往复荷载作用下PHC管桩的海水腐蚀机理与水平承载性状研究

高强度预应力混凝土管桩（PHC管桩）有其自身的成桩特点，带裂缝工作是其普遍情况。当处于海洋腐蚀环境时，还承受着波浪、海流、风、潮汐等多种往复荷载作用。现有调查表明，腐蚀引起PHC管桩结构强度减低、水平承载力下降的情况已相当普遍和严重,有必要对带裂缝PHC管桩在海洋腐蚀环境下的腐蚀损伤机理及其水平承载性状进行系统研究。本项目主要采用室内模型试验、现场调查、理论解析与数值模拟等综合研究手段，在探讨PHC管桩裂缝宏细观分布规律和带裂缝PHC管桩海水腐蚀机理的基础上，重点研究海水腐蚀与往复荷载共同作用下PHC管桩裂缝演变扩展规律与氯离子侵蚀机理，建立其氯离子扩散模型与钢筋锈蚀模型。探讨桩身结构强度、刚度随时间衰减的规律，提出海洋腐蚀环境下PHC管桩水平承载能力、侧向长期变形的分析计算理论。进一步探讨各随机变量的分布类型、时变特征和失效准则，建立其水平承载时变可靠度的分析计算方法。

海洋环境中氯离子侵蚀引起的钢筋锈蚀将导致PHC管桩桩身结构强度的不断劣化，以及水平荷载作用下桩基长期抗力的不断衰减。本项目对海洋环境下PHC管桩中氯离子扩散规律、桩身结构损伤劣化规律和锈蚀损伤PHC管桩的水平承载性状及其力学性能进行了试验研究和理论分析，建立了海水腐蚀条件下PHC管桩中氯离子扩散模型及氯离子侵蚀PHC管桩的寿命预测理论模型，研究了裂缝、氯离子结合能力以及温度等对海洋环境下PHC管桩中氯离子扩散性能及耐久寿命的影响。研究结果表明，随着裂缝宽度的不断增大，相同暴露时间条件下钢筋表面的氯离子浓度增加越快，PHC管桩的耐久寿命急剧减小。氯离子结合的增大延长了PHC管桩的耐久寿命。环境温度越高，管桩中相同深度处的自由氯离子浓度越大，PHC管桩的耐久寿命严重减小。通过引入桩身刚度折减系数，揭示了海水腐蚀条件下PHC管桩桩身刚度的衰减规律，提出了海洋环境下PHC管桩水平承载力与侧向长期变形分析计算理论，分析研究了海洋环境下锈蚀损伤PHC管桩水平承载性状的时变特性。研究结果显示，海洋环境条件下服役的PHC管桩的水平承载性状具有明显的时变特性。随着暴露时间的延长，桩身抗弯刚度呈非线性衰减，桩顶水平位移和桩身负剪力最大值逐渐增大，桩身弯矩逐渐减小。基于氯离子侵蚀PHC管桩寿命预测理论模型，提出了基于概率极限状态的PHC管桩耐久寿命时变可靠度分析方法。分析结果表明，钢筋初始锈蚀阶段的失效概率随表面氯离子浓度的增大而逐渐增大，随临界氯离子浓度、氯离子表观扩散系数、龄期系数和管桩保护层厚度的增大而逐渐减小。随着钢筋锈蚀速率、弹性模量和体积膨胀率的增大，锈胀裂缝产生阶段的失效概率逐渐增大。而随着抗拉强度和保护层厚度的增大，锈胀裂缝产生阶段失效概率逐渐减小。