在役混凝土箱梁桥时变承载力的分析理论及试验研究

混凝土箱梁桥，一方面其构成的混凝土材料和钢筋的性能随着时间、环境等会发生性能退化，其使用性能和承载力会随之降低；另一方面，箱梁桥的受力十分复杂，以往基于平面杆系理论的抗弯剪强度设计方法存在有很大的局限性，易造成结构的弯扭开裂，严重时出现抗弯扭强度不足的倒塌破坏。本课题从箱梁结构三维空间的层面，考虑其混凝土和钢筋性能退化的规律及数学模型，基于非线性分析理论，研究这类箱梁桥结构的时变承载力分析理论，并进行试验研究，验证混凝土箱梁桥结构时变承载力及其破坏模式，揭示混凝土箱梁桥不同受力状态的承载机理，研究提出一套适用箱梁桥弯扭设计的实用设计方法。

基于全寿命周期理论，对在役混凝土桥梁的性能劣化机理展开了研究，提出了基于荷载影响因子和氯离子结合能力的两种因素耦合的氯离子扩散的修正模型，与传统的考虑单一因素的氯离子扩散模型相比，修正的氯离子扩散模型更贴近混凝土桥梁的实际，更加合理，在此基础上，进一步研究提出了考虑荷载影响因子和氯离子结合能力的两种因素的钢筋锈蚀模型，并用于桥梁各构件的时变可靠度与失效概率和剩余使用寿命的预测；同时，基于空间非规则单元元胞自动机研究，提出了一种新的氯离子在混凝土内扩散的算法模型，它能考虑浓度梯度引起的扩散和压力梯度引起的渗透及两者协同作用。考虑服役过程中荷载—环境的相互作用，提出了锈蚀钢筋的名义弹性模量和锈蚀系数以反映钢筋在锈蚀过程中的变形特征，研究给出了荷载—环境耦合效应分析的数学模型，推导了混凝土分离式和组合式两种模型中的耦合分析的有限元方程，采用Fortran语言编程实现和嵌入上述模型，并给出了计算实例进行验证。本研究还从理论、试验和数值分析的角度，对钢筋混凝土箱梁的复合受力特性进行探索，提出了基于桁架模型的复合受力钢筋混凝土箱梁构件迭代配筋设计方法，并给出了详细的计算流程；同时，进行了钢筋混凝土双跨连续箱梁复合受力模型试验及理论分析研究，提出了适用于钢筋混凝土箱梁复合受力全过程分析的改进板-桁模型，并基于所提出的理论编制了计算程序，同时对考虑钢筋-混凝土界面粘结滑移性能混凝土箱梁结构的裂缝和时变极限承载力进行了应用研究和预测。