环境和疲劳荷载耦合作用下带损伤混凝土结构的残余寿命分析

The damaged in-service concrete structures suffer from the attacks of both environment and fatigue loads, and they often fail with much shortened service lives. It leads to great research significance to predict their premature failures for both practical and theoretical needs; however, related experimental and analytical work has seldom been done. Based on the recent progress on the multi-scale modeling of structural concrete, this project is proposed to establish a new computational scheme for the residual life prediction of the damaged structures subjected to coupling effect of environmental actions and fatigue loads, which tries to use current inspected damage as the initial state for analysis. This study includes:①the equivalent input method of inspected damage(such as cracking data, corrosion and so on)for finite element analysis; ②modeling of mass transport and steel corrosion in fatigue damaged concrete and its verification;③experimental and theoretical study on the constitutive modeling of the corroded reinforced concrete in the artificial climate environment; ④development of a new multi-scale analytical software based on the above research results; and the trial analyses will be carried out for real damaged in-service concrete structures. This research aims to provide an easy and accurate tool for the residual life assessment of the damaged in-service concrete structures and tries to meet the demands of the safe operating management for the social infrastructures.

处于带损伤服役状态的混凝土结构，由于受到环境和疲劳荷载的耦合作用，常常发生过早破坏现象。而目前相关的试验研究和理论分析成果较少，因此研究该问题具有重要的现实和理论意义。本研究拟在继承和发展现有混凝土多尺度耦合分析方法的基础上，尝试研究建立以当前损伤状态作为起始点的计算方法，用于预测结构在环境和疲劳荷载耦合作用下的残余寿命。主要研究内容包括：①研究结构当前损伤状态（开裂、锈蚀）与有限元对应的等效输入方法；②提出并验证受疲劳损伤混凝土内的物质传输模型和钢筋锈蚀率预测模型；③人工气候环境中锈蚀的钢筋混凝土材料的疲劳试验及本构关系研究；④综合以上研究工作，开发可以适用于带损伤混凝土结构的多尺度耦合分析软件,并用于实际损伤结构分析。本研究旨在为实际在役损伤混凝土结构的残余寿命预测提供简便而准确的分析手段，以适应基础设施安全运行管理的需要。

处于带损伤服役状态的混凝土结构，由于受到环境和疲劳荷载的耦合作用，常常过早破坏现象。而目前相关试验研究和理论分析成果较少，因此研究该问题具有重要的现实和理论意义。本项目从室内实验、理论分析，有限元模拟三个方面开展研究。实验方面，开展了荷载与氯盐环境耦合作用下钢筋混凝土梁的疲劳性能试验研究，发现受荷载和氯盐环境耦合作用时，梁的残余静力性能和疲劳性能都会显著下降。裂缝部位钢筋的局部坑蚀和腐蚀疲劳作用是导致梁的力学性能下降的主要原因，相关成果为建立受损伤混凝土内部物质传输模型和钢筋锈蚀率预测模型奠定了基础。理论分析方面研究建立了钢筋-混凝土粘结疲劳本构模型，锈蚀后钢筋-混凝土有效粘结长度模型，初步完善了锈蚀后钢筋混凝土结构疲劳有限元分析的基本框架，阐释了自然锈蚀环境和通电锈蚀环境对锈蚀结构疲劳性能的影响，并通过分别模拟两种锈蚀环境条件下钢筋混凝土梁的疲劳力学实验进行了验证。有限元模拟方面，以桥面板为例，研究建立了基于工程现场缺陷检测的损伤输入方法研究，并开发了结构残余疲劳寿命分析软件。项目研究工作基本上按照计划执行完成，并达到了预期目标。