环境-疲劳荷载耦合作用下钢筋混凝土损伤演化与疲劳耐久性

Fatigue and environmental damages are usually unrecoverable, which will take a great effect on the durability and fatigue property of reinforced concrete (RC). However, the combined effect of cyclic loading and environment is not achieved in the current studies, and most of existing models for RC durability are only focused on the environmental effect. Both fatigue impact on the durability of RC and environmental effect on the fatigue characteristics of materials are ignored in present models. The durability and fatigue life of RC structures will be exaggerated while these models are applied into real engineering directly without modification. Therefore, the fatigue property and the durability of RC under combined effect of environment and external cyclic loading are studied from multiple scales in this project, using macro and micro test methods, micromechanics, fatigue damage mechanics, material mechanics, and ion kinematics theory. To reveal the relationship between damage evolution and RC durability deterioration in order to improve the fatigue and durability theories on design, test and evaluation, the following studies will be carried out in this proposal: developing some new test devices, new methods and new evaluation system to reveal the fatigue impact on the change mechanism of concrete durability and its effect on the corrosion behavior of steel reinforcement; identifying the fatigue damage and evaluating the damage evolution of corroded reinforcement under cyclic load on basis of piezomagnetic theory; and finally establishing a theory for fatigue durability assessment and putting forward models for service life prediction.

疲劳与环境损伤具有不可恢复性，会给钢筋混凝土耐久性和疲劳性能带来较大的影响，但是现有研究未及疲劳与环境的真正耦合作用，既有耐久性模型多针对环境作用建立，没有考虑疲劳损伤对耐久性、环境劣化行为对疲劳特性的影响，用于指导工程实践会导致对结构失效风险认识不足。因此，本项目在真正实现疲劳荷载-环境耦合作用的基础上，综合运用宏微观测试方法和疲劳损伤力学、材料学、离子运动学等分析手段和理论，从多个尺度开展疲劳荷载与环境耦合作用下钢筋混凝土疲劳耐久性研究，旨在发展复杂作用下钢筋混凝土疲劳耐久性基础理论，为钢筋混凝土疲劳耐久性设计和寿命评估提供可靠依据。主要研究包括：探索疲劳-环境耦合作用试验研究新方法，系统研究疲劳损伤演化对结构混凝土耐久性能的影响机理、损伤累积对混凝土中钢筋锈蚀行为的影响规律、基于磁效应探索锈蚀钢筋疲劳损伤识别方法与损伤演化规律，最终建立钢筋混凝土疲劳耐久性分析理论与寿命预测模型。

钢筋混凝土材料和结构生命期内要经受各种动静荷载与环境的耦合作用，不可避免地存在耐久性问题。疲劳与环境损伤具有不可恢复性，会给钢筋混凝土耐久性和疲劳性能带来较大的影响，但是既有耐久性模型多针对环境作用建立，没有考虑损伤的影响，用于指导工程实践会夸大其疲劳寿命和耐久性能，本研究的开展对正确评价循环荷载与氯盐环境耦合作用下混凝土结构的服役性能和服役寿命有着十分重要的作用。本研究探索了疲劳-环境耦合作用试验研究方法；系统开展试验研究，揭示了压缩与弯曲循环荷载作用下混凝土的疲劳损伤演化规律，及其对氯离子渗透性能与混凝土内钢筋锈蚀的影响机理；探讨了宏观开裂混凝土中氯离子的输运规律，得到了影响氯离子输运的裂缝宽度阈值；基于逆向工程重建锈蚀钢筋的三维立体模型，准确获取了锈蚀钢筋的形态特征和锈蚀参数；基于宏观试验得到了锈蚀对钢筋疲劳寿命的影响规律，基于断面的微观扫描分析揭示了锈蚀对钢筋疲劳损伤与疲劳失效的影响机理；基于磁信息探索了锈蚀钢筋疲劳损伤识别方法与损伤演化规律；基于三维实体模型对锈蚀钢筋的疲劳性能和疲劳寿命进行了深入的数值模拟与分析；探讨了混凝土结构的耐久性极限状态，基于概率方法建立了损伤混凝土结构使用寿命评价方法。研究结果不仅为锈蚀钢筋混凝土结构的耐久性与疲劳性能研究提供了新方法，也为结构设计和性能评估提供了可靠依据。