断裂力学方法分析钢筋混凝土锈胀开裂

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1、硕士论文第一章绪论1．1引言目前，政府用于维护和加固沿海地区钢筋混凝土结构的预算比例越来越大，其主要原因是，沿海地区的钢筋混凝土结构长期处于氯离子含量较高的环境中，氯离子通过扩散进入到混凝土内部，破坏钢筋表面的钝化膜，引发钢筋生锈和膨胀，并进一步导致表面混凝土开裂和剥落、结构使用功能和力学性能的劣化，从而严重影响了结构的耐久性【1’2】。混凝土结构的耐久性问题导致结构在建成后还需要花费巨额费用进行维护和加固，以满足结构的正常使用要求。调查表明，1998年美国基础工程(公路、桥梁、大坝、供水系统等)总造价为6亿美元，而其后每年用于维修和重建的费用高达3千亿美元【3~5

2、】；英国每年为解决海洋环境腐蚀与防护问题就花费近20亿英镑；英格兰岛中部环形快车道上11座混凝土高架桥，当初建造费用2800万英镑，至U1989年因维修而耗资4500万英镑，是当初造价的1．6倍‘3。1；日本每年仅用于房屋结构维修的费用达400亿日元；前苏联有关资料统计发现，仅工业厂房受腐蚀损坏的总额就占其固定资产的16％，有些厂房的钢筋混凝土结构使用10年左右即严重损坏，有些建筑物的维修费用已超过其原造价【6】。我国也有类似情况。我国交通部有关单位曾分别于1963年，1965年和1980年针对我国沿海港口钢筋混凝土结构的锈蚀破坏情况，进行了3次调查17J。60年代

3、，对华南华北地区27座海港混凝土结构进行的调查发现，因钢筋锈蚀导致的结构破坏占74％；1980年由交通部四航局科研所主持的对华南18座码头调查的结果发现，80％以上都发生了严重或较严重的钢筋锈蚀破坏，出现锈蚀破坏的时间有的仅为5．10年。这些调查结果表明，1986年以前我国已建港口混凝土结构，因氯离子渗入混凝土内引发钢筋锈蚀，致使混凝土构件开裂破坏情况十分严重。由此可见，根据可靠度理论，分析侵蚀钢筋混凝土结构在使用全过程中的性能变化，预测结构的使用寿命，并在保证结构安全的前提下，制订使结构维护和加固成本最低的维修策略，不仅能够更合理有效的利用有限的资源，而且还具有硕

4、士论文第一章绪论重要的科学价值和经济效益。此外，制订合理的维修策略，可以消除结构潜在的危险，避免造成人员伤亡，维持人们的正常生活和社会稳定。各国学者和科研机构已对钢筋混凝土结构耐久性的各个方面均做了大量的理论分析和实验研究，并取得了一系列成果。1．2钢筋混凝土结构的耐久性研究上世纪20年代初，混凝土耐久性问题就已经引起各国政府的关注。1925年，在Miller的领导下，美国开始在硫酸盐含量极高的土壤内进行长期实验，其目的是为了获取5年、50年甚至更长时间的混凝土腐蚀数据。德国的钢筋混凝土协会利用混凝土构筑物遭受沼泽水腐蚀而损坏的事例，对混凝土在自然条件下的腐蚀情况进

5、行了一次长期试验【8】。1951年，前苏联学者贝科夫、莫斯克文等对混凝土保护层最小的薄壁结构的防腐问题和使用高强度钢制作钢筋混凝土构件的问题方面做了不少的工作，并在大规模研究工作的基础上制定了防腐标准规范，为建造具有足够耐久性的钢筋混凝土结构提供了科学依据[81。上世纪60年代后，混凝土结构的耐久性研究进入了一个新的高潮，部分科研成果已应用于工程实践，成为指导工程设计、施工和维护的标准性文件。我国对钢筋混凝土结构的耐久性研究始于上世纪60年代初南京水科院对混凝土碳化和钢筋锈蚀的相关研究[91。1994年国家科委组织的国家基础性研究重大项目(攀登计划)“重大土木与水利

6、工程安全性与耐久性的基础研究”，促进我国混凝土耐久性研究的迅速发展。2001年和2002年相继在北京举行了关于混凝土结构安全性、耐久性及耐久性设计的研讨会，混凝土结构耐久性问题得到了前所未有的重视，混凝土结构的寿命预测、耐久性设计等方向将成为下一阶段研究的重点。关于受锈蚀影响的钢筋混凝土结构的耐久性研究，主要包括以下几个方面的内容：1．2．1钢筋初锈时间钢筋初锈时间是指钢筋表面氯离子浓度达到临界值所需要的时间。环境中的氯离子渗入到混凝土中，当钢筋表面的氯离子浓度达到某一临界值时，即引发钢筋锈蚀【lol。钢筋初锈时间标志着混凝土结构性能退化的开始，它可作为建立结构使用

7、极限状态方程的一个设计准则。而传统的氯离子扩散模型只能计算某一时刻、混凝土内某一位置的氯离子浓度，无法确定钢筋的初锈时间。因此，迫切需要提2硕士论文第一章绪论出钢筋初锈时间的精确预测方法。施养杭等人基于钢筋锈蚀机理，综合考虑影响钢筋锈蚀的主要因素，提出了预测钢筋初锈时间的计算方法【101；Li在模拟真实海洋环境中钢筋锈蚀的基础上，建立了钢筋初锈时间的随机预测模型，并结合可靠度理论，提出了受锈蚀影响的钢筋混凝土结构的全寿命评估模型【11,12】，为制订钢筋混凝土结构维修策略提供了科学依据；王东方对传统氯离子扩散计算模型进行修正，考虑截面形状的影响，建立了预测混凝土