没有之一。这是由于，开裂往往导致结构的突然破坏，而事先没有明显征兆。49导致疲劳裂纹的基本因素导致疲劳裂纹的基本因素应力循环应力循环次数，与交通状况及桥梁构造型式相关；次数，与交通状况及桥梁构

25、造型式相关；应力幅应力幅，与活载大小相关；，与活载大小相关；构造构造细部的疲劳强度。细部的疲劳强度。50正交异性钢桥面板正交异性钢桥面板51横梁（横联横梁（横联)与主梁腹板连接处与主梁腹板连接处易受疲劳的裂纹位置竖向加劲主梁腹板节点板MM52主梁扭转引起的疲劳裂纹主梁扭转引起的疲劳裂纹53主梁腹板受压区的呼吸疲劳主梁腹板受压区的呼吸疲劳54主梁受拉翼缘贴板端头开裂主梁受拉翼缘贴板端头开裂55疲劳开裂机理疲劳开裂机理 就断裂力学观点而言，钢结构的疲劳破坏是从裂纹起始、扩展到最终断裂的过程。疲劳裂纹的扩展近似沿最大主拉应力的垂直方向，其扩展速率呈指数增长，早期增长较慢，占疲劳寿命的大部分。由于这个

26、原因，在结构中较早地对裂纹进行探测比较困难。5657裂纹对结构应力分布的影响裂纹对结构应力分布的影响裂纹尖端区域的应力集中程度与裂纹尖端的曲率半径有关，裂纹越尖锐，应力集中程度越高。这种应力集中可能导致材料的实际断裂强度远低于材料的理论断裂强度。58应力强度因子应力强度因子)(WafaK59疲劳发展过程疲劳发展过程p疲劳裂纹的发展包括三个阶段：裂纹形核阶段疲劳裂纹的发展包括三个阶段：裂纹形核阶段、裂纹稳态扩展阶段、裂纹突然破坏阶段。、裂纹稳态扩展阶段、裂纹突然破坏阶段。p通常第一阶段耗时最长，而第三阶段耗时最短通常第一阶段耗时最长，而第三阶段耗时最短。60疲劳裂纹扩展曲线疲劳裂纹扩展曲线区域1

27、，曲线接近于门槛值，裂纹扩展速度较慢，当应力强度因子低于门槛值时，裂纹不扩展。区域2，直线段，为稳定裂纹增长区，材料微观结构没有影响。用Paris方程较能相对准确的描述裂纹增长。区域3，裂纹扩展速率很快，存在裂纹失稳增长。当达到材料的断裂韧性KIC时，发生断裂失效。KIC与微观结构密切相关。61疲劳寿命计算疲劳寿命计算(断裂力学法断裂力学法)62疲劳寿命计算疲劳寿命计算(疲劳曲线法疲劳曲线法)1332211iiNnNnNnNnLimiCN636.5 6.5 练习题练习题 已知钢筋混凝土梁的截面尺寸为已知钢筋混凝土梁的截面尺寸为b=250mm，h=600mm，混凝土保护，混凝土保护层厚度层厚度c

28、=25mm，混凝土和钢筋材料的性能指标为：，混凝土和钢筋材料的性能指标为：fc=23N/mm2，ft=2.6N/mm2，Ec=2.51 104N/mm2；fy=357N/mm2，Es=1.97 105N/mm2，受拉区配有，受拉区配有3 25（As=1472mm2）的纵向受拉钢筋。）的纵向受拉钢筋。（1）计算锈胀开裂时的钢筋锈蚀率）计算锈胀开裂时的钢筋锈蚀率（2）计算锈蚀后抗弯承载能力的退化规律（锈蚀率）计算锈蚀后抗弯承载能力的退化规律（锈蚀率:00.25）（3）计算锈蚀后抗弯刚度的衰减规律（锈蚀率）计算锈蚀后抗弯刚度的衰减规律（锈蚀率:00.25）646.6 6.6 推荐参考文献推荐参考文献q张誉等张誉等.混凝土结构耐久性概论混凝土结构耐久性概论M.上海上海:上海科技文献出版社，上海科技文献出版社，2011q李富民李富民.锈蚀混凝土构件的承载性能评估与设计锈蚀混凝土构件的承载性能评估与设计M.北京北京:中国铁道出中国铁道出版社，版社，2011q金伟良金伟良.腐蚀混凝土结构学腐蚀混凝土结构学M.北京北京:科学出版社，科学出版社，2011q顾祥林顾祥林.混凝土结构基本原理混凝土结构基本原理M.上海上海:同济大学出版社，同济大学出版社，201165谢谢!