环境作用下结构受力性能的退化2

2013-11-4结构全寿命维护第6章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6.2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6.4锈蚀钢筋混凝土梁的受弯性能6.5练习题6.6参考文献第6章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第6章环境作用下结构受力性能的退化不变：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071421283511.051.11.151.21.25锈蚀率10%锈蚀率20%锈蚀率30%fR钢筋截面锈损率ηs混凝土保护层胀裂时间tT1t1tcrηL纵向裂缝宽度达限值twlηH横向裂缝宽度达限值twhηP承载力下降到限值tpηS变形达到限值ts0TcrTu变形混凝土钢筋孔隙过渡区Cl-CO2O2H2O锈蚀产物VpVairVairVpVcrVp=Vcr锈蚀构件承载能力计算锈蚀构件刚度计算锈蚀构件裂缝宽度第6章环境作用下结构受力性能的退化锈蚀构件受力性能的退化性能指标钢筋开始锈蚀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积s0sc,mins,maxs0AAA锈蚀后最小截面积0cs0mmm锈蚀后钢筋质量ss,maxs6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OH2Fe2Fe2Fe2Fe2FeOHOH2O原钢筋横截面2Fe2Fe2Fe2Fe2Fe2Fe2Fe2Fe原钢筋横截面6.1锈蚀钢筋的力学性能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几何形态101214161820220102030405060nAsc0.000.0230.0740.0980.1260.146101214161820220102030405060nAsc0.000.0230.0740.0980.1260.146s=s=s=s=s=s=101214161820220102030405060nAsc0.000.0230.0740.0980.1260.146101214161820220102030405060nAsc0.000.0230.0740.0980.1260.146s=s=s=s=s=s=9未锈锈蚀未锈锈蚀6.1锈蚀钢筋的力学性能破坏形态10020406080100120024681012变形(mm)荷载(KN)0%17.38%28.05%010203040506002468101214变形(mm)荷载(KN)0%27.18%35.79%加速ф16加速ф126.1锈蚀钢筋的力学性能010203040500246810变形(mm)荷载(KN)0%8.56%24.33%0510152001234567变形(mm)荷载(KN)0%10.21%27.10%加速ф10加速ф6荷载-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%0204060801001200123456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ф12自然ф14自然ф16自然ф86.1锈蚀钢筋的力学性能荷载-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试验现象136.1锈蚀钢筋的力学性能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14scs0su0shycfucfsc0sy0yfsucshc界限锈蚀率光圆钢筋:10%~15%变形钢筋:20%~30%)()()()(shcscycucshcsucshcscycshcscs0ycycs0ycscscs0scfffEffEfE6.1锈蚀钢筋的力学性能确定性应力-应变本构关系15y=-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—截面锈蚀率关系名义极限强度相对值—截面锈蚀率关系极限延伸率相对值—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—截面锈蚀率关系6.1锈蚀钢筋的力学性能确定性应力-应变本构关系166.1锈蚀钢筋的力学性能锈蚀钢筋力学性能退化机理071421283511.051.11.151.21.25锈蚀率10%锈蚀率20%锈蚀率30%fR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力学性能退化机理uu..uuFFfAfAAARFFfAfAAARycycyc0minycscminscccc0mincscminsc00.40.81.21.60%10%20%30%40%s10.9654y自然锈蚀钢筋R00.40.81.21.60%10%20%30%40%s10.9367y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后钢筋力学性能的变异性00.050.10.150.20%5%10%15%20%25%30%s20.54040.02790.7796R极限强度相对值变异系数00.080.160.240.320.40%5%10%15%20%25%s0.67660.136极限应变相对值变异系数00.050.10.150.20%5%10%15%20%25%30%屈服强度相对值变异系数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(a)钢绞线(b)钢丝6.2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0102030405001234050100150200250300020406080荷载/kN变形/mm00.0460.1890.1120.0750.018(a)钢绞线变形/mm荷载/kN00.0550.0950.175(b)钢丝6.2锈蚀预应力筋的力学性能216.2锈蚀预应力筋的力学性能puc0pcpucfpuc0.85fpcEspcEs0pcs0.08pcpcpcpucpucpcp0cpucp0c0.150.85Effpcp0cpcp0cs0.08pcpcpcEp0cpucpc0.85/fE00.20.40.60.811.200.10.20.30.400.30.60.91.200.10.20.30.400.20.40.60.811.200.030.060.09βECηsβpucηsαpucηs弹性模量钢丝钢绞线钢丝wire钢绞线钢丝1.01.0极限强度极限应变Ecs=10.848-pucspucs=11.935=12.683aa--（钢丝）（钢绞线）pucs=19.387-6.2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粘结强度降低24粘结试验方法拉拔试验压入试验拉/压试验半梁式试验拉-压组合试验6.3锈后钢筋与混凝土间粘结性能的退化2580φ20φ14φ10010203040506070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σ(MPa)2.52.01.51.00.5粘结强度τ（MPa）I类II类III类IV类锈蚀程度：IIIIIIIVτ=F/ab，σ=N/ab6.3锈后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玻璃缸直流稳压电源垫块铜片5％NaCl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282200正面反面A1A3A5A4A2B1B3B5B4B2A1A2A3A4A5平均值B1B2B3B4B5平均值L116.016.797.848.969.247.778.357.639.839.3910.089.06L1210.379.5911.119.4611.2210.3512.1510.3611.429.9312.4111.25L1321.4717.2019.6217.2317.5818.6225.9224.4225.2722.4222.2424.05L2110.046.1413.243.19169.725.964.499.672.315.845.65L2212.3412.2715.8118.8615.0614.879.111.8712.0813.5414.6312.24L2324.2447.6821.7825.923.3628.5924.739.7426.2333.6829.9730.86试件编号锈蚀率(%)梁编号梁中钢筋锈蚀率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数据采集系统位移计支座试验梁反力架分配梁荷载P液压千斤顶S6(S7)S5S4S3S2S1D5D4D3D2D17575顶（底）面204040404020204040404020正面反面位移计应变片梁跨中轴线加载装置锈蚀梁受弯性能试验研究30梁编号L11L12L13L21L22L23底部纵筋0.71.492.200.590.71.45顶部纵筋00.3100.130.080.16平均锈胀裂缝宽度箍筋0.110.1400.0800梁编号截面锈蚀率(%)开裂荷载(kN)屈服荷载(kN)极限荷载(kN)破坏模式L1001467.4871.24压区混凝土压碎L118.421052.2057.39压区混凝土压碎L1210.8654.97