钢筋锈蚀行为对隧道衬砌结构安全及耐久性影响的研究

论文摘要

在钢筋混凝土结构中,钢筋发生锈蚀以后,锈蚀产物的体积会变为原来的2-4倍,因此钢筋周围的混凝土就会受到由于锈蚀产物体积膨胀带来的挤压力,这种挤压力称为锈胀力,在锈胀力的作用下,钢筋周围的混凝土就会产生锈胀应力。随着钢筋锈蚀率的增加,混凝土受到的锈胀力就会越来越大,最终导致混凝土保护层受拉开裂。保护层一旦开裂,就会加速钢筋的锈蚀,也就进一步加剧了裂缝的扩大,最终导致结构破坏,严重的影响了混凝土结构的耐久性。因此对钢筋混凝土结构中由于钢筋锈蚀导致的保护层开裂过程进行研究有重要的意义。本文以近海隧道珠海眼浪山隧道为研究背景,通过在数值模拟中给钢筋施加温度膨胀来模拟钢筋的锈蚀膨胀,研究了钢筋混凝土构件及隧道二次衬砌结构在锈胀力作用下的力学行为,主要得出以下结论：1、由计算可知,混凝土的抗拉强度、保护层的厚度以及钢筋的直径都影响着保护层锈胀应力的大小和钢筋的开裂锈蚀率。混凝土抗拉强度越大,保护层厚度越大,钢筋直径越小保护层开裂时的钢筋锈蚀率也就越大。2、在钢筋锈蚀率相同的情况下,衬砌的各个部位受到锈胀力的影响不同。墙角处产生的锈胀拉应力最大,其次是仰拱与拱顶,最小的是拱腰和拱脚。因此在锈胀力的作用下隧道的墙角最先产生锈胀裂缝的地方,然后是仰拱和拱顶。3、钢筋锈蚀以后,随着锈蚀率的增加,拱顶沉降量也在增加。但钢筋的锈蚀对拱顶沉降值的影响不大,只考虑钢筋锈蚀而不锈胀时,锈蚀率从0%增加到30%过程中,拱顶沉降量共增加了1%；考虑钢筋在锈蚀的同时发生锈胀的情况下,钢筋锈蚀率从0%增加到30%的过程中,拱顶沉降量共增加了1.4%。4、在锈蚀率在1%-30%之间变化时,只考虑钢筋锈蚀而不考虑钢筋锈胀时,衬砌中混凝土的内力变化不明显,说明只考虑钢筋的锈蚀对衬砌结构内力的影响不大；在考虑钢筋锈胀力作用以后,衬砌的内力有了明显的增大,特别是衬砌的拉应力明显的增加了,并产生了大量的锈胀裂缝。说明钢筋的锈胀对衬砌结构带来的破坏是巨大的。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题的研究背景和意义
• 1.2 国内外钢筋锈蚀研究概况
• 1.3 本文研究的内容和方法
• -作用下钢筋锈蚀的机理及现有锈胀模型比较'>第2章 Cl^-作用下钢筋锈蚀的机理及现有锈胀模型比较
• 2.1 问题的提出
• 2.2 钢筋电化学锈蚀机理及危害
• 2.2.1 钢筋锈蚀的机理
• 2.2.2 钢筋锈蚀对钢筋混凝土结构的危害
• 2.3 混凝土保护层开裂时刻钢筋锈胀力的现有模型及比较
• 2.4 混凝土保护层开裂时钢筋锈蚀率的现有模型比较
• 2.5 本章小结
• 第3章 保护层锈胀的理论分析
• 3.1 问题的提出
• 3.2 混凝土保护层应力的计算
• 3.2.1 钢筋锈胀力q的推导及锈胀力作用下混凝土应力σ的计算
• 3.2.2 外荷载作用下,混凝土保护层应力的计算
• 3.3 混凝土锈胀应力及保护层开裂锈蚀率的计算实例
• 3.4 本章小结
• 第4章 钢筋混凝土构件锈胀开裂力学分析
• 4.1 问题的提出
• 4.2 结构单元的选取与介绍
• 4.2.1 结构单元的选取
• 4.2.2 本构关系的选择
• 4.2.3 混凝土solid65单元的介绍
• 4.3 温度膨胀与锈蚀膨胀的关系推导
• 4.4 混凝土保护层锈胀开裂的有限元分析
• 4.4.1 计算模型
• 4.4.2 单根钢筋在混凝土保护层下的锈胀有限元分析
• 4.4.3 保护层两侧受拉、压力及钢筋锈胀共同作用的有限元分析
• 4.4.4 钢筋混凝土梁在外荷载与钢筋锈胀共同作用的有限元分析
• 4.5 本章小结
• 第5章 近海隧道钢筋锈胀对衬砌结构内力的影响
• 5.1 问题的提出
• 5.2 珠海眼浪山隧道概况
• 5.2.1 眼浪山隧道区域自然条件
• 5.2.2 水文地质条件
• 5.2.3 隧道洞室围岩级别划分
• 5.2.4 衬砌中钢筋及钢筋网的选取
• 5.3 衬砌结构在围岩荷载与锈胀力共同作用下的受力分析
• 5.3.1 计算模型及计算工况
• 5.3.2 围岩荷载与钢筋锈胀力共同作用下的有限元计算分析
• 5.3.3 影响隧道衬砌锈胀开裂的因素
• 5.4 钢筋大量锈蚀情况下衬砌结构承载性能降低的计算分析
• 5.4.1 锈蚀对隧道衬砌沉降量的影响
• 5.4.2 衬砌中混凝土应力随钢筋锈蚀率增加的变化情况
• 5.5 本章小结
• 结论与展望
• 致谢
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表文章及参加的科研项目