锈蚀锚固体的力学性能研究及耐久性评估初探

论文题目: 锈蚀锚固体的力学性能研究及耐久性评估初探

论文类型: 博士论文

论文专业: 水工结构工程

作者: 夏宁

导师: 任青文

关键词: 锚杆,砂浆,锈蚀,锈胀预测,解析模型,粘结应力,抗拔力,有限元分析,耐久性评估

文献来源: 河海大学

发表年度: 2005

论文摘要: 锚杆(索)是一种应用广泛的岩土体工程加固措施。上世纪60年代以来,我国在各类岩土工程中使用了大量锚杆,70年代以后使用了许多锚索,90年代以来使用了更多的土钉,其总数当以亿记。在举世瞩目的长江三峡水利工程中,为保证永久船闸高边坡的稳定性,共安装了4204束预应力锚索对边坡岩体进行加固。这些锚固结构的技术先进性和经济性无人怀疑,但问题是其使用寿命究竟有多长?事实上,由于锚杆(索)工作环境中存在侵蚀性介质、杂散电流及双金属作用,因此在这样的工作环境和长期使用条件下会逐渐老化、损伤甚至破坏,再加上自身防护系统不完善等内在因素,导致了锚杆(索)耐久性不足的现象时有发生,世界各地均发生过由于耐久性不足而导致锚固失效的工程实例。恶劣的地下腐蚀环境和锚固结构较强的隐蔽性对岩土预应力锚杆(索)的耐久性提出了更加严格的要求,耐久性是锚固工程安全度的一项重要指标。统计资料表明,锈蚀是导致锚固结构耐久性不足的主要原因,它对锚固体承载力的影响表现为横向和纵向两个方面,横向影响表现为砂浆保护层的锈胀开裂;纵向影响表现为锚杆与砂浆的粘结性能的下降。本文主要从这两个方面着手,以理论研究、结构试验和数值分析为主要研究手段,对锈蚀锚固体的力学性能进行了研究,并在此基础上提出了锈蚀锚固体的耐久性评估方法。本文主要开展了以下研究工作: 1)本文建立了更加符合工程实际情况的锚杆不均匀锈蚀的动态轮廓线模型,由此模型得到锚杆表面任意一点的虚拟锈胀位移。将得到的锈胀位移作用到锚杆孔洞边缘,通过调节锈胀位移公式中的锈层厚度系数来进行砂浆保护层的锈胀开裂过程的数值模拟,并给出了锚杆临界锈蚀量的预测公式。通过此方法预测结果与试验结果的比较,证明是合理可行的。并通过算例比较了锈蚀量相等的条件下,锚杆均匀锈蚀和不均匀锈蚀的差异,结果表明,杆体不均匀锈蚀对砂浆保护层的破坏作用更为严重,提出了均匀锈蚀假设应慎用的观点。 2)建立锈蚀锚固体的弹性空间解析模型,研究了锚固体在锚固力,围压和锈胀力作用下的三维应力场,给出了锚固体空间问题各应力分量的解析解答。该模型的适用条件为砂浆保护层锈蚀胀裂前,锚固体材料的受力均处于弹性阶段,并且在锚固长度上全长粘结有效。通过算例分析表明:①锚杆轴向应力的分布呈指数衰减函数的形式;②在任意锚长平面上,砂浆保护层内的径向应力均由拉应力过渡为压应力,近锚杆边砂浆内的径向拉应力最大;③整个锚固长度上,锚固端砂浆内的环向压应力最大,而在任意锚长平面上,近锚杆边砂浆内的环向压应力最大;④锚杆与砂浆间的剪应力呈线性分布。大部分锚杆表面的剪应力为负,与锚固力方向相反,并且锚固端的剪应力最大。剪应力在由负号过渡到正号时,

论文目录:

前言

摘要

第一章绪论

1．1 问题的提出

1．2 锚固结构耐久性的研究历史及动态

1．2．1 国外研究历史及动态

1．2．2 国内研究历史及动态

1．3 结构耐久性的研究现状和成果

1．3．1 侵蚀性介质在保护层中的扩散及反应过程的研究

1．3．3．1 碳化

1．3．3．2 氯盐侵蚀

1．3．2 钢筋锈蚀

1．3．3 构件耐久性研究

1．3．3．1 锈蚀构件的承载力研究

1．3．3．2 锈蚀构件粘结性能的研究

1．3．4 结构耐久性评估

1．3．5 结构的使用寿命预测

1．3．5．1 材料的使用寿命预测

1．3．5．2 混凝土构件及结构的使用寿命预测

1．4 本文的研究特点、研究意义及应用价值

1．5 本文的研究内容和技术路线

第一章参考文献

第二章锚固体锈蚀胀裂的数值模拟

2．1 引言

2．2 锚固体的锈蚀胀裂破坏过程

2．2．1 锚固体锈胀破坏的诱因简述

2．2．2 锚固体锈蚀胀裂的破坏过程

2．2．3 锚固体锈胀破坏过程的控制因素

2．3 锚固体锈蚀胀裂对工作性能的影响

2．3．1 锚杆的工作机理简述

2．3．2 锈蚀损伤对锚杆工作性能影响的分析

2．3．2．1 锈蚀损伤对锚杆极限抗拔力的影响

2．3．2．2 锈蚀损伤对锚固体粘结性能的影响

2．4 锈蚀胀裂预测模型概述

2．4．1 锈蚀胀裂预测模型

2．4．1．1 理论模型

2．4．1．2 经验模型

2．4．1．3 数值模型

2．4．2 锈蚀胀裂预测模型的比较和分析

2．5 砂浆锚杆锚固段锈蚀胀裂的数值模拟

2．5．1 概述

2．5．2 有限元数值离散化模型

2．5．2．1 SOLID65单元简介

2．5．2．2 SOLID65单元的计算原理

2．5．3 锚杆虚拟锈胀位移的确定

2．5．3．1 均匀锈蚀锚杆虚拟锈胀位移的确定

2．5．3．2 不均匀锈蚀锚杆虚拟锈胀位移的确定

2．5．4 胀裂时锚杆锈蚀量的预测

2．6 锚杆不均匀锈胀的数值模拟应用算例

2．6．1 算例说明

2．6．2 有限元数值离散化模型

2．6．3 虚拟锈胀位移的确定

2．6．4 锚杆不均匀锈胀数值模拟方法的验证

2．6．5 锈胀裂缝的发展过程

2．6．6 锈胀力作用下保护层内的应力场分析

2．7 锚杆均匀锈蚀与不均匀锈蚀的计算结果对比分析

2．8 本章小结

第二章参考文献

第三章锈蚀锚固体的空间解析模型

3．1 引言

3．2 锈蚀锚固体的空间解析模型

3．2．1 模型的建立

3．2．1．1 模型的简化

3．2．1．2 模型的基本假定

3．2．2 模型的求解

3．2．2．1 围压作用下的求解

3．2．2．2 锈胀力作用下的求解

3．2．2．3 锚固力作用下的求解

3．3 算例分析

3．4 本章小结

第三章参考文献

第四章锈蚀部位对锚杆与砂浆粘结性能影响的试验研究

4．1 引言

4．2 锈蚀部位对锚杆与砂浆粘结性能影响的试验

4．2．1 试验目的

4．2．2 试验方法

4．2．2．1 试件制作

4．2．2．2 灌浆

4．2．2．3 加载装置

4．3 拔出试验结果及分析

4．3．1 荷载滑移试验曲线

4．3．2 钢筋应力分布曲线

4．3．3 粘结应力分布曲线

4．3．4 不同锚固位置的粘结滑移曲线

4．4 本章小结

第四章参考文献

第五章拔出试验的非线性有限元分析

5．1 引言

5．2 ANSYS接触分析简介

5．2．1 ANSYS的接触分析能力

5．2．1．1 一般的接触分类

5．2．1．2 ANSYS的接触分析能力

5．2．2 接触模式

5．2．3 接触算法

5．2．4 接触刚度

5．2．5 摩擦类型

5．2．6 接触单元介绍

5．3 拔出试验的有限元计算结果分析

5．3．1 拔出试验的有限元模型

5．3．2 材料参数选择

5．3．2．1 钢筋、砂浆及混凝土的材料参数

5．3．2．2 摩擦系数

5．3．3 有限元计算结果分析

5．3．3．1 荷载滑移曲线的计算值和试验值比较

5．3．3．2 粘结应力分布曲线的计算值与试验值比较

5．4 有限元计算的参数敏感性分析

5．4．1 砂浆保护层厚度对锚杆抗拔力的影响

5．4．2 摩擦系数对锚杆抗拔力的影响

5．4．3 围压对锚杆抗拔力的影响

5．4．4 锚固长度对锚杆抗拔力的影响

5．5 本章小结

第五章参考文献

第六章锈蚀锚固结构的耐久性评估

6．1 引言

6．2 锚固结构耐久性评估的内容和基本程序

6．2．1 锚固结构耐久性评估的内容

6．2．2 锚固结构耐久性评估的基本程序

6．2．2．1 锚固结构环境条件的检测

6．2．2．2 锚固结构材料物理参数的检测

6．2．2．3 锚固结构耐久性损伤的检测

6．3 动态聚类法在锈蚀锚固结构耐久性评估中的应用

6．3．1 概述

6．3．2 基于模糊等价关系的动态聚类法的原理

6．3．3 锈蚀锚固体耐久性模糊动态聚类分析的步骤

6．3．3．1 确定耐久性评定指标体系

6．3．3．2 锚固体的耐久性指标矩阵

6．3．3．3 锚固体的模糊相似矩阵

6．3．3．4 形成模糊等价矩阵

6．3．3．5 锚固体耐久性评估的动态聚类

6．4 算例分析

6．4．1 算例说明

6．4．2 耐久性指标实测值的规范化处理

6．4．3 形成模糊相似矩阵

6．4．4 模糊等价矩阵

6．4．5 锚固体耐久性评估的动态聚类

6．4．6 结果分析

6．5 本章小结

第六章参考文献

第七章结论与展望

7．1 结论

7．2 主要创新点

7．3 展望

在读期间发表的论文

致谢

发布时间: 2006-04-20

参考文献

[1].砂浆锚杆锚固体耐久性基础研究[D]. 徐洪.重庆大学2009

锈蚀锚固体的力学性能研究及耐久性评估初探

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