滨海预应力混凝土桥梁腐蚀与疲劳耦合失效机理及其劣化过程分析方法研究

滨海地区预应力混凝土桥梁在腐蚀环境与疲劳荷载耦合作用下，面临着突然失效的潜在风险。因而摸清预应力混凝土桥梁在腐蚀与疲劳耦合作用下渐进损伤过程与突然失效的机理，提出其全寿命性能劣化过程分析方法，具有重要的学术意义和工程价值。本项目拟针对滨海预应力钢筋混凝土桥梁，通过现场实测、模型试验、理论分析与数值模拟相结合，提出适合程序分析的多因素耦合作用下混凝土截面氯离子扩散过程的数值模拟方法；摸清腐蚀与疲劳耦合作用下钢筋、钢绞线与混凝土粘结滑移退化过程及混凝土内部钢筋、钢绞线受腐蚀与疲劳交互影响的损伤-断裂机制；建立预应力混凝土桥梁非线性多尺度分析模型，提出预应力混凝土桥梁腐蚀疲劳失效全过程数值模拟方法；提出疲劳与腐蚀耦合作用下预应力钢筋混凝土桥梁全寿命性能快速分析与时空可靠度分析方法。研究成果可为预应力混凝土桥梁全寿命设计、劣化效应模拟、剩余寿命估算与运营安全控制等提供理论依据与技术支撑。

滨海地区预应力混凝土桥梁在腐蚀环境与疲劳荷载耦合作用下，面临着突然失效的潜在风险。因而摸清预应力混凝土桥梁在腐蚀与疲劳耦合作用下渐进损伤过程与突然失效的机理，提出其全寿命性能劣化过程分析方法，具有重要的学术意义和工程价值。本项目系统开展了滨海预应力混凝土桥梁腐蚀与疲劳耦合失效机理及其劣化过程分析方法研究，取得了创新性成果。建立了基于细胞自动机原理的考虑时空变异性、水灰比、应力状态等因素影响的混凝土氯离子侵蚀模型，开发了基于Matlab环境的细胞自动机氯离子扩散程序，提出了针对材料、截面与构件层次对预应力钢筋混凝土桥梁的退化全过程分析方法。提出了钢筋混凝土桥梁结构在运营荷载下疲劳失效全过程数值模拟的简化方法与公路钢筋混凝土桥面板疲劳失效过程的数值分析方法，可实现公路钢筋混凝土桥梁疲劳失效过程的快速精确模拟。针对公路钢桥正交异性桥面板的疲劳开裂问题，本项目提出了能追踪疲劳裂纹扩展方向、速率与寿命的精细模拟方法，可为公路正交异性钢桥面板的抗疲劳设计和疲劳开裂加固提供理论支撑。提出了基于压电智能传感器的混凝土内部裂纹损伤监测方法，并设计拉拔式钢筋与混凝土粘结性能测试试件，考虑不同的锈蚀率对粘结滑移关系退化过程的影响，采用电化学加速腐蚀方法控制锈蚀率，采用压电陶瓷传感器监测因锈蚀导致粘结滑移退化过程中的压电波传播规律的变化，量化分析了锈蚀钢筋与混凝土的粘结滑移关系退化过程，在此基础上建立了钢筋锈蚀和疲劳荷载耦合作用下钢筋混凝土结构的粘结滑移本构关系。基于疲劳损伤累积理论，分析了滨海条件下的预应力钢筋混凝土箱梁桥的腹板疲劳损伤机理，并提出了箱梁腹板疲劳寿命评估方法。通过引入临界损伤的概念，建立了预应力钢筋损伤-断裂一体化理论的疲劳寿命评估方法。基于非线性多尺度有限元模型与车桥耦合振动分析，提出了疲劳与腐蚀耦合作用下预应力钢筋混凝土桥梁剩余寿命分析方法。课题组开发了适用于各类复杂公路桥梁的车桥耦合振动分析程序，研究了多座桥梁冲击效应引起的应力幅增大规律，开发了基于动态称重系统数据的公路桥梁随机车流模拟的细胞自动机模型和程序，开发了基于健康监测实测数据进行公路桥梁疲劳寿命快速分析系统。提出了基于车桥耦合振动效应、钢筋腐蚀疲劳裂纹扩展，考虑疲劳与腐蚀耦合影响的公路钢筋混凝土桥梁疲劳可靠度分析方法，并在滨海条件下多座预应力钢筋混凝土桥梁工程中取得了应用。