基于空间多维特征的混凝土箱梁劣化机理及耐久性

Concrete box girders are the most common bending members in high-speed railway, highway and municipal bridges. Because of the structural features of hollow and thin walls, there are spatial and multi-dimensional features in sectional stress distribution and environmental factors corrosion. Based on the multi-dimensional features of corrosion under environmental effects and stress states under service loads, considered with the more liable corrosion facts of carbonization and chloride ion erosion, the deterioration prediction models and nonlinear time-varying mechanical analysis method will be established using lab accelerated degradation test, nonstationary diffusion theory, cellular automaton model and nonlinear finite element method. The multi-dimensional deterioration mechanism of concrete box girder under the joint actions of load, carbonization and chloride ion erosion will be analyzed. The life prediction and durability design methods of concrete box girders based on multi-dimensional stress and erosion characteristics will be proposed. The research results can provide theoretical supports for the durability design, evaluation and promotion of concrete box girder.

混凝土箱梁是高速铁路、公路和市政桥梁中最常见的主梁构件，其空心薄壁的构造特征，在受力及环境因素侵蚀方面均具有空间多维性。课题基于箱梁受环境腐蚀和使用荷载下应力状态的多维性特征，针对混凝土箱梁服役中最易出现的碳化和氯离子侵蚀，结合室内加速劣化试验、非稳态扩散理论、元胞自动机模型及非线性有限元方法，建立混凝土箱梁基于空间多维特性的劣化预测模型及非线性时变力学分析方法，分析混凝土箱梁在荷载与碳化及氯离子侵蚀共同作用下的多维劣化机制，提出混凝土箱梁基于多维受力和侵蚀特性的寿命预测及耐久性设计方法。研究成果可为混凝土箱梁的耐久性设计、评价和提升提供理论支撑。

针对桥梁工程中占比较大的混凝土箱梁桥，对基于空间构造特性的混凝土箱梁力学行为、劣化机理及耐久性能进行了系统研究。主要成果有：1）针对混凝土箱梁的空间受力特点，基于能力变分原理，建立了混凝土箱梁剪力滞、扭转及畸变效应等空间力学分析方法，揭示了结构设计参数对箱梁空间多维应力特征的影响规律。2）以混凝土箱梁空间多维多向侵蚀为重点，通过室内加速侵蚀试验，研究箱梁在单因素及多因素环境条件下的碳化和氯离子侵蚀规律，并基于非稳态扩散理论的Fick第二定律，结合元胞自动机和ANSYS热传导理论，建立了混凝土箱梁受碳化和氯离子多维侵蚀的数值模型和有限元模型，研究了碳化和氯离子在混凝土箱梁中的多维侵蚀机理，建立了基于空间构造特性的混凝土箱梁碳化、氯离子多维、多因素侵蚀预测模型。3）自主研制了混凝土箱梁受劣化实验装置，开展了环境与荷载耦合作用下混凝土箱梁室内加速劣化实验，揭示了混凝土箱梁在碳化、氯离子侵蚀及其复合环境与荷载耦合作用下的多维劣化机制；建立了碳化、氯离子侵蚀及其复合环境与荷载耦合作用下混凝土箱梁多维劣化预测CA模型，并编写了相应的分析程序。4）基于既有纤维梁理论，考虑材料性能的劣化和附加的轴向位移，创造性地建立了基于十三自由度纤维梁模型的混凝土箱梁非线性分析理论，并编制了相应的分析程序，研究了混凝土箱梁在长期环境与荷载耦合作用下的非线性力学性能及其演变规律。5）基于可靠度理论建立了混凝土箱梁多维多向劣化分区准则，提出了混凝土箱梁基于多维受力和侵蚀特性的寿命预测及耐久性设计方法，并开发了软件。. 研究成果可为混凝土箱梁空间力学行为分析、环境与荷载耦合作用下混凝土箱梁的耐久性分析、劣化后结构的力学性能评价以及寿命预测等相关耐久性科学问题提供重要的参考，为工程中大量存在的混凝土箱梁的耐久性设计、既有箱梁的耐久性评价和技术提升、延长结构使用寿命提供理论支撑。