锈蚀钢筋混凝土梁疲劳性能的基础研究

伴随着桥梁结构的老龄化以及交通流量的增加、车载的增大、使用环境的恶化，大量锈蚀钢筋混凝土桥梁迫切需要进行安全性评价和剩余疲劳寿命预测。本项目一是考虑锈蚀环境、钢筋锈蚀程度、钢筋应力幅值等参数的影响，在空气环境下对既有锈蚀钢筋进行轴向拉伸疲劳试验，建立既有锈蚀钢筋的疲劳曲面方程，合理预测既有锈蚀钢筋的疲劳寿命。二是采用外加电流快速锈蚀试验和疲劳试验相结合来模拟既有锈损钢筋混凝土梁的服役状况，在空气环境下系统地研究锈蚀钢筋混凝土梁疲劳性能的退化机理，并通过既有锈蚀钢筋混凝土梁的疲劳试验来验证基于快速锈蚀钢筋混凝土梁疲劳试验的理论分析结果。三是借助扫描电镜、三维激光扫描仪、金属成分分析仪从微观上研究锈蚀钢筋疲劳断裂的机理。四是基于试验结果和理论分析，阐明锈蚀钢筋混凝土梁的疲劳性能及退化机理，提出锈蚀钢筋混凝土梁疲劳损伤的全过程分析方法，并建立预测既有锈蚀混凝土梁剩余疲劳寿命的实用计算方法。

近年来，我国的桥梁建设高速发展。截止到2011年底，我国仅公路桥梁就有68.9万座。其中，混凝土桥梁约占总数的90%。伴随着混凝土桥梁结构的老龄化以及交通流量的增加、车辆载重的增大、使用环境的恶化，大量锈蚀钢筋混凝土桥梁迫切需要进行安全性评价和剩余疲劳寿命预测。本项目以“锈蚀钢筋及锈蚀钢筋混凝土梁的疲劳性能”为主线，通过实验研究和理论分析，对锈蚀钢筋混凝土梁的疲劳性能及寿命预测作了相应的研究。主要工作和成果有：.（1）从两种途径获取共68根锈蚀钢筋试件：20根大气环境自然裸露锈蚀钢筋试件，48根实际工程老化混凝土构件中自然锈蚀钢筋试件。通过单轴拉伸疲劳实验，探讨了自然裸露锈蚀钢筋和构件中自然锈蚀钢筋疲劳性能的退化规律，建立了相应锈蚀钢筋的疲劳曲线方程，并给出了锈蚀钢筋疲劳强度的建议值。借助扫描电镜对锈蚀钢筋的裂纹萌生部位和疲劳断口进行扫描观察，从微观上研究了自然裸露锈蚀钢筋和构件中自然锈蚀钢筋疲劳断裂的机理。.（2）考虑到加速锈蚀与自然锈蚀存在本质机理区别：“外加电流加速锈蚀试验”钢筋产生的是沿整个表面几乎均匀的锈体，而老化构件中自然锈蚀钢筋靠近混凝土保护层一侧锈蚀较严重，而另一侧锈蚀较轻。为此，以老化构件中自然锈蚀钢筋为纵向受力钢筋，设计制作了15根模拟自然锈蚀钢筋混凝土梁。通过四点弯曲疲劳实验，探讨了钢筋锈蚀发展对疲劳性能的综合影响，研究了模拟自然锈蚀钢筋混凝土梁的破坏形态、裂缝分布、刚度、钢筋应力、混凝土应力及疲劳寿命。.（3）基于实验结果和理论分析，阐明了锈蚀钢筋混凝土梁的疲劳性能及其退化机理，探讨了锈蚀钢筋混凝土梁疲劳性能与锈蚀钢筋轴向拉伸疲劳性能的差异。从钢筋的面积损失、强度退化出发，提出了适合锈蚀后构件的计算理论。结合分段线性Miner理论，提出了预测锈蚀钢筋混凝土梁剩余疲劳寿命的实用计算方法。