寒冷地区在役钢筋混凝土结构物剩余寿命的仿真预测
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摘要
针对北方寒冷地区在役钢筋混凝土结构物在使用过程中，受到随机地震、结构自然老化、砼碳化、氯离子侵蚀、钢筋锈蚀、冻融循环等耐久性因素影响，本文以计算机仿真技术研究在役钢筋混凝土结构物的剩余寿命为主线，通过模拟人工地震波，采用时间步长法和事件序列模拟某次地震的发生及烈度,进而以标准反应谱为目标谱仿真产生相应的人工地震波，采用刚度退化原则，考虑结构在地震作用下的损伤积累效应,对钢筋混凝土结构进行弹塑性随机动力反应分析，采用变形和能量双重破坏准则，判定结构的安全性损伤程度。同时考虑砼碳化、钢筋锈蚀、冻融循环等多因素耦合作用下对结构耐久性的影响，采用损伤识别技术确定结构耐久性的破损程度，再利用效益—费用分析方法对结构物进行经济维修决策。经过多次仿真,直到某次地震或耐久性损伤达到极限状态后,判定结构已失效即结构处于严重破坏或倒塌状态时,即得到结构物的一个寿命样本值，经过多次仿真,可得出工程结构的寿命分布、均值与方差,进一步揭示随机地震、耐久性与结构寿命之间的关系。
本文采用“快冻法”进行冻融循环试验研究，针对不同水灰比，进行普通混凝土的抗冻试验，采用质量损失和相对动弹性模量两项指标评定混凝土的抗冻性对混凝土耐久性的影响，建立了混凝土冻融循环耐久性寿命预测模型。
论文通过对锈蚀钢筋的力学试验研究及对在役非预应力钢筋混凝土大型屋面板进行加载试验，研究了锈蚀钢筋和破损老化构件的承载能力、变形能力及试验破坏特征，提出了混凝土破损、保护层脱落等耐久性损伤对构件承载力的影响。
本文采用计算机仿真技术，有效地把结构的安全性、耐久性和经济性结合起来研究在役钢筋混凝土结构物的剩余寿命，并结合这“三性”以北方寒冷地区在役钢筋混凝土单层工业厂房为实例，进行实例验证，结论合理可靠。本文的研究为在役钢筋混凝土结构物预测剩余寿命提供了一种新的思路和方法，具有一定的理论意义和实践应用价值。
Since reinforced concrete structures in cold northern areas are affected by randomearthquake, natural aging, and a number of durability factors such as concretecarbonation, the erosion of chloride ions, steel corrosion, and the freeze-thaw cycle,this paper aims to study the remaining life of in-service reinforced concrete structuresbased on computer simulation. The intensity of an earthquake is simulated by adoptingtime steps method and the sequence of events through the simulation of artificialseismic waves, and thus the correspondent artificial seismic waves are simulated withthe standard response spectrum as the target spectrum. An analysis on random dynamicelastic response of reinforced concrete structures is done by adopting the stiffnessdegradation principle with consideration to the cumulative damage of structures underan earthquake. The damage to the safety of the structures is determined with the failurecriteria of both deformation and energy. Meanwhile, the coupling effect of concretecarbonation, steel erosion and freeze-thaw cycle on the durability of structure are alsoconsidered. The damage to the durability of the structure is determined with damageidentification technology and an economic maintenance decision is made by adoptingbenefit-cost analysis method. The structure is confirmed to be invalid, i.e. it is in a stateof severe damage or collapse, after many times of simulations until the earthquake ordurability damage reaches the limit. Thus a sample value of the life of a structure isobtained after the simulations, from which the life distribution, mean and variance ofthe engineering structure can be deduced to further reveal the relationship between thelife of a structure and random earthquake or durability.
“Fast-freezing method” has been adopted in this paper for the study of thefreeze-thaw cycle and antifreezing tests have been done on concrete with differentwater-cement ratios. The influence of freezing resistance of concrete on its durability isevaluated by two indexes: mass loss and the relative dynamic elasticity modulus, andthe life prediction model of concrete durability of the freeze-thaw cycle has beenestablished.
Through the mechanical tests on eroded reinforced bars and load tests onlarge-scale roof boarding of in-service non-prestressed reinforced concrete structures,this paper has studied the carrying capacity, deformability and test failurecharacteristics of eroded reinforced bars and damaged or aged components, and putsforward the influences of durable damages such as the concrete damage and coverdropping on the carrying capacity of components.
This paper has adopted computer simulation and studied the remaining life of anin-service reinforced concrete structure by taking account of its safety, durability andcost-effectiveness. Besides, an in-service single-deck industrial factory building in thecold northern area has been used as an example for verification. The conclusion isreasonable and reliable. This paper has offered a new insight and method on the studyof the prediction of the remaining life of in-service reinforced concrete structures andhas a theoretical significance and practical value.
本文采用“快冻法”进行冻融循环试验研究，针对不同水灰比，进行普通混凝土的抗冻试验，采用质量损失和相对动弹性模量两项指标评定混凝土的抗冻性对混凝土耐久性的影响，建立了混凝土冻融循环耐久性寿命预测模型。
论文通过对锈蚀钢筋的力学试验研究及对在役非预应力钢筋混凝土大型屋面板进行加载试验，研究了锈蚀钢筋和破损老化构件的承载能力、变形能力及试验破坏特征，提出了混凝土破损、保护层脱落等耐久性损伤对构件承载力的影响。
本文采用计算机仿真技术，有效地把结构的安全性、耐久性和经济性结合起来研究在役钢筋混凝土结构物的剩余寿命，并结合这“三性”以北方寒冷地区在役钢筋混凝土单层工业厂房为实例，进行实例验证，结论合理可靠。本文的研究为在役钢筋混凝土结构物预测剩余寿命提供了一种新的思路和方法，具有一定的理论意义和实践应用价值。
Since reinforced concrete structures in cold northern areas are affected by randomearthquake, natural aging, and a number of durability factors such as concretecarbonation, the erosion of chloride ions, steel corrosion, and the freeze-thaw cycle,this paper aims to study the remaining life of in-service reinforced concrete structuresbased on computer simulation. The intensity of an earthquake is simulated by adoptingtime steps method and the sequence of events through the simulation of artificialseismic waves, and thus the correspondent artificial seismic waves are simulated withthe standard response spectrum as the target spectrum. An analysis on random dynamicelastic response of reinforced concrete structures is done by adopting the stiffnessdegradation principle with consideration to the cumulative damage of structures underan earthquake. The damage to the safety of the structures is determined with the failurecriteria of both deformation and energy. Meanwhile, the coupling effect of concretecarbonation, steel erosion and freeze-thaw cycle on the durability of structure are alsoconsidered. The damage to the durability of the structure is determined with damageidentification technology and an economic maintenance decision is made by adoptingbenefit-cost analysis method. The structure is confirmed to be invalid, i.e. it is in a stateof severe damage or collapse, after many times of simulations until the earthquake ordurability damage reaches the limit. Thus a sample value of the life of a structure isobtained after the simulations, from which the life distribution, mean and variance ofthe engineering structure can be deduced to further reveal the relationship between thelife of a structure and random earthquake or durability.
“Fast-freezing method” has been adopted in this paper for the study of thefreeze-thaw cycle and antifreezing tests have been done on concrete with differentwater-cement ratios. The influence of freezing resistance of concrete on its durability isevaluated by two indexes: mass loss and the relative dynamic elasticity modulus, andthe life prediction model of concrete durability of the freeze-thaw cycle has beenestablished.
Through the mechanical tests on eroded reinforced bars and load tests onlarge-scale roof boarding of in-service non-prestressed reinforced concrete structures,this paper has studied the carrying capacity, deformability and test failurecharacteristics of eroded reinforced bars and damaged or aged components, and putsforward the influences of durable damages such as the concrete damage and coverdropping on the carrying capacity of components.
This paper has adopted computer simulation and studied the remaining life of anin-service reinforced concrete structure by taking account of its safety, durability andcost-effectiveness. Besides, an in-service single-deck industrial factory building in thecold northern area has been used as an example for verification. The conclusion isreasonable and reliable. This paper has offered a new insight and method on the studyof the prediction of the remaining life of in-service reinforced concrete structures andhas a theoretical significance and practical value.
引文
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