环境和荷载共同作用下钢筋混凝土桥梁疲劳性能研究

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1、分类号密级UDC硕士学位论文环境和荷载共同作用下钢筋混凝土桥梁疲劳性能研究姓名：刘磊导师姓名（职称）：傅宇方研究员申请学位级别：硕士专业名称：桥梁与隧道工程二零一五年六月STUDYONFATIGUEBEHAVIOROFRCBRIDGESUNDERENVIRONMENTALACTIONSANDVEHICLELOADSAThesisSubmittedtoTheAcademicCommitteeofResearchInstituteofHighwayM.O.TFortheAcademicDegreeofMasterofEngineeringBYLIULeiSupervisedb

2、yResearchFellowFUYufangBridgeTechnologyResearchCenterResearchInstituteofHighwayM.O.TJune2015交通运输部公路科学研究所学位论文原创性声明本人声明：本人所呈交的学位论文是在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果。除论文中已经注明引用的内容外，对论文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中Ｗ明确方式标明。本论文中不包含任何未加明确注明的其他个人或集体已经公开发表的成果。本声明的法律责任由本人承担。代作者签名：表日期；Ｗ玉年６月日＾学位论文版权使用

3、授权书本学位论文作者完全了解单位有关保留、使用学位论文的规定，同意单位保留并向国家有关部口或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授极交通运输部公路科学研究所可将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。本学位论文属于１．保密□，在年解密后适用本授权书。＂’，２．不保密口。＞（请在＾＾（上相应方框内打心）皆店＾／口作者签名：日期＾：如年月日／导师签名：日期：如店年《月／日摘要疲劳作为结构脆性破坏的重要诱因已在工程领域引起重视，随着交通流量和密度

4、的攀升，混凝土桥梁的疲劳问题也逐渐显现，环境侵蚀因素的影响进一步加剧了桥梁结构的疲劳劣化。因此，开展环境和荷载共同作用下钢筋混凝土桥梁疲劳性能研究具有积极的现实意义。本研究在对实际桥梁疲劳荷载和应力状态进行研究计算的基础上，有针对性地开展了设计荷载和调查荷载两种应力水平下钢筋混凝土梁的疲劳试验；进一步考虑环境因素影响，进行了设计荷载应力水平下的锈蚀钢筋混凝土梁疲劳试验；对比分析了应力水平和环境因素对混凝土梁疲劳极限循环次数和应变演变的影响规律；提出了环境和荷载共同作用下的钢筋混凝土梁截面疲劳应力理论计算方法，并运用Matlab软件编制了计算程序。方法中考虑了疲劳和环境因素

5、作用引起的混凝土和钢筋材料的损伤；通过条带法体现了构件层面的疲劳应力计算方法与材料层面的区别，并反映了钢筋与混凝土共同工作以及钢筋混凝土受弯构件中应变的分布特征；通过锈蚀钢筋与混凝土之间的应变协调关系考虑了钢筋与混凝土之间粘结性能退化的影响；引入疲劳和锈蚀引起的损伤对混凝土对本构关系、钢筋有效受力面积的影响，通过粘结单元的粘结力-滑移曲线考虑锈蚀引起的粘结力的退化，在ANSYS软件平台上实现了环境和荷载共同作用下钢筋混凝土梁疲劳性能的有限元模拟，进一步揭示了应力水平和锈蚀两种因素对钢筋混凝土梁疲劳性能的影响规律；最后，在总结已有试验和理论研究成果的基础上，对环境和荷载共同

6、作用下的钢筋混凝土桥梁疲劳寿命进行了初步评估。本研究形成的主要结论如下：通过中小跨径钢筋混凝土桥梁的疲劳应力验算，实际桥梁在现行公路桥梁设计规范设计荷载应力水平下满足规范要求，在实际调查荷载作用下已不满足规范要求；普通钢筋混凝土梁构件层面的疲劳损伤机理与材料层面的机理存在差别，钢筋混凝土受弯构件的疲劳损伤可以分为两个阶段，疲劳寿命的前期（约占整个寿命的10%）主要受压区混凝土的疲劳损伤控制，而疲劳引起的纵向钢筋的损伤（表现为钢筋有效受力面积的减小）主导并控制着构件的整个疲劳过程；应力水平的提高加速了构件的疲劳损伤和劣化，应力水平提高后，疲劳寿命大幅下降，但疲劳破坏前构件的

7、劣化程度相当。当应力幅由设计荷载提高20%至调查荷载应力水平时，试验梁极限循环次数下降了31.2%~44.6%，疲劳破坏前构件中钢筋应力的增长率由12.08%上升至12.3%；当应力幅提高70%时，试验梁纵向钢筋的应力增幅提高至15.5%，极限循环次数下降超过66%；锈蚀也大幅降低了梁的疲劳寿命，并加剧了梁体的劣化，但锈蚀对疲劳的影响起始于疲劳初始状态，不同锈蚀率下构件的损伤速率相同。在试验采用相同的设计荷载应力水平下，锈蚀率约5%的钢筋混凝土梁疲劳寿命较未锈蚀梁下降34.9%以上，疲劳破坏前其纵向钢筋和混凝土应变增长率与同应