考虑疲劳累积损伤效应的锈蚀钢筋混凝土T梁剩余承载力研究

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近年来,随着公路运输需求的增加,车流量持续攀升,超载现象愈发严重。早期建成的中小跨径钢筋混凝土T形梁桥长期受到自然环境的腐蚀作用,腐蚀疲劳问题突出,严重危及车辆和行人安全。现有锈蚀钢筋混凝土T梁疲劳性能研究主要集中于疲劳寿命和破坏形态,对中途使用阶段剩余承载力的计算和退化规律少有研究。为保证钢筋混凝土T形梁桥运营阶段的安全,为其加固、限载或拆除重建提供技术指导,对锈钢筋混凝土T梁疲劳剩余承载力的研究非常重要。鉴于此,本文从理论分析、疲劳试验研究、数值模拟三方面对锈蚀钢筋混凝土T梁疲劳承载力进行研究。论文主要研究内容和结论如下:(1)基于混凝土和钢筋疲劳剩余强度包络线理论,考虑锈蚀的影响,得到改进的包络线方程,计算出材料疲劳后的剩余强度。对T梁正截面抗弯承载力公式中的材料强度进行修正,得到基于材料疲劳累积损伤的锈蚀钢筋混凝土T梁疲劳剩余承载力计算公式。通过对已有钢筋混凝土梁疲劳试验中的刚度损伤进行拟合,比较和选择了合适的刚度退化函数。基于梁任意疲劳加载后损伤的唯一性,引入承载力退化-刚度退化关联模型,探讨了基于刚度退化计算锈蚀钢筋混凝土T梁疲劳剩余承载力的思路和方法。(2)对1根未锈T梁进行静载试验,3根锈蚀率为3%、6%和9%的T梁进行相同应力幅下的疲劳试验。结果表明:混凝土、钢筋应变和挠度随循环次数的变化具有明显三阶段特征,初始加载阶段应变发展迅速,中间阶段应变发展缓慢,临近破坏时应变发展较快,锈蚀率增大,试件很快破坏,三阶段特征相对不明显。此外,还对1根锈蚀率为6%的T梁进行疲劳中途静载破坏试验,得到对应的疲劳剩余承载力,验证了基于材料累积损伤的锈蚀钢筋混凝土T梁疲劳剩余承载力计算公式的合理性和正确性,同时计算出承载力退化-刚度退化的关联参数,得到基于刚度退化的锈蚀钢筋混凝土T梁疲劳承载力计算公式。(3)对疲劳损伤后混凝土和锈蚀钢筋的本构关系进行修正,用ANSYS软件建立有限元模型,分析不同锈蚀率和应力幅的钢筋混凝土T梁疲劳加载过程中挠度、刚度和承载力等退化规律,与试验结果对比,验证了有限元分析模型的可行性和准确性。模拟结果表明:疲劳加载过程中,梁的初始刚度随锈蚀率增大而减小,刚度退化速率随应力幅的增大而加快。锈蚀率决定了梁疲劳初始承载力,应力幅决定了梁疲劳破坏时的承载力。锈蚀率越大,梁的承载力退化越严重;应力幅越大,梁的承载力很快退化至疲劳荷载上限,梁疲破坏。高锈蚀率的梁在大应力幅作用下,疲劳寿命将急剧减小,承载力迅速退化,发生脆性破坏。
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