钢筋混凝土桥梁受到腐蚀时抗剪极限状态的时变可靠性分析外文翻译资料

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钢筋混凝土桥梁受到腐蚀时抗剪极限状态的时变可靠性分析

钢筋混凝土（RC）桥梁的氯化物腐蚀导致了国家资源的巨大损失。影响RC桥梁的重要问题之一是箍筋的腐蚀，甚至可能导致故障机理从延性弯曲模式转变为脆性剪切模式。因此，对于抗剪能力的分析，是对桥梁的可靠性评估至关重要的环节，这是本文的主题。本文提出了一种用于估计时变抗剪能力和可靠性的随机建模方法。蒙特卡罗模拟的框架，帮助桥梁的可持续性服务生活设计。这样的现代设计概念需要在设计阶段本身估计全寿命成本的方法。这种方法的发展将为设计人员提供各种选择，以达到在使用寿命期间具有期望性能水平的最佳设计。所提出的方法考虑到：1）基本变量的随机性，2）微环境的影响和腐蚀的空间变化，3）抵抗剪切破坏的箍筋数量，4）延性到脆性转变箍筋钢作为腐蚀传播。发现这种转变的并入对于大梁的时变可靠性具有重要的影响。虽然已知PFA（粉煤灰）混凝土具有比OPC混凝（普通混凝土）土更好的耐久性特征，但本文给出了其在时变可靠性方面的量化框架。

关键词：时变可靠性，氯化物诱导腐蚀，抗剪能力

1. 介绍

钢筋腐蚀已被确定为钢筋混凝土结构过早恢复的主要原因之一。对于（RC）桥梁，特别是在沿海地区的氯化物丰富的环境中，氯化物引起的腐蚀导致国家资源的巨大损失，从而阻碍了国家经济的增长。尽管近几十年来，通过进行实验和分析研究，对氯化物引起的腐蚀现象和对RC结构的影响进行了研究，但是问题的性质需要进一步研究和开发解决问题的策略。 RC构件的钢筋腐蚀过程复杂，困难重重。不确定因素众多，例如与腐蚀现象相关的原因，影响腐蚀的环境因素的测量和量化，时间依赖性变化，混凝土构件的物理和微结构性质，腐蚀对结构性能的影响等。仅举几例。文献中已经报道了许多研究，并处理腐蚀开始和传播的机理[1-5]，腐蚀如何影响RC元件的结构性能[6-9]，微环境的影响[10- 11]和腐蚀元素的预防技术和修复和恢复策略[12-14]。氯化物引起的腐蚀钢筋随着时间的推移减小了钢筋的直径。在天然氯化物的环境中，初始氯化物浓度为零的混凝土（即在混合过程中不被氯化物污染的混凝土）经历点蚀型腐蚀，钢筋的腐蚀从最接近充满氯化物的环境开始。这导致了坑位处的应力集中[15]，需要额外考虑由于应力集中引起的不利影响。腐蚀产品的体积比原钢大得多。通常，腐蚀产物的体积可以是原始钢筋的体积的大约6-8倍[16]。这些产品对钢筋周围的混凝土施加环箍压力，这可能导致在局部区域的混凝土覆盖层开裂/剥落。除此之外，钢区的减少降低了受到腐蚀的混凝土构件的结构能力。通常，纵向钢区域的减少导致弯曲能力的降低，并且剪切增强区域的减小导致构件的剪切能力的降低。

RC桥梁的重要腐蚀控制失效模式之一是由于剪力/箍筋的腐蚀[6,17]。 研究表明，箍筋的腐蚀甚至可以将故障机理从延性弯曲模式改变为脆性剪切模式。 因此，随着时间的推移，剪力承载力的下降分析是RC桥梁可靠性评估的重要因素，这是本文的主题。 本文提出了一种用于在蒙特卡罗模拟（MCS）框架内估计时变剪切能力和可靠性的随机建模方法。

本文的组织结构如下：第2节简要回顾了由于钢筋腐蚀导致的梁的抗剪能力降低的文献，

采用的腐蚀开始和传播模型的总结。第3节详细阐述了剪切能力降低的随机分析，延性和脆性元素容量的计算以及时变可靠性分析。定义了一个示例性问题，第4节应用了提出的方法。第5节讨论了结果和结论见第6节。

1. 文献综述

许多研究人员对经过氯化物腐蚀的RC梁的剪切能力降低和抗弯能力降低进行了实验和分析研究[6,7,9,16,18]。 通过将氯化物混合到混凝土混合物中或通过外部环境的扩散将氯化物引入混凝土中。 大部分实验工作集中在腐蚀开始后RC构件的结构行为，因此涉及第一种方法，其中氯化物已经存在于混凝土混合物中。 在环境辅助腐蚀的情况下，氯化物扩散到混凝土盖中导致腐蚀开始。 这是一个有限的时间，在大多数情况下，当设计新的结构时，起始时间被认为是结构的寿命。 关于剪切能力降低的文献中的一些调查箍筋的腐蚀如下所示。

文献报道的许多实验研究（即[17]）已经报道，在箍筋受到腐蚀的RC梁的情况下，剪切破坏模式占主导地位。通过将氯化钙混合到混合水中并施加加速腐蚀程序，在RC梁中引起腐蚀。 Coronelli和Gambarova [19]和Bhargava et al。 [20]试图模拟腐蚀现象，考虑到罗德里格斯等人的实验结果。 [17]。在开发时间依赖型可靠性模型时，Bhargava等[20]考虑到广泛腐蚀，随着腐蚀进行，钢板面积减少和混凝土面积减少。为了开发建模Coronelli和Gambarova [19]通过考虑由模型中的坑面积与标称杆面积的比率定义的因子，考虑了腐蚀腐蚀。这些研究集中在具有腐蚀强化的梁/梁的结构行为，而不考虑腐蚀起始时间。 Ying和Vrouwenvelder [21]研究了RC结构使用寿命评估中降解现象空间变异的建模的重要性。 Stewart [6]开发了一种空穴时间依赖的点蚀型可靠性模型，考虑了RC梁中钢筋力学性能的转变。点蚀的影响是通过点蚀因子和经验系数来考虑的，这些系数将屈服强度的降低与腐蚀面积的损失相关联。发现这个概率假设脆性增强行为比假定韧性行为得到高达450％。正如Bertolini [32]等指出的，考虑到大尺寸的桁材，对同一梁上不同位置的腐蚀过程的微环境影响可能是重要的。因此，在估计RC梁的时间变化可靠性时，需要考虑这些影响。

上述讨论中的大部分调查集中在具有腐蚀加固的梁/梁的结构性能，假设已经启动了钢筋腐蚀。这种假设所解决的两个可能的实际案例是：a）已经开始腐蚀的现有结构，以及b）混合过程中引入氯化物的结构（由于使用沙滩沙或海水进行混合）。然而，对于RC桥梁和高RC建筑等重要建筑物的设计，建议采取措施，通过避免海滩沙滩和使用饮用水，确保使用寿命充足。例如，诸如IRS代码1997 [22]的桥接代码限制了混凝土混合物中的氯化物的量以避免过量的氯化物浓度。因此，在这种结构的使用寿命设计中，更合适的是假设在混凝土搅拌时，混凝土混合物中不存在氯化物。当混凝土中没有添加氯化物时，氯化物存在于混凝土归因于氯化物通过扩散从混凝土构件的表面输送到内部。已知在RC结构的使用寿命设计中考虑腐蚀起始时间是重要的。在概率/随机使用寿命设计范例中，必须估计与启动时间有关的不确定性，需要将其传播到传播期间，以实际估计与RC成员使用寿命相关的不确定性。

基于文献综述，本文对以下几个方面进行了研究：

1）开发基于可靠性可持续设计的框架，以抵抗受到钢筋腐蚀的RC桥梁的抗剪切破坏，符合斯图尔特[6]的配方，另外在腐蚀起始时间和微环境效应中包含随机性。

2）说明在估计不同时间的大梁的残余剪切能力时，需要考虑箍筋的韧性与脆性行为随腐蚀进展的过渡。

3）在使用PFA混凝土代替OPC混凝土时，在剪切破坏的可靠性方面量化了RC梁的性能提高。

可持续设计的一个方面是选择更耐用的建筑材料。本文开发的框架在这​​方面工作良好

给设计人员一个选择，通过使用不同的材料组成，在设计阶段本身比较RC梁的耐久性能，从而实现可持续设计。腐蚀开始和传播过程的简要概述将在下一节中进行。 其次是根据守则规定估算大梁的抗剪切能力。

2.1腐蚀开始和传播

假定氯化物进入混凝土是由于氯化物从环境中扩散通过混凝土盖。 大多数用于引发氯化物腐蚀的模型都是基于Fick的第二扩散定律（例如[9]，[23]）。 假设箍筋的腐蚀开始时，箍筋位置的氯浓度达到临界值ccr。 启动时间如下计算：

其中：

Ti 开始腐蚀到现在的时间

c〜混凝土涵盖箍筋的长度，单位cm

D 混凝土的氯化物扩散系数为cm2 /年

C0 混凝土表面的氯化物浓度为混凝土的重量百分比

Ccr 临界氯化物浓度以混凝土的百分比重量开始腐蚀

腐蚀的第一阶段即腐蚀开始主要受上述因素的影响，这些因素是随机变量。 因此，开始腐蚀的时间也是随机变量。起始之后，腐蚀在箍筋中传播，导致箍筋的横截面积减小。 这对应于第二阶段。腐蚀后的直径减小

empty;（t） 时间t的剩余直径

empty;（0） 箍筋的初始直径

Ti 腐蚀引发时间

rcorr 腐蚀渗透率，由以下公式计算

腐蚀速率rcorr是从腐蚀电流密度Icorr和点蚀因子a的实验研究得出的数量。 点蚀因素包括点蚀型腐蚀的影响。由于Icorr中的随机性和a，腐蚀速率rcorr，因此empty;（t），钢筋的直径减小是随机变量。

2.2大梁剪切力计算

具有剪切增强的梁（Vu（t））的最终剪切能力包括混凝土的剪切能力（Vc（t））和剪切强度（Vs（t）），在任何时间t（IS 456 [24]）：

混凝土的剪切能力（无剪力箍筋）取决于混凝土等级和纵向钢筋面积，由以下公式给出

tau;c（t）的值从Eurocode 2 [26]公式获得。 使用欧洲代码代替IS代码，因为后者不包括显示混凝土等级和纵向钢筋面积之间关系的任何明确公式。 随着纵向钢筋的面积由于腐蚀而随时间的变化，tau;c（t）随时间t的纵向钢的可用面积被估算，通过使用欧氏代码2公式计算tau;c[25,26]：

其中

pt（t）纵钢比=

sigma;cp在预应力梁的情况下轴向应力

fcl 混凝土特性气缸抗压强度

对梁的极限承载能力进行了分析，得到混凝土gamma;c的部分安全系数为1。

任何时刻t由剪力增强Vs提供的阻力应计算如下：

其中：

sigma;sc（t）剪切强化中允许的拉伸应力

Asv（t）蹬腿总横截面积

S 箍筋的间距

在本文中，使用EC2公式（无材料安全系数）计算截面的抗剪强度，以估计混凝土对抗剪强度的贡献。使用IS 456计算钢的抗剪强度。使用欧洲规范公式（本计算未提供）估计钢对横截面的抗剪强度的贡献，发现与IS代码几乎相同结果。在这项调查中，IS456中给出的公式用于估计横截面的剪切能力。还应该注意的是，总体剪切阻力可以使用“混凝土结构2010”[27] III级近似的模型计算。从计算（这里未提出），发现纤维模型代码2010的详细方程和用于计算剪切阻力的方程式给出类似的结果。然而，可以使用纤维模型代码2010的剪切公式进行与本文中提出的相似的研究。下一节讨论了受氯化物诱导腐蚀的大梁的时间依赖剪切能力的估计。

1. 剪切能力下降的随机性分析

箍筋是最外面的钢筋，因此腐蚀应首先在其中启动，之后是纵向钢筋。在本研究中假定

剪切能力的降低是由于箍筋面积的减小以及由于腐蚀传播，箍筋钢从延性到脆性的机械性能的转变。大梁的总剪切能力是钢筋混凝土部分和钢筋条的剪切能力的总和。混凝土对剪切能力的贡献取决于混凝土横截面积和纵向钢筋面积。在这项研究中，不考虑由于混凝土截面减少引起的容量减少;然而，考虑到由于纵向钢的面积的损失而导致的减少。因此，纵向钢的腐蚀应该是也可以考虑到，同时还有箍筋的腐蚀。如前所述，腐蚀开始时间被认为是箍筋和纵向条的随机变量，以解释覆盖层中的随机性，混凝土的扩散系数，表面和临界氯化物浓度。腐蚀开始后，传播由等式（1）给出的腐蚀速率决定。（2），其中Icorr和a被认为是随机变量。

桁架腐蚀可能同时发生（但彼此独立），在大跨度的跨度上的许多箍筋，剪切破坏可能发生在剪切临界跨度的任何地方。 因此，有必要离散大梁的剪切临界跨度，并分别分析离散元素的容量。 在本研究中，剪切跨度被认为是Ne元素的串联系统，每个长度等于梁的有效深度d，使得任何一个元件的故障将导致梁的完全失效。

图1

每个元件由形成并行系统的多个箍筋ns组成（图1）。每个元件的剪切能力取决于元件中的箍筋的机械行为，其随腐蚀传播而从延性变为脆性。发现点蚀可以减少失效时的极限应变，从而降低钢筋的延展性。在坑[15]可以预期严重的应力集中。在本研究中使用回归因子b [6,28,29]，其通过将屈服强度的降低与钢筋的腐蚀（面积）损失相关联来保护点蚀在钢筋的机械性能中的作用。文献中普遍认为，腐蚀钢筋的脆性行为可能主要归因于腐蚀坑对钢筋表面的几何影响以及在这种凹坑处的相应应变浓度[15]。文献中还报道，腐蚀钢筋的延展性是沿着钢筋长度和局部渗透深度的腐蚀坑的不均匀分布的函数[28]。在本研究中，按照Du等人[28]和Stewart [6]的建议，b值考虑为0.005。因此，本文考虑了点蚀和与点蚀相关的应力集中通过该变量b和点蚀因子a（如第2.1节和[6]中介绍）的影响。

如斯图尔特[6]所指出的，当面积减少超过20％时，钢筋可以被认为脆弱。 此外，当元件中20％的箍筋变脆时，在本研究中元素被保守地假定为脆性的。 考虑到元素的剪切能力被考虑为延展性或脆性，如下所述。 当一个或多个腐蚀的箍筋在负载下发生故障时，假设负载再分配发生在元件中剩余的箍筋之间，直到达到元件的最大容量。

由于桥梁大，尺寸大，单元的尺寸将相当大。 因此，可以预期从元素到元素的相关性质的变化（腐蚀起始时间，混凝土和钢的性质等）。 因此，变量被视为从元素到元素的独立和相同分布（i.i.d.）随机变量。 假设属性在元素内保持不变。 通常，相对于上述性质，每个元素可以被认为是相同分布的随机变量。

在这个调查中，考虑到腐蚀传播阶段微观环境的影响，考虑到两个不同范围的Icorr元素。 由于每个元素长度是显着的，即RH的水平，氧气的可用性和温度的大小可以在元件内变化，并且箍筋在元件内是

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