在役混凝土箱梁桥时变承载力的分析理论及试验研究

基于全寿命周期理论，对在役混凝土桥梁的性能劣化机理展开了研究，提出了基于荷载影响因子和氯离子结合能力的两种因素耦合的氯离子扩散的修正模型，与传统的考虑单一因素的氯离子扩散模型相比，修正的氯离子扩散模型更贴近混凝土桥梁的实际，更加合理，在此基础上，进一步研究提出了考虑荷载影响因子和氯离子结合能力的两种因素的钢筋锈蚀模型，并用于桥梁各构件的时变可靠度与失效概率和剩余使用寿命的预测；同时，基于空间非规则单元元胞自动机研究，提出了一种新的氯离子在混凝土内扩散的算法模型，它能考虑浓度梯度引起的扩散和压力梯度引起的渗透及两者协同作用。考虑服役过程中荷载—环境的相互作用，提出了锈蚀钢筋的名义弹性模量和锈蚀系数以反映钢筋在锈蚀过程中的变形特征，研究给出了荷载—环境耦合效应分析的数学模型，推导了混凝土分离式和组合式两种模型中的耦合分析的有限元方程，采用Fortran语言编程实现和嵌入上述模型，并给出了计算实例进行验证。本研究还从理论、试验和数值分析的角度，对钢筋混凝土箱梁的复合受力特性进行探索，提出了基于桁架模型的复合受力钢筋混凝土箱梁构件迭代配筋设计方法，并给出了详细的计算流程；同时，进行了钢筋混凝土双跨连续箱梁复合受力模型试验及理论分析研究，提出了适用于钢筋混凝土箱梁复合受力全过程分析的改进板-桁模型，并基于所提出的理论编制了计算程序，同时对考虑钢筋-混凝土界面粘结滑移性能混凝土箱梁结构的裂缝和时变极限承载力进行了应用研究和预测。 2100433B

混凝土箱梁桥，一方面其构成的混凝土材料和钢筋的性能随着时间、环境等会发生性能退化，其使用性能和承载力会随之降低；另一方面，箱梁桥的受力十分复杂，以往基于平面杆系理论的抗弯剪强度设计方法存在有很大的局限性，易造成结构的弯扭开裂，严重时出现抗弯扭强度不足的倒塌破坏。本课题从箱梁结构三维空间的层面，考虑其混凝土和钢筋性能退化的规律及数学模型，基于非线性分析理论，研究这类箱梁桥结构的时变承载力分析理论，并进行试验研究，验证混凝土箱梁桥结构时变承载力及其破坏模式，揭示混凝土箱梁桥不同受力状态的承载机理，研究提出一套适用箱梁桥弯扭设计的实用设计方法。

本课题以我国近海在役桥梁全寿命周期内面临的耐久性损伤及地震安全问题为背景，以RC桥梁为研究对象，通过近海腐蚀环境的模拟，考虑混凝土碳化与氯离子侵蚀的耦合作用，分析桥梁时变耐久性损伤对其抗震性能的影响，提取定量表征近海RC桥梁抗震性能演化的序参量，研究服役年限及近海环境作用与宏观抗震性能的逻辑关联，分析近海在役RC桥梁的时变地震易损性。创新点主要在于建立近海桥梁耐久性损伤RC材料力学性能时变模型；确定近海在役桥梁耐久性损伤分析边界条件，研究近海桥梁全寿命周期内抗震性能演化过程及时变规律；建立全寿命周期内近海RC桥梁在主余震及多次地震作用下的时变地震易损性模型。最后以某在役近海长联RC桥梁为例，根据服役年限及耐久性损伤，构造主余震及多次地震序列，研究不同服役阶段桥梁时变地震易损性及其鲁棒性的强弱，从而为全寿命周期内近海在役桥梁地震风险评估提供理论依据。

随着我国经济快速发展，近海交通运输建设规模不断扩大，近海桥梁数量不断增多。对于近海桥梁，全寿命周期内更为突出的问题是其处于海腐蚀环境的同时又在地震多发带。本课题以我国近海在役桥梁全寿命周期内面临的耐久性损伤及地震安全问题为背景，以钢筋混凝土桥梁为对象，研究了近海耐久性损伤桥梁时变易损性。本项目基于不同荷载模式下锈蚀钢筋力学性能试验，分析了单调拉伸荷载、低周反复荷载作用下锈蚀钢筋的力学性能，对锈蚀钢筋力学性能在不同荷载模式下退化程度进行了对比研究，并给出了锈蚀钢筋力学性能退化计算模型。通过碳化混凝土棱柱体试件单调及反复荷载试验，得到各试件应力应变曲线及骨架曲线，考虑到碳化混凝土构件的截面尺寸效应，从混凝土碳化率的角度对比分析了单调及反复荷载下碳化对试件力学性能的影响，并给出了碳化混凝土力学性能退化计算模型。建立近海桥梁精细化有限元模型，通过的锈蚀钢筋混凝土桥墩试件抗震性能试验验证有限元模型的有效性，分析了不同服役期内桥墩抗震性能的演化过程。考虑混凝土碳化与氯离子侵蚀的耦合作用，通过模拟近海腐蚀环境，进行了近海环境下钢筋混凝土材料力学性能的退化过程的时变性分析。确定近海在役桥梁耐久性损伤分析边界条件，考虑桥梁全寿命周期内地震作用的时变性，采用时变地震易损性分析方法研究了近海桥梁全寿命周期内抗震性能演化过程及时变规律。建立了全寿命周期内近海RC桥梁在主余震及多次地震作用下的时变地震易损性模型，根据服役年限及耐久性损伤，构造主余震及多次地震序列，研究不同服役阶段桥梁时变地震易损性。基于理论易损性、可靠度理论以及构件的概念移除法提出了一种适用于全寿命周期内算例桥型的抗倒塌分析方法, 并进行了基于时变易损性的近海桥梁主余震作用下的鲁棒性分析,从而为全寿命周期内近海在役桥梁地震风险评估提供理论依据。 2100433B

本中心旨在搭建研究平台，在在役桥梁结构分析，结构安全的静动态评价、损伤评估、耐久性分析设计、承载力分析预测、时变可靠度分析预测、稳定分析，桥梁加固理论、方法及工程实践等方面进行研究，推动在役桥梁结构研究的发展。