海工预应力混凝土结构耐久性试验相似理论探索与工程应用研究

Modern pre-stressed concrete structure is the most widely used and has the most potential in the fields of civil and transportation engineering etc. Its durability, however, has attracted concern of engineers and scholars. The current analysis method primarily focuses on artificially indoor fasting testing of specimens . Some differences between test specimen and actual structure can affect the application value of experimental results to some extent. Durability test similarity theory and its application research can provide an effective way to these challenges, and related researches at home and abroad have been rarely reported. According to our related research achievements, marine pre-stressed concrete structures were chosen as research objects, and relevant durability test similarity theory and its application in real engineering will be carried out, based on corresponding detection. It mainly involves that, the durability test method of pre-stressed concrete structure under load in simulated marine erosion environment will be put forward. The main objective is to explore similarity theory resolve for durability test and its engineering application (including similar modeling theory, method and application, etc.), and research of durability basic theory and design method for structures will be carried out. Relevant research results could provide not only theory and methods for the life cycle design and evaluation of these structures, but also basis for the revision and improvement of related standards and codes.

现代预应力混凝土结构是我国土木、交通等领域应用最为广泛和最具潜力的一种结构，其耐久性问题的探讨已逐步引起工程界和学术界的关注。目前相关分析手段以人工室内快速试验为主。由于多种原因试验模型与实际结构之间会存在一定差异，它不同程度地影响其研究结果的工程应用价值。耐久性试验相似理论及其应用研究可为该类问题的解决提供一个有效途径，相关研究国内外很少报道。本项目在申请人已有相关研究成果的基础上，选择海工预应力混凝土结构为研究对象，以相应参照物检测为依据，开展相关耐久性试验相似理论及其工程应用研究。主要内容有：提出模拟海洋侵蚀环境下该类结构在荷载作用下的耐久性实验方法；重点开展该类结构耐久性试验相似理论探索与工程应用研究（包括相似建模原理、方法与应用示范等）；继续开展该类结构耐久性基础理论与设计方法研究等。相关研究成果可为后期该类结构全寿命设计与评估提供理论与方法，并为相关规范的修改与完善提供依据。

本项目以海工预应力混凝土结构为研究对象，以服役参照物损伤实测为依据，围绕环境、时间、材料特性和空间尺寸等方面，实现研究对象、参照物和试验构件之间的相似转换开展了试验方法、侵蚀规律相似理论分析以及工程应用等研究工作。主要成果有：1）以江苏连云港码头沿海区域为典型侵蚀环境，选择不同服役期海工预应力混凝土结构物作为参照物，进行侵蚀环境参数调查、参照物损伤情况实测、机理分析；2)依据人工气候模拟试验技术，基于环境相似、几何相似、荷载相似、侵蚀效应相似，建立了与代表性侵蚀环境区域（大气区、干湿交替区、水下区）相对应的室内加速试验方法，开展了预应力混凝土耐久性相似室内加速试验；3）研究了氯离子在环境与应力耦合作用下在混凝土内传输规律，探讨了水胶比、应力水平、干湿比、粉煤灰掺量及混凝土开裂状态等因素对预应力混凝土结构氯离子侵蚀特性的影响；研究了氯盐侵蚀作用下钢筋表面锈蚀分布几何特征，建立了锈蚀钢筋、预应力筋力学性能退化模型；4）建立了大气区、干湿交替区典型氯盐侵蚀环境下预应力混凝土中氯离子传输的环境-时间相似模型；根据不同应力状态、应力比对龄期衰减系数进行修正，基于该模型，提出服役预应力混凝土结构寿命预测方法及耐久性设计建议；基于开裂准则建立了混凝土损伤演化方程，并依据试验结果建立了加速试件与服役结构间的损伤相似关系；5）基于弹塑性力学方法，结合Faraday腐蚀定理，建立了均匀锈胀开裂时间预测模型；基于弹性力学方法建立了非均匀锈胀开裂理论分析模型；研究了氯盐侵蚀后PC梁的受力性能，为锈蚀PC梁的两类极限状态设计方法研究提供了实验支撑。通过此项目研究工作，课题组共培养了1位博士后、1位博士、8位硕士；出版专著1部(获中科院出版基金资助)；获市厅级以上科技成果奖2个；发表学术论文33篇，其中SCI检索3篇、EI检索5篇；申请并获批专利7项。在此项目牵引下成功申报国家自科基金项目4项、省自科基金项目2项。