滨海环境下装配式混凝土桥墩耐久性研究

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装配式桥梁是目前桥梁工程的重要发展方向之一,具有建设周期短、对环境影响小和质量可靠等显著优点。桥墩作为承受桥梁上部结构竖向荷载和地震等水平荷载的主要构件,其力学性能和耐久性能非常重要。对于滨海环境下的桥梁结构,其桥墩处于较高浓度的氯离子环境中,因此容易出现钢筋锈蚀、保护层开裂和承载力退化等耐久性问题,从而影响其使用寿命。然而,目前对于桥墩构件耐久性的研究主要针对现浇混凝土桥墩,对装配式混凝土桥墩耐久性的研究相对较少;由于装配式混凝土桥墩的接缝和其他不同于现浇混凝土桥墩的特定构造,其耐久性存在薄弱区域。鉴于此,本文以灌浆套筒式混凝土桥墩为对象,分析了不同锈蚀程度下桥墩试件的表观状况和力学性能,研究了接缝对滨海环境桥墩构件的耐久性影响,完成的主要工作如下:(1)进行了氯离子传输和钢筋锈蚀机理研究。考虑到滨海环境下装配式混凝土桥墩主要受到的耐久性影响为氯离子侵蚀引起的钢筋锈蚀,故对氯离子在混凝土和接缝材料这类多孔介质中的扩散、渗透、毛细吸收和电迁移等传输方式进行了研究,并分析了氯离子作用下钢筋发生脱钝锈蚀的机理。(2)开展了装配式混凝土桥墩试件的通电加速锈蚀试验研究。设计制作了5个尺寸相同的灌浆套筒连接的装配式混凝土桥墩试件,并浸泡在氯盐溶液中。依据Faraday定律对桥墩试件进行了通电加速锈蚀,其目标锈蚀程度分别为0%、7.5%、15%、22.5%、30%。观察分析了桥墩试件随锈蚀程度变化的锈胀裂缝开展分布规律。结果表明,随锈蚀程度越大,锈胀裂缝分布越多,裂缝宽度越大,且主要锈胀裂缝分布在套筒位置处,试件表面吸附的锈蚀产物集中在锈胀裂缝及底部接缝处。(3)进行了锈蚀装配式混凝土桥墩试件的低周反复加载试验研究。对通电加速锈蚀试验获得的五个不同锈蚀程度的装配式桥墩试件进行低周反复加载试验,以承载力、刚度、延性和耗能能力等力学性能作为评价指标,研究了锈蚀程度对桥墩试件耐久性能的影响。研究结果发现,随着锈蚀程度的加大,装配式混凝土桥墩的各项力学性能水平显著下降,表明当装配式桥墩构件在服役期间不断遭受锈蚀的情况下,其耐久性能会大大下降。(4)开展了装配式混凝土桥墩力学性能的数值模拟研究。基于Opensees有限元软件,对装配式混凝土桥墩试件进行数值建模与比选,同时根据各试件的实际锈蚀程度对数值模型进行修正,并按照低周反复加载试验的加载方式进行模拟加载分析。数值模拟结果与试验结果总体吻合良好,尤其是在承载力方面,为后续装配式混凝土桥墩全寿命承载力退化模型的建立奠定了基础。(5)进行了装配式混凝土桥墩全寿命周期耐久性能评估。利用氯离子扩散理论、钢筋时变锈蚀模型、锈蚀开裂模型、基于Opensees模拟得到的承载力退化模型以及路径概率模型等建立了基于概率的装配式桥墩耐久性综合评估方法,并结合实际工程进行了全寿命阶段的耐久性能劣化分析。
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