一种考虑应力腐蚀的混凝土梁可靠度计算方法

技术领域

本发明涉及混凝土中钢筋腐蚀技术领域，具体涉及一种考虑应力腐蚀的混凝土梁可靠度计算方法。

背景技术

结构在服役过程中承受着各种复杂的荷载作用，在复杂的应力环境下，金属材料的腐蚀特征会更加严重。结构在载荷和腐蚀作用下，会产生力学和化学的相互作用，导致腐蚀疲劳破坏和应力腐蚀破坏。这种耦合作用所导致的失效形式比单独应力或腐蚀作用更为严重。据报道，腐蚀引起的低合金钢重量损失中，有23％至33％归因于应力腐蚀，而广泛用于结构的碳钢的重量损失可能高达55％至62％。

混凝土梁中钢筋受氯离子渗透侵蚀后，会出现较为严重的点蚀，点蚀引起的结构退化机制比一般形式的腐蚀更严重。蚀坑周围的局部应力集中会加速局部腐蚀，这两个过程相互影响、相互促进、相互耦合，会起到更迅速的自催化效果。虽然，一些学者对点蚀引起的钢筋混凝土梁退化有一定研究，但是都没有考虑钢混结构所受荷载对于结构退化规律的影响，更没有针对应力影响下的局部腐蚀对于结构退化进行比较细致的研究。

中国专利CN107357972A公开的一种可靠性确定方法为：首先通过锈蚀后面积和疲劳特性确定时变变量，然后建立构件的时变模型，得出考虑时变的极限状态方程，确定初始参数的概率后进行时变疲劳可靠度的计算。该方法虽准确、有效的确定了索类构件的时变疲劳可靠度，但不能应用于钢筋的应力腐蚀。

发明内容

本发明的目的在于，提出一种考虑应力腐蚀的混凝土梁可靠度计算方法，该方法能准确、有效的确定混凝土梁的时变可靠度。

为实现上述目的，本申请提出的一种考虑应力腐蚀的混凝土梁可靠度计算方法，包括：

将结构内钢筋沿跨度划分成m个长度为δ的单元，每个单元都发生腐蚀，最大蚀坑在单元中部，如图2；

在t＝0时刻，随机生成点蚀系数R，该点蚀系数R按极值I型分布；

对时间段t

获取每个时间段末最大锈蚀深度p(t)与剩余截面积A

根据钢筋屈服应力与腐蚀后的有效横截面积，得到每个时间段末的各个钢筋单元截面处的抗力M

基于抗力M

通过极限状态函数获取每个时间段的结构失效概率与可靠度指标。

进一步地，所述应力腐蚀修正系数SCCF，包括弹性阶段应力腐蚀修正系数和塑性阶段应力腐蚀修正系数；

弹性阶段为：

其中，S

当σ＝0时，SCCF

塑性阶段为：

其中，V

进一步地，所述锈蚀深度p(t)与剩余截面积A

其中，v

d

进一步地，所述保护层开裂前钢筋的锈蚀速率为：

其中，i

进一步地，当锈蚀深度p(t)接近临界值p

其中，f

进一步地，蚀坑深度达到上述临界值，伴随着混凝土开裂，裂缝处的钢筋与外界直接接触，钢筋的腐蚀速率会加速，其之后的平均锈蚀速率为：

v

其中，v

更进一步地，每个时间段末的各个钢筋单元截面处的抗力M

式中，A

更进一步地，所述极限状态函数为：

其中，S

更进一步地，所述结构失效概率p

β(t

本发明采用的以上技术方案，与现有技术相比，具有的优点是：本发明突出了荷载对于结构性能退化的影响，考虑了点蚀空间变异性的时变结构，并利用蒙特卡洛提出了考虑钢筋应力腐蚀效应的可靠度分析方法。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是考虑应力腐蚀的混凝土梁可靠度计算方法流程图。

图2是点蚀钢筋的承载力分布示意图。

图3是钢筋单元划分与荷载效应沿梁体分布示意图。

图4是实施例中不同应变下的Nyquist图；

图5是实施例中不同应变下的Bode图；

图6是实施例中不同应变下的电化学阻抗谱拟合电阻与极化电阻图；

图7是实施例中由电化学阻抗谱拟合电阻Rct计算所得弹性阶段腐蚀速率与理论推导的拟合结果图。

图8是实施例中由电化学阻抗谱拟合电阻Rct计算所得塑性阶段腐蚀速率与理论推导的拟合结果图。

图9是实施例钢筋混凝土简支梁桥横断面与纵断面图。

图10是实施例边梁横断面及配筋图。

图11是实施例梁体的可靠度指标随时间退化图。

具体实施方法

下面将参考附图中示出的若干示例实施例来描述本公开的原理。虽然附图中显示了本公开的优选实施例，但应当理解，描述这些实施例仅是为了使本领域技术人员能够更好地理解进而实现本公开，而并非以任何方式限制本公开的范围。

本实施例提供了一种考虑应力腐蚀的混凝土梁可靠度计算方法，如图1所示，由腐蚀后的截面特性与荷载效应得出应力腐蚀修正系数，通过锈蚀深度、剩余截面积及抗力得出极限状态函数，最终实现可靠度的计算。

实施例

通过实验研究了HRB400钢筋在3.5％NaCl溶液中应力腐蚀，得出不同应变下的Nyquist图和Bode图，以及不同应变下的阻抗谱拟合电阻与极化电阻，如图4-6所示，之后理论推导结果，进行拟合得出SCCF函数。具体步骤如下：

腐蚀电流密度i

Stern-Geary系数B为

根据法拉第定律，钢筋的平均腐蚀速率可以表示为：

式中，v

弹性段拟合结果为：

v

所以弹性段的应力腐蚀修正系数：

SCCF

塑性段拟合结果：

ν

所以塑性段的应力腐蚀修正系数：

SCCF

综上所述，弹塑性阶段的应力腐蚀修正系数(SCCF)可以由以下方程表示：

以某近海钢筋混凝土简支梁桥中边梁为例，横断面与纵断面见图7、图8所示。计算跨径L＝19.5m，主梁用C40混凝土，水灰比0.34。主筋配置10根HRB400钢筋，混凝土保护层厚度50mm，桥面铺装层为2cm厚沥青混凝土和6cm厚C25混凝土垫层，横隔梁厚15cm。

本例中，钢筋单元尺寸δ＝100mm，在抛去两侧梁端各100mm后，沿简支梁梁体共划分为m＝193个单元。并将开始锈蚀的时间t

为了研究汽车超载现象对计算桥梁结构可靠度指标的影响规律，增加计算了密集运行状态时间为30％、50％两种情况，分别计算得车辆荷载效应的结果为μ

图9给出了结构可靠度指标随时间的变化情况。可靠度指标随着腐蚀时间的推移，结构的可靠性逐渐下降。如果不考虑荷载的影响，在30％和50％的超载水平下，该梁体分别需要经过72年和51年才能达到目标可靠性指标(β

然而，在考虑荷载对腐蚀的影响后，这三个超载水平下的结构可靠性指标在约40年左右迅速退化，并分别在80年、53年和38年达到目标可靠性指标。与不考虑应力腐蚀修正系数(SCCF)的情况相比，分别提前了25、19、13年。因此，外加荷载对腐蚀的影响是不可忽略的，否则可能导致可靠性指标的过高预测，从而使结构构件的预测寿命偏高。

以上描述仅为本公开的可选实施例，并不用于限制本公开，对于本领域的技术人员来说，本公开可以有各种更改和变化。凡在本公开的精神和原则之内，所作的任何修改、等效替换、改进等，均应包含在本公开的保护范围之内。

虽然在本申请中权利要求书已针对特征的特定组合而制定，但是应当理解，本公开的范围还包括本文所公开的明确或隐含或对其任何概括的任何新颖特征或特征的任何新颖的组合，不论他是否涉及目前所要求保护的任何权利要求中的相同方案。