基于等效裂纹发展的RC梁腐蚀疲劳寿命预测及更新方法

Corrosion significantly reduce the remaining life of reinforced concrete (RC) beams. The damage mechanism under the coupled effect of corrosion and fatigue is very complex. Huge uncertainties exist for corrosion fatigue life assessment of RC bridges. The objective of this study is to propose a novel information fusion and uncertainty updating-based corrosion fatigue life prediction framework for RC beams considering cross-scale test. The main research tasks include: corrosion fatigue crack initiation and propagation function under the coupled effect of corrosion and fatigue based on fatigue test of rebars, and mechanism-based equivalent initial crack model for the corrosion fatigue damage prediction; the effects of corrosion level, fatigue degradation of concrete and other factors on steel bars, and proposing a systematic corrosion fatigue life prediction method for RC beams combining the preceding crack propagation model; multi uncertainties quantification in cross-scale analysis, developing an inverse first-order reliability method for probabilistic corrosion fatigue life prediction of RC beams; a posterior prediction model based on information fusion and uncertainty updating methods. This study will be useful for the remaining life prediction for existing RC bridges.

腐蚀会显著降低钢筋混凝土(RC)梁的使用寿命。腐蚀疲劳导致的材料复合损伤机理复杂，RC梁腐蚀疲劳寿命评估中存在多种不确定性。本项目旨在通过从材料到构件的跨尺度疲劳试验，同时考虑多种不确定信息，提出基于不确定信息融合和更新的RC梁腐蚀疲劳寿命预测方法。主要研究内容为：进行钢筋的疲劳试验，揭示钢筋疲劳裂纹发生发展机理，建立腐蚀疲劳耦合下裂纹扩展模型，提出基于材料物理失效机理的等效初始裂纹尺度寿命预测模型；开展RC梁的静力和疲劳试验，研究腐蚀、混凝土疲劳劣化对混凝土中钢筋应力的影响，基于已建立的钢筋裂纹扩展模型，提出RC梁疲劳寿命预测方法，并结合试验进行验证；量化RC梁腐蚀疲劳跨尺度分析过程中的多种不确定性因素，发展基于反一次二阶矩原理的疲劳寿命高效预测分析方法；基于上述研究，采用信息融合和不确定更新理论动态更新先验模型，完善服役RC桥梁剩余寿命预测理论。

腐蚀会显著降低钢筋混凝土(RC)梁的使用寿命。腐蚀疲劳导致的材料复合损伤机理复杂，RC梁腐蚀疲劳寿命评估中存在多种不确定性。本项目开展了不同应力比、不同溶液浓度下的钢筋材料腐蚀疲劳裂纹扩展试验，发明了用于疲劳裂纹扩展速率测试的装配式夹具和环境-疲劳荷载耦合模拟装置，得到了不同应力比、不同试件取向下的疲劳裂纹扩展速率参数和疲劳裂纹扩展门槛值，对比了不同工况下的试件断口形貌、裂纹扩展路径，研究了钢筋疲劳断裂机理。分析了缺口类型和缺口尺寸对钢筋疲劳寿命的影响，建立了钢筋应力范围-疲劳寿命-缺口深度的曲线方程，建立了精细的有限元三维实体计算模型，分析了缺口附近的应力分布状态，解释了坑蚀形态导致钢筋性能退化的原因。.为模拟锈蚀疲劳耦合作用对RC构件抗弯性能的影响，开展了三组RC梁的疲劳试验：预锈蚀后疲劳试验、盐溶液环境中疲劳试验和盐溶液通电环境中疲劳试验，研究了RC梁在疲劳荷载下的荷载-挠度关系、混凝土裂缝发展规律，对比了不同试验环境下RC梁的疲劳寿命及破坏形态。引入刚度修正系数，发展了疲劳荷载后锈胀RC梁抗弯刚度计算方法，该方法可考虑疲劳作用、锈胀、混凝土弹性模量退化等因素的影响，并结合试验进行了验证。.在锈蚀速率模型中考虑混凝土锈胀开裂的影响，采用小裂纹增长与近阈值裂纹增长分析，发展了考虑应力集中因子的应力强度因子模型；通过比较锈坑增长速率与疲劳裂纹扩展速率大小，实时判别结构失效模式，提出了考虑季节变化的RC桥梁腐蚀疲劳寿命评估方法；建立了考虑随机变量和指标变量的极限状态方程，发展了基于反一次二阶矩原理的疲劳寿命预测方法，计算效率大大提高。本研究完善了服役RC桥梁剩余寿命预测理论。

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