基于概率的锈蚀钢筋混凝土梁时变抗力研究

采用三维激光扫描技术获取加速锈蚀钢筋和自然锈蚀钢筋的高精度三维实体模型，运用图像分析软件提取不同位置的横截面积信息；考虑钢筋直径、截断长度、锈蚀率和荷载等因素，运用极值统计分析方法建立锈蚀钢筋横截面积的时变概率分布模型。在已有锈蚀钢筋力学性能数据库的基础上，补充锈蚀钢筋的物理拉伸试验；并利用相应的三维实体模型，采用有限元软件进行数值拉伸试验，研究截断位置和钢筋长度对锈蚀钢筋力学性能的影响，探索锈后钢筋力学性能变异性的变化规律；建立基于最小截面的锈蚀钢筋随机本构关系。采用计算机随机模拟方法，考虑锈后钢筋横截面积沿纵向的不均匀性以及横截面积、力学性能均值和变异性变化的影响，建立锈蚀钢筋混凝土梁抗力的时变概率分布模型并用于时变可靠性分析，为服役结构全寿命设计理论的发展奠定基础。最后，从锈蚀钢筋的几何特征、力学性能及锈蚀钢筋混凝土梁的时变抗力和可靠性等多方面，探索加速锈蚀与自然锈蚀之间的相似性。

钢筋锈蚀是混凝土结构耐久性失效的主要原因。锈蚀后钢筋横截面积减小、力学性能退化，钢筋与混凝土间的粘结性能削弱甚至丧失，最终导致锈蚀构件承载能力降低甚至失效。传统可靠度理论在可靠性分析时将荷载及其效应的随机过程看作随机变量，并假定结构抗力在正常设计、正常施工和正常维护条件下不随时间变化。因此，既有建筑结构可靠性评定时应当引入时间参数，考虑抗力随时间的变化，发展更精确的时变可靠性分析方法。锈蚀钢筋混凝土构件的时变抗力分析关键在于认识并考虑钢筋锈蚀对材料性能、几何参数及计算模式的影响。.项目首先基于二次杠杆作用，开发了一套受弯构件的持续加载装置，用于获取荷载与锈蚀同时作用下的锈蚀钢筋。采用三维激光扫描技术获取锈蚀钢筋的三维实体模型，提取不同位置处横截面积分析其纵向不均匀性。为方便工程应用，提出采用锈蚀钢筋平均截面积与最小截面积之比R衡量其纵向分布的不均匀性。统计分析表明，R服从Gumbel极值分布，且随着钢筋锈蚀的发展，其横截面积分布越不均匀，R值的均值和均方差增大。在此基础上，进一步采用极值统计理论，建立了锈蚀钢筋R值的概率分布模型。.锈蚀钢筋拉伸试验结果发现，随着钢筋锈蚀的发展，名义屈服强度、极限强度和极限应变降低，屈服平台缩短，据此建立了锈蚀钢筋的确定性本构关系。经过统计分析发现，不同锈蚀率下的锈蚀钢筋力学性能服从正态分布，其变异系数随着锈蚀率的增加而增大，在此基础上建立了锈蚀钢筋力学性能退化的概率模型，最终把确定性的锈蚀钢筋应力-应变模型发展为锈蚀钢筋应力-应变关系的随机模型。.引入锈蚀后钢筋截面积的概率分布模型和本构关系，发展了锈蚀梁的时变可靠性分析方法。将锈蚀梁看作N个单元组成的串联体系，引入锈蚀速率模型，利用R的概率分布模型，采用蒙特卡罗法模拟获得每个单元对应的最小截面，计算并比较相应的荷载效应和抗弯承载能力，最终获得锈蚀梁的时变可靠性。计算结果表明，时变可靠性分析时单元长度应该取150mm，且考虑锈蚀钢筋横截面积的纵向不均匀性，其失效概率可能高达不考虑情况下的3倍，不容忽视。另外，在配筋率相同的情况下，钢筋直径越大，锈蚀梁的时变可靠性越高。