钢筋在环境-应力耦合作用下的锈蚀特征及演化规律

课题围绕不同腐蚀条件下钢筋不均匀锈蚀特征的科学表征及其本构关系这一中心问题，主要结论如下： ①建立了钢筋不均匀锈蚀性状的科学表征方法：将体视学方法、分形理论及粗糙度技术用于锈蚀钢筋平面形态与蚀坑深度的表征。结果表明，蚀坑形貌同时具有单一分形与多重分形的特征，多重分形谱宽度可更为灵敏的表征钢筋表面不均匀锈蚀程度；锈蚀钢筋的表面轮廓曲线具有单一分形的特征，但不具备多重分形的特征，表面粗糙度可用于蚀坑深度不均匀分布的定量表征。基于上述成果，创建了兼顾钢筋不均匀锈蚀特征描述和力学分析需要的锈蚀损伤变量。 ②揭示了不同腐蚀条件下混凝土中钢筋的不均匀锈蚀特征：基于上述表征方法，探明了氯盐、杂散电流与碳化三种化学因素及其与拉应力耦合作用对混凝土内钢筋锈蚀性状的影响。结果表明，化学-力学因素的耦合作用导致钢筋蚀坑形状趋于复杂。各组试件的蚀坑深度均优先符合Weibull分布，据此建立了蚀坑深度的预测模型；杂散电流环境下钢筋表面粗糙度最大，氯盐其次，碳化最小；拉应力的引入导致氯盐与碳化环境下钢筋轮廓各个面间的不均匀程度显著增加，而杂散电流对锈蚀钢筋的表面粗糙度和断口形貌起主导作用，与应力是否引入关系甚微；锈蚀损伤变量可以灵敏的表征混凝土内钢筋不均匀锈蚀几何特征，并从金属腐蚀过程中的化学-力学耦合效应出发阐明了机理。 ③探明了不同锈蚀特征对钢筋拉伸性能的影响：运用有限元分析了蚀坑深度、形状及锈蚀率对钢筋力学性能的影响。结果表明，蚀坑深度与形状对钢筋力学性能影响显著；在锈蚀率相近的情况下，锈蚀钢筋的最大等效塑性应变随表面粗糙度的增加而增大。通过对不同锈蚀性状钢筋的弹性模量、屈服与抗拉强度、强化与极限应变进行统计分析，探明了上述指标与锈蚀损伤变量之间的关系，建立了宏观损伤本构模型。 ④实现了锈蚀钢筋拉伸全过程的细观数值模拟：将GTN细观损伤本构模型引入锈蚀钢筋拉伸的有限元模拟，通过正交试验校准GTN模型参数，并结合实测数据确定了适用于锈蚀钢筋的模型参数取值，有限元计算得到的名义应力-应变曲线与实测曲线吻合较好。 ⑤提出了混凝土中钢筋锈蚀程度的无损检测手段：将超声波检测与人工神经网络相结合，用于混凝土内钢筋的锈蚀损伤诊断。结果表明，钢筋锈蚀导致超声波在混凝土中传播速度显著降低，且超声波速分布变得不均匀。通过建立BP与RBF人工神经网络，成功对混凝土内钢筋的锈蚀率与锈蚀损伤变量进行了预测。 2100433B

根据金属应力腐蚀理论，应力状态下的钢筋在一定腐蚀环境中将表现出多场耦合行为，其锈蚀特性较单一环境因素作用时不同。本项目采用多因素耦合与多尺度分析的理念，研究钢筋在环境-应力耦合作用下的锈蚀特征及演化规律。首先将不同环境因素与拉应力相耦合，正确模拟混凝土内钢筋锈蚀过程的实际工况，从微-细-宏观尺度对不同条件下钢筋的锈蚀特征进行系统研究；其次将分形理论与定量体视学相结合，探求不同腐蚀条件下钢筋不均匀锈蚀的定量表征指标，基于粗糙表面分形模拟技术及时间序列方法，实现钢筋锈蚀过程中表面形貌演化过程的数值模拟；最后结合损伤力学与分形理论，提出一种兼顾钢筋不均匀锈蚀损伤细观特征描述与宏观损伤力学分析需要的分形损伤变量，建立宏-细观结合的钢筋锈蚀损伤演化方程与内蕴损伤变量的本构关系，为混凝土结构耐久性评估、寿命预测及数值模拟提供理论指导。

本项目基于损伤与断裂力学理论，结合文献调研以及前期研究成果，采用双剪模型试验、离心模型试验以及数值解析对拉剪耦合作用下竹筋复合锚杆的锚固性能进行系统研究。揭示竹筋复合锚杆在不同安设角度、不同锚固长度、不同锚固层数、不同抗弯刚度等条件下锚固系统的荷载-位移关系、破坏模式、应力应变分布及演化规律。在此基础上，对比分析复合锚杆各组成材料及锚固系统各界面的轴向应力/应变、弯矩、界面剪应力等随荷载变化的演化规律与特征，且通过与只考虑轴向加固作用的普通锚杆对比分析，得出竹筋复合锚杆的抗弯剪作用对边坡稳定性的贡献。最后，以某工程实际边坡为例，采用强度折减有限元法，对其锚固前、后的边坡稳定性进行分析对比，探讨了竹筋复合锚杆对边坡稳定性的贡献。研究结果对竹筋复合锚杆的设计计算及施工优化具有重要的基础理论意义，同时对其他类型锚杆的锚固机理研究也具有借鉴意义。主要结论如下： （1）结合荷载-位移关系曲线特征，安设角度为 0°的复合锚杆锚固系统所提供的承载力最大，且随着安设角度的增大， 承载力逐渐降低。 破坏方式主要表现为复合锚杆的剪切破坏。 （2）复合锚杆弯矩集中分布在结构面附近，两边锚固段弯矩为负值，体现为向上凸起，中间自由段弯矩为正值，体现为向下凸起。 （3）随着荷载的增大，复合锚杆轴向应力逐渐升高，影响范围逐渐变大；剪应力逐渐升高，且剪应力峰值逐渐向锚固端移动。 （4）通过对比不同抗弯刚度锚杆锚固作用下边坡的变形破坏特征，抗弯刚度较大的锚杆可明显增大边坡的稳定性能，从而表明考虑锚杆的抗弯性能是必要的。 （5）通过对比不同锚固层数条件下的边坡变形破坏特征，2层有机玻璃锚杆布置能够承受更大的荷载，且其破坏方式表现为自上而下渐进破坏。 （6）提出了复合锚杆的轴向位移和切向位移的变形理论，通过该理论获得了负荷-位移曲线中的两个特征点对应的轴向位移和切向位移的理论解。 2100433B

本书针对深部充填开采留巷与采场围岩所处的复杂特殊环境，采用应变软化模型详细研究工作面推进全过程中留巷和采场围岩偏应力、球应力与塑性区演化规律，并对其影响因素进行分析，以此提出了高强度高预应力锚杆索、高预应力桁架锚索、双排钢管混凝土支架和单体液压支柱联合支护的分区非对称围岩控制技术。本书的基本内容是：深部充填开采留巷围岩偏应力、塑性区演化规律与控制；深部充填开采采场围岩偏应力、球应力与塑性区演化规律；进一步探讨采深、采高及充填高度等影响因素与围岩偏应力、塑性区时空关系。本书通过对巷道和采场围岩偏应力、球应力和塑性区时空演化规律及其影响因素的研究，形成了深部充填开采留巷围岩非对称控制技术，为深部留巷围岩稳定性控制提供关键理论和技术支撑。

本书可供矿业领域科研工作者、工程技术人员及高等院校相关专业的师生学习和参考。

我国正面临大量土遗址保护与加固问题，锚固是解决该问题的一种有效途径。竹筋复合锚杆因其良好的应变协调能力、高承载力、抗腐蚀性强以及造价低廉等特点，在土遗址保护和加固工程中具有极大的应用潜力。该类锚杆在土遗址土体锚固过程中承受拉力与剪力共同作用，但目前对竹筋复合锚杆在拉剪耦合作用下的锚固性能、应力分布特征、破坏模式等问题尚缺乏科学认识，已成为制约该类锚杆推广应用的主要瓶颈。本课题拟基于损伤与断裂力学理论，综合采用离心模型试验、数值模拟和理论分析等手段，对拉剪耦合作用下竹筋复合锚杆的锚固性能、变形特征与破坏模式进行系统研究，建立可考虑界面损伤断裂的数值分析方法，探讨不同锚杆安设角度、锚固长度、锚杆刚度、锚固层数与间距以及不同粗糙度结构面等因素对竹筋复合锚杆拉剪耦合锚固性能的影响，确定竹筋复合锚杆的最优布设方式，揭示竹筋复合锚杆的锚固机理及演化规律，为竹筋复合锚杆的设计计算及施工优化提供理论依据。