氯盐与重复荷载共同作用下沿海砼结构长期性能退化机理及提升技术研究

For marine concrete structures in the chloride contaminated environment, the performance degradation of durability caused by reinforcement corrosion and the fatigue failure induced by repeated loads will greatly affect the structural safety and service life. The efforts done to study and improve these structures’ long-term performance under the coupling effect of chloride and repeated loading have great theoretical significance and engineering value. Based on the research achievements obtained from applicant’s recent studies, the main following works will be performed in this research subject from three levels of material, element and structure. Firstly, from the material level, the transport mechanism of chloride in concrete, the development of reinforcement corrosion, the degradation of mechanical performance of corroded steel bar and the enhancement effect of modified materials on structural performance will be experimentally studied and evaluated under the action of repeated loading. Secondly, based on the tests and theoretical analysis done on reinforced concrete elements, the fatigue properties of the bonding between the corroded steel bar and concrete and the fatigue life of corroded reinforced concrete element will be discussed and their prediction models will be built using the damage mechanics and reliability theory. Finally, the assessment technique of long-term performance and the design method will be discussed from the structural level. Through the comprehensive analysis of the four aspects of performance enhancement design, prediction and assessment of the structural long-term performance, strategy of maintenance and repair and the life-cycle cost, the enhancement technology of durability and the theoretical framework of design based on the long-term performance will be proposed for marine concrete structures. Relevant research achievements could provide some references to the development of design theory of concrete structures.

对于沿海氯盐环境中的混凝土结构，钢筋锈蚀引起的耐久性能退化和重复荷载造成的疲劳破坏严重威胁着结构的安全和服役寿命；研究和提升该类结构在两者共同作用下的长期性能具有十分重要的理论意义和工程价值。本项目在申请人已有研究成果的基础上，从“材料、构件、结构”三个层次出发，拟开展以下工作：首先从材料层次出发，进行重复荷载作用下混凝土内氯离子传输机理、钢筋锈蚀发展过程、锈蚀钢筋力学性能退化以及改性材料的提升效果等方面试验研究和评价；然后通过构件层次的试验与理论分析，探讨锈蚀钢筋混凝土粘结疲劳特性以及锈蚀钢筋混凝土构件的疲劳寿命，借助损伤力学与可靠度理论建立相应的分析预测模型。最后开展结构层次的性能评估与设计，结合性能提升设计、长期性能预测与评估、维护与维修策略以及全寿命经济成本等方面的综合分析，提出基于性能的沿海混凝土结构耐久性提升与设计理论框架。相关研究成果可为混凝土结构设计理论的发展提供一定参考。

对于沿海混凝土结构，以钢筋锈蚀为主的性能退化以及重复荷载造成的损伤破坏已严重影响着结构的安全和服役寿命，提升该类结构的长期性能具有十分重要的理论和应用价值。本项目在国家自然科学基金委的资助下，选择氯盐与重复荷载共同作用下海工混凝土构件为研究对象，对其材料物理力学性能、钢筋粘结性能、构件受弯承载性能等耐久性退化，以及长期性能提升技术与效果评价等方面进行了重点攻关。主要工作及成果有：1）设计并实施了氯盐与重复荷载共同作用、先施加重复荷载后进行氯盐侵蚀、冻融与氯盐侵蚀交替作用等3种耦合作用机制，分别对6种海工混凝土与2类筋材的耐久性能、两者粘结性能、梁长期受弯性能进行了试验研究；2）分析了重复荷载水平（0.4以内）、裂缝宽度等因素对海工混凝土氯离子侵蚀特性的影响，提出了考虑混凝土损伤的氯离子扩散计算模型；3）探讨了受力混凝土内钢筋锈蚀发展特点、自然与通电锈蚀时间相似关系以及锈蚀钢筋强度计算与有限元分析模型，给出了氯盐和高温环境下混凝土内GFRP筋力学性能退化计算方法；4）提出了考虑环境作用效应及重复荷载水平的海工混凝土梁受弯承载力退化计算模型，以及重复荷载作用后海工混凝土梁短期刚度预测方法；5）评价了MICP微生物矿化技术对开裂混凝土的裂缝修复效果、以及抑制混凝土碱骨料反应并提高抗压强度的作用，为提高混凝土长期性能提供一种新方法；6）对比分析了引气、微裂缝自修复及阻锈等技术对海工混凝土耐久性能、混凝土梁长期性能及耐久寿命的提升效果，并给出了相应的设计建议；7）在考虑降低钢筋锈蚀风险、提高结构经济性能的基础上，提出了混合配筋混凝土结构的耐久性设计方法，并对其长期性能的提升效果进行了评价。上述研究成果可为氯盐与重复荷载共同作用下的海工混凝土及其构件的设计与性能评估、维护维修策略及长期性能提升等相关科学问题的研究提供有效参考，为海工混凝土结构全寿命设计理论的发展与应用提供一定的借鉴。