1.一种老化钢筋混凝土桥梁疲劳寿命评估方法,其特征在于,包括以下步骤:步骤一:基于Fick第二扩散定律,计算混凝土内钢筋表面氯离子浓度达到临界值的时间,即得到锈蚀初始时间;
步骤二:采用锈蚀电流密度来表示钢筋锈蚀速率,计算混凝土保护层开裂时间和开裂至临界宽度时间,得到考虑锈胀开裂影响的钢筋锈蚀速率计算模型;通过开展钢筋材料的疲劳裂纹扩展试验确定材料疲劳裂纹扩展速率相关参数,进行腐蚀钢筋疲劳试验或有限元分析获得不同腐蚀水平下应力集中因子并融入到应力强度因子模型中,获得锈蚀影响下钢筋疲劳裂纹扩展速率,比较锈坑增长速率与疲劳裂纹扩展速率大小,得到裂纹增长速率与锈坑增长速率相等时所经历时间;
步骤三:通过钢筋疲劳裂纹增长分析,对疲劳裂纹增长模型从等效初始裂纹尺寸到临界裂纹长度积分,得到发生疲劳断裂所经历的荷载周期数,结合实测荷载频率,进而得到钢筋疲劳裂纹扩展控制时间;
老化钢筋混凝土桥梁疲劳寿命为锈蚀初始时间、裂纹增长速率与锈坑增长速率相等时所经历时间和钢筋疲劳裂纹扩展控制时间之和;
所述的步骤一包括:
基于Fick第二扩散定律,将钢筋表面氯离子浓度达到临界氯离子浓度的时间作为腐蚀初始时间,腐蚀初始时间Ti表示为式中:Ti为钢筋腐蚀初始时间;Dc为扩散系数;C0为混凝土表面氯离子浓度;erf为误差函数;C为保护层厚度;Ccr为临界氯离子浓度;
步骤二中采用锈蚀电流密度来表示钢筋锈蚀速率,计算混凝土保护层开裂时间和开裂至临界宽度时间,得到考虑锈胀开裂影响的钢筋锈蚀速率计算模型包括以下步骤:经t年后混凝土内钢筋表面的局部腐蚀深度为
p(t)=0.0116R∫icorr(t)dt (2)式中:p(t)为锈坑深度;R为腐蚀不均匀系数;icorr(t)为电流密度;t为时间;腐蚀开始t年后电流密度为icorr(t)=32.1(1-w/c)-1.64·(t-Ti)-0.29/C (3)式中:w/c为水灰比;
同时引入加速系数kac来考虑混凝土保护层开裂对腐蚀速率的影响,式中:Tsp,lim为锈胀开裂损伤时间,Tsp,lim=Ti+Tcr+Tcc;Tcr为锈蚀开始至开裂时间;Tcc为开裂至界限宽度时间,其中,式中:d0为钢筋周围空隙厚度;D为钢筋直径;υ为泊松比;ψ=(D+2d0)2/2C(C+D+2d0);ft为混凝土抗拉强度;Eef为混凝土有效弹性模量,Eef=Ec/(1+φcr);Ec为混凝土弹性模量;
φcr为蠕变系数;
式中:Wlim为界限宽度。
2.根据权利要求1所述的方法,其特征在于,所述的步骤二中,钢筋表面锈坑增长速率为等效初始裂纹表示为
式中:ai为等效初始裂纹尺寸;ΔKth为临界应力强度因子;Δσf为疲劳极限;Y为几何修正因子;其中几何修正因子Y表示为Y=G(0.752+1.286β+0.37ω3) (9)式中: ω=1-sinβ; a为裂纹长度;
开展疲劳裂纹扩展速率试验,钢筋疲劳裂纹增长速率表示为m
da/dN=Cs(ΔK-ΔKth) (10)式中:Cs、m为与材料相关参数,由材料裂纹扩展实验绘制的裂纹扩展速率-应力强度因子幅曲线拟合得到;N为疲劳循环次数;ΔK为应力强度因子幅, Δσ为应力幅值,Δσ=σmax-σmin,钢筋应力大小通过有限元模拟或《混凝土结构设计规范GB50010-
2010》计算获得;计算腐蚀影响下的应力强度因子,在疲劳裂纹扩展速率试验的基础上,将锈坑引起应力集中的影响进行量化,采用下式计算锈坑根部应力强度因子Kp(t),其中,Kt为应力集中因子;
应力集中因子采用有限元方法按实际锈坑尺寸建模计算或按下式简化计算采用一个塑性修正因子来反映材料的塑性变形,即
式中:ρ为弹性区域尺寸;σ0为材料静力拉伸强度;
考虑塑性修正的应力强度幅值 a'为考虑塑性修正的裂纹长度,即a'=a+ρ;
将锈坑根部应力强度因子引入在疲劳裂纹扩展速率试验中,得到考虑锈蚀影响的疲劳裂纹扩展速率模型,将该模型转化为时间t的函数da/dt=Cs(ΔKp(t)-ΔKth)mf (14)式中:f为反复车辆荷载的频率;
随着荷载的不断增加,存在一个时间点Ttr,使得锈坑增长速率与裂纹增长速率相等,即
3.根据权利要求2所述的方法,其特征在于,所述的步骤三包括,通过对裂纹增长模型从等效初始裂纹尺寸到临界裂纹长度积分来实现最后的寿命评估式中:ac为失效时对应的裂纹临界长度,由材料的断裂韧性和作用荷载获得,根据桥梁实测的车辆荷载频率f将疲劳循环次数N换算为钢筋疲劳裂纹扩展控制时间Tcp。
4.根据权利要求1所述的方法,其特征在于,寿命评估为钢筋锈蚀初始时间Ti、钢筋锈坑增长控制时间Ttr和钢筋疲劳裂纹扩展控制时间Tcp之和。