详情

原文传递季节性腐蚀与疲劳耦合下钢筋混凝土桥梁寿命预测方法

专利名称：	季节性腐蚀与疲劳耦合下钢筋混凝土桥梁寿命预测方法
摘要：	本发明公开的季节性腐蚀与疲劳耦合下钢筋混凝土桥梁寿命预测方法，将钢筋混凝土桥梁的寿命分为三个阶段：锈蚀初始‑纯疲劳裂纹发展阶段、锈坑与疲劳裂纹竞争发展阶段、结构失效阶段；基于Fick第二扩散定律并考虑混凝土锈胀开裂损伤的影响，建立钢筋锈蚀初始和锈坑增长模型；试验模拟四季环境影响下钢筋裂纹扩展规律，确定疲劳裂纹增长表征参数；构建考虑应力集中影响的应力强度因子模型，提出与四季环境相对应的钢筋腐蚀疲劳裂纹增长分析方法；明确结构失效准则，结合车辆荷载观测信息，系统考虑锈坑增长与疲劳裂纹增长的竞争耦合关系，实时判别失效模式，实现桥梁寿命预测。本方法新颖、合理，可为服役混凝土桥梁的安全性评定提供技术支持。
专利类型：	发明专利
国家地区组织代码：	湖南;43
申请人：	长沙理工大学
发明人：	马亚飞;郭忠照;王磊;张建仁
专利状态：	有效
申请日期：	2018-08-30T00:00:00+0800
发布日期：	2019-05-31T00:00:00+0800
申请号：	CN201811001739.9
公开号：	CN109827855A
代理机构：	北京科亿知识产权代理事务所(普通合伙)
代理人：	汤东凤
分类号：	G01N3/32(2006.01);G;G01;G01N;G01N3
申请人地址：	410000 湖南省长沙市天心区赤岭路45号
主权项：	1.季节性腐蚀与疲劳耦合下钢筋混凝土桥梁寿命预测方法，其特征在于，该方法包括以下步骤： (1)基于Fick第二扩散定律得到混凝土内钢筋的锈蚀初始时间；同时，在钢筋锈蚀初始之前，采用小裂纹增长与近阈值裂纹增长分析，得到材料微观缺陷和车辆荷载引起的钢筋纯疲劳裂纹增长长度； (2)采用锈蚀电流密度表示钢筋锈蚀速率，计算混凝土保护层开裂时间和开裂至临界宽度的时间，得到考虑混凝土保护层锈胀开裂损伤影响的钢筋锈蚀速率模型；根据锈蚀速率模型，计算钢筋锈坑的增长速率以及锈坑深度，具体如下所述：开展钢筋在不同锈蚀程度下的疲劳试验或有限元分析，获得不同锈蚀程度下应力集中因子并融入到应力强度因子模型中；根据不同季节的环境特点，模拟春季环境，开展纯水喷雾环境下的钢筋疲劳裂纹扩展试验；模拟夏季环境，开展纯水环境下的钢筋疲劳裂纹扩展试验；模拟秋季环境，开展低浓度氯盐溶液环境下的钢筋疲劳裂纹扩展试验；模拟冬季环境，开展高浓度氯盐溶液环境下的钢筋疲劳裂纹扩展试验；根据试验结果确定材料在对应环境下的疲劳裂纹增长模型的相关参数；由含有应力集中因子的应力强度因子模型和不同季节环境下的疲劳裂纹增长模型，得到季节性腐蚀影响下的钢筋疲劳裂纹增长模型；结合车辆荷载观测信息，计算混凝土内钢筋疲劳裂纹的增长速率以及增长长度； (3)根据上述季节划分特点，以钢筋锈蚀初始时间为起点，以一个季度为时间间隔，对钢筋裂纹增长模型进行循环交替计算，比较锈坑与疲劳裂纹的增长速率和尺寸大小；在钢筋疲劳裂纹与锈坑的竞争过程中，实时判别结构失效模式；所述结构失效模式包括以下两种：之一：锈坑增长导致结构失效，即锈坑增长在桥梁退化过程中起主导作用，锈坑增长减小钢筋的横截面面积、降低结构的抗弯承载力，当锈坑达到一定深度时，结构抗弯承载力不足，则结构失效；之二：疲劳裂纹增长导致结构失效，即疲劳裂纹增长在结构退化过程中起主导作用，疲劳裂纹增长至临界裂纹长度，则结构失效；桥梁总寿命为钢筋锈蚀初始时间、钢筋锈坑增长与疲劳裂纹增长的竞争时间、桥梁结构失效时间三者之和。 2.根据权利要求1所述季节性腐蚀与疲劳耦合下钢筋混凝土桥梁寿命预测方法，其特征在于，所述步骤(1)还包括以下步骤： (1-1)确定钢筋锈蚀初始时间：基于Fick第二扩散定律，当钢筋表面氯离子浓度达到临界氯离子浓度时，钢筋开始锈蚀，锈蚀初始时间可表示为式中：Ti为钢筋锈蚀初始时间；Dc为扩散系数；C0为混凝土表面氯离子浓度；erf()为误差函数；C为保护层厚度；Ccr为临界氯离子浓度； (1-2)钢筋未锈蚀前的纯疲劳裂纹增长：首先，确定钢筋初始裂纹长度。等效初始裂纹并非真正裂纹，而是为了促进疲劳寿命预测所采用的一种等效长裂纹增长分析，等效初始裂纹尺寸可表示为式中：ai为等效初始裂纹长度；ΔKth,p为临界应力强度因子；Δσf为疲劳极限；Y为几何修正因子；其次，确定钢筋未锈蚀前的裂纹增长速率。钢筋疲劳裂纹增长速率可表示为式中：da/dN为疲劳裂纹增长速率；a为裂纹长度；N为疲劳循环次数；ΔK为应力强度因子幅值；Cp、mp为无量纲参数；通过开展空气环境下的钢筋材料疲劳裂纹扩展试验，得到裂纹增长速率da/dN与应力强度因子幅值ΔK的关系曲线(即da/dN～ΔK曲线)，并由该曲线拟合得到Cp、mp、ΔKth,p；由于钢筋在锈蚀初始之前未受到锈坑影响，其应力强度因子幅值可表示为式中：Δσ为应力幅值，钢筋应力大小可通过有限元模拟或《混凝土结构设计规范GB50010-2010》计算获得；最后，从桥梁建造完成至钢筋锈蚀初始这段时间，钢筋纯疲劳裂纹增长长度可由下式计算得到式中：f为车辆荷载频率；Nini为锈蚀初始时间内的荷载循环次数，即Nini＝f·Ti；aini为锈蚀初始时间内的钢筋纯疲劳裂纹长度；由式(5)可得钢筋纯疲劳裂纹增长长度aini为式中：Fp()为纯疲劳裂纹增长模型，即式(5)的积分函数。 3.根据权利要求1所述季节性腐蚀与疲劳耦合下钢筋混凝土桥梁寿命预测方法，其特征在于，所述步骤(2)还包括以下步骤：钢筋开始锈蚀后，钢筋锈坑增长与钢筋疲劳裂纹增长： (2-1)钢筋锈蚀初始之后，确定钢筋锈坑增长模型，经t年后，混凝土内钢筋表面的局部锈蚀深度为 p(t)＝0.0116R∫icorr(t)dt (7) 式中：p(t)为锈坑深度；R为腐蚀不均匀系数；icorr(t)为锈蚀电流密度；t为时间；钢筋表面附着的锈蚀产物会阻碍钢筋与外界之间的空气、水等介质的传输，导致锈蚀电流密度随锈蚀时间的增加逐渐减小。锈蚀电流密度为 icorr(t)＝32.1·(1-w/c)-1.64·(t-Ti)-0.29/C (8) 式中：w/c为水灰比；钢筋表面的锈蚀产物随时间增加而逐渐累积并膨胀，当锈蚀产物积累到一定程度将导致混凝土保护层胀裂。混凝土保护层开裂至临界裂缝宽度，即锈胀开裂损伤，为钢筋与外界之间的空气和水等介质的传输提供更为便利的条件，进一步加速腐蚀过程；通过引入一个加速系数kac来考虑混凝土锈胀开裂损伤对锈蚀速率的影响；根据以上锈蚀速率模型特点，在考虑混凝土保护层锈胀开裂损伤的影响后，钢筋锈坑深度增长模型可表示为式中：Tsp,lim为锈胀开裂损伤时间，Tsp,lim＝Ti+Tcr+Tcp；Tcr为锈蚀初始到混凝土锈胀开裂的时间；Tcp为开裂发展至临界裂缝宽度的时间；其中，式中：D为钢筋直径；d0为钢筋周围空隙厚度；υ为泊松比；ψ＝(D+2d0)2/2C(C+D+2d0)；ft为混凝土抗拉强度；Eef为混凝土有效弹性模量，Eef＝Ec/(1+φcr)；Ec为混凝土弹性模量；φcr为蠕变系数；式中：wlim为临界裂缝宽度；将锈坑深度p(t)对时间求导，得到钢筋锈坑深度的增长速率为钢筋锈坑将减小钢筋横截面面积，钢筋剩余截面面积可表示为式中： (2-2)开展锈蚀钢筋疲劳试验或有限元分析：钢筋锈蚀开始后，钢筋表面形成锈坑。锈坑导致钢筋表面产生应力集中；通过开展锈蚀钢筋的疲劳试验或有限元分析，获得不同锈蚀程度下的应力集中因子并融入到应力强度因子模型中；将锈坑引起的应力集中影响进行量化，采用下式计算锈坑根部应力强度因子，其中，Kt为应力集中因子；应力集中因子根据不同锈蚀程度钢筋的疲劳试验获得或采用有限元方法按实际锈坑尺寸建模计算，也可按下式计算 Kt＝3.453(p(t)+0.0056)0.239 (15) (2-3)试验模拟不同季节环境下钢筋疲劳裂纹扩展规律：将一年划分为春季、夏季、秋季和冬季四个阶段，在数值上，年份的小数位处于[0,0.25)、[0.25,0.5)、[0.5,0.75)和[0.75,1)这四个区间内，则分别对应春、夏、秋、冬四个季节；根据不同季节的环境特点，模拟不同季节环境，分别开展对应环境下的钢筋疲劳裂纹扩展试验，根据试验结果确定对应环境下的疲劳裂纹增长分析模型参数；由含有应力集中因子的应力强度因子模型，得到不同季节环境影响下的钢筋疲劳裂纹增长模型；结合观测的车辆荷载频率，将疲劳裂纹增长速率模型转化为时间t的函数，表示如下式中：Ca、Cb、Cc、Cd、ma、mb、mc、md、ΔKth,a、ΔKth,b、ΔKth,c、ΔKth,d为与材料相关的参数，分别由前述开展的对应环境下的钢筋疲劳裂纹扩展试验得到；一个季度时间内，钢筋疲劳裂纹增长长度可由下式求解得到式中：Nquarter为一个季度时间内的疲劳荷载循环次数，即Nini＝f·0.25；astart和aend分别为一个季度开始和结束时刻所对应的裂纹长度。若从秋季开始计算裂纹增长长度，则秋季开始时刻的裂纹尺寸astart等于等效初始裂纹尺寸ai；另外，某季度结束时刻的裂纹长度即为下一个季度开始时刻的裂纹长度，已知积分值、积分函数、积分下限，积分上限便可求得；由式(17)可得到一个季度结束时刻的裂纹长度aend为式中：Fa()、Fb()、Fc()、Fd()分别为春、夏、秋、冬四种季节环境下的疲劳裂纹增长模型函数。 4.根据权利要求1所述季节性腐蚀与疲劳耦合下钢筋混凝土桥梁寿命预测方法，其特征在于，所述步骤(3)还包括以下步骤：比较钢筋锈坑增长与疲劳裂纹增长，判定结构失效模式；根据上述钢筋锈坑增长规律以及钢筋疲劳裂纹增长模型的特点，锈坑增长与疲劳裂纹增长的竞争情况分为两大类：情况1，锈蚀初始时刻的纯疲劳裂纹长度小于锈坑深度，即锈坑溶解了纯疲劳裂纹，由于裂纹增长速率将越来越快，故疲劳裂纹追赶锈坑；情况1.1，若裂纹增长速率超过锈坑增长速率，且锈坑深度增长未导致结构失效，此时，至少存在一个时间点使得疲劳裂纹增长速率超过锈坑增长速率，该情况又可分为如下两种情况；情况1.1.1，仅存在一个时间点使得疲劳裂纹增长速率超过锈坑增长速率，说明从该时刻起，锈坑深度增长量无法再继续溶解疲劳裂纹增长量，则该时间点即为疲劳裂纹增长与锈坑增长的竞争结束时间点；情况1.1.2，存在两个时间点使得疲劳裂纹增长速率超过锈坑增长速率，该情况为疲劳裂纹增长速率在混凝土锈胀开裂损伤之前超过锈坑增长速率，即第一个时间点，在混凝土锈胀开裂损伤之后，锈坑增长速率由于突然增大从而超过裂纹增长速率，裂纹增长速率在混凝土锈胀开裂损伤之后再次超过锈坑增长速率，即第二个时间点，这种情况需要同时考虑疲劳裂纹和锈坑的增长速率、增长尺寸，进而判定疲劳裂纹增长与锈坑增长的竞争结束时间点；从第一个时间点到第二个时间点的这段时间，若锈坑深度增长量超过疲劳裂纹增长量，说明锈坑在锈胀开裂损伤之后追赶疲劳裂纹并最终追上了疲劳裂纹，即溶解掉了疲劳裂纹，在第二个时间点，裂纹增长速率再次超过锈坑增长速率，竞争结束时刻即为第二个时间点，反之，若锈坑深度增长量小于疲劳裂纹增长量，说明锈坑在锈胀开裂损伤之后追赶疲劳裂纹并最终未能追上疲劳裂纹，则竞争结束时刻即为第一个时间点。情况1.1的竞争阶段时间的具体计算过程以锈蚀初始时间为起点，首先判别时间起点位于哪个季节，再以一个季度为时间间隔，按照季节更替顺序、采用循环交替计算方法进行计算，计算式如下 Tcom＝n·0.25 (19) 式中：Tcom为疲劳裂纹增长与锈坑增长的竞争时间；n为计算过程在第n个循环达到了竞争结束时间点；情况1.2，若在裂纹增长速率超过锈坑增长速率之前，由于锈坑深度增长已经导致结构失效，则锈坑增长与裂纹增长的竞争时间为0，锈坑增长导致结构抗力不足的这个过程，即为结构失效阶段，并最终导致结构失效；情况2，锈蚀初始时刻的纯疲劳裂纹长度大于锈坑深度，即锈坑未能溶解纯疲劳裂纹；情况2.1，锈蚀初始时刻的裂纹增长速率大于锈坑增长速率，则锈坑不存在追上疲劳裂纹的可能性，疲劳裂纹增长直至临界裂纹长度，从而结构失效；情况2.2，锈蚀初始时刻的裂纹增长速率小于锈坑增长速率，锈坑追赶疲劳裂纹，此情况又可分为两种情况；情况2.2.1，锈坑追上疲劳裂纹，根据裂纹增长与锈坑增长规律，疲劳裂纹将再次追赶锈坑，此时整个竞争过程为：锈坑追赶裂纹并最终追上裂纹，之后，裂纹追赶锈坑；情况2.2.2，锈坑未追上疲劳裂纹，则情况2.2.2计算过程与情况2.1相同。对于情况2.2.1，竞争阶段时间的具体计算过程分为两个阶段，即锈坑追赶裂纹阶段和裂纹追赶锈坑阶段，同样地，以锈蚀初始时间为起点，首先判定时间起点处于哪个季节，再以一个季度为时间间隔，按照季节更替顺序、采用循环交替计算方法进行计算，锈坑追赶裂纹的时间为 Tptc＝n1·0.25 (20) 式中：Tptc为情况2.2.1中锈坑追赶裂纹阶段的时间，n1为计算过程从时间起点0至第n1个循环达到了锈坑追赶裂纹阶段的结束时间点。对于接下来的裂纹追赶锈坑阶段，计算同式(19)，可表示为 Tctp＝(n2-n1)·0.25 (21) 式中：Tctp为情况2.2.1中裂纹追赶锈坑阶段的时间，n2为计算过程中的第n2个循环达到了裂纹追赶锈坑阶段的结束时间点。至此，情况2.2.1的竞争总时间为： Tcom＝Tptc+Tctp (22) 对于情况2.1与情况2.2.2，锈坑未追上疲劳裂纹，锈坑增长与裂纹增长的竞争时间为0，疲劳裂纹增长至临界裂纹长度的过程即为桥梁结构的失效阶段，并最终导致结构失效；在对以上各竞争阶段的计算过程中，每间隔一个季度对锈坑增长导致结构失效的情况进行判别，锈坑导致结构失效的极限状态方程为 F(AS(t)，X)Z＝M(AS(t)，X)R-M(X)S (23) 式中：F(AS(t),X)Z为锈坑导致结构失效的极限状态方程，M(AS(t),X)R为结构抗弯承载力方程，AS(t)为钢筋剩余截面面积，X为包含结构构造参数、材料性能的随机变量，M(X)S为车辆荷载、结构自重产生的弯矩，由式(23)可知，存在某个时间t，锈坑深度导致结构抗弯承载力小于车辆荷载、结构自重产生的弯矩。当竞争阶段结束，疲劳裂纹增长至临界裂纹长度的这个过程即为结构失效阶段，首先判定竞争阶段的结束时间点处于哪个季节，再以一个季度为时间间隔，按照季节更替顺序、采用循环交替计算方法对裂纹扩展时间进行计算。若竞争阶段的结束时间点位于夏季，则疲劳裂纹增长至临界裂纹长度的时间表示如下：式中：Tfailure为失效阶段时间，a1、a2、a3、a4分别为夏、秋、冬、春四个阶段结束时刻的裂纹长度，ac为临界裂纹长度，可由材料的断裂韧性和作用的荷载获得，Ca,b,c,d代表从Ca、Cb、Cc、Cd中取值，ma,b,c,d代表从ma、mb、mc、md中取值，ΔKth,a,b,c,d代表从ΔKth,a、ΔKth,b、ΔKth,c、ΔKth,d中取值；综上所述，钢筋混凝土桥梁总寿命为 Tlife＝Ti+Tcom+Tfailure (25) 式中：Tlife为钢筋混凝土桥梁的总寿命。 5.根据权利要求1所述季节性腐蚀与疲劳耦合下钢筋混凝土桥梁寿命预测方法，其特征在于，该方法还包括以下步骤：针对春、夏、秋、冬的环境特点分别开展了纯水喷雾环境、纯水环境、低浓度氯盐溶液环境和高浓度氯盐溶液环境的钢筋疲劳裂纹扩展试验，在不同区域，对季节环境的模拟可结合当地环境进行调整。 6.如权利要求1所述季节性腐蚀与疲劳耦合下钢筋混凝土桥梁寿命预测方法，其特征在于，该方法还包括以下步骤：在数值上，将年份的小数位处于[0,0.25)、[0.25,0.5)、[0.5,0.75)和[0.75,1)这四个区间，分别对应春、夏、秋、冬四个季节，针对不同地理环境，四个季节在时间上的划分可做相应调整。
所属类别：	发明专利