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混凝土橋梁耐久性研究-2019

混凝土橋梁耐久性研究-2019

    橋梁建設和人類文明發展息息相關,也是人類文明的重要組成部分。建造橋梁,跨越障礙是人類不懈的追求與夢想。近年來,我國的橋梁工程無論在建設規模還是科技水平上,均已躋身前列,隨著橋梁科學技術的發展和國家發展建設的需要,幾十公裏長的跨海、海峽大橋,高速鐵路橋與輕軌運輸高架橋等宏偉工程也已逐漸開始建設。與此同時,隨著橋梁工程領域相關研究的不斷深入,橋梁新結構、新工藝、新材料等不斷湧現,新技術應用水平和研究水平達到了新的廣度和深度。然而,未來的橋梁工程將麵臨更加惡劣的建設條件,如大風、強震、深水、惡劣氣候條件等(如川藏鐵路);更多的功能需求,如公鐵合建、全天候通車、高速鐵路等;更加巨大的工程,如瓊州海峽、台灣海峽等的挑戰。同時也給橋梁工作者帶來了更多的發展機遇。

    2019年已經過去,在過去的一年中我國橋梁建設仍然繼續往年強勁的勢頭,飛速發展,為了在2020年中取得更加突出的成績,非常有必要對過去一年的研究進行分析、總結和展望,為此筆者僅就混凝土橋及新材料這一研究方向對過去一年的部分主要研究進行總結和探討,以為廣大混凝土橋及新材料方向的同行在新的一年開展工作提供些許參考和思路,並期待與廣大同行共同促進混凝土橋及其新材料方向的進一步發展。

    混凝土橋梁經過近百年的發展,其主體研究已經趨於成熟。從時間尺度上看,長期以來混凝土橋梁的研究重點集中在橋梁建設期。在大規模建設基本完成後,混凝土橋梁進入運營與養護階段。2019年初,專家在“我國海洋橋梁工程技術發展現狀、挑戰及對策研究”一文中指出:我國橋梁結構的進一步發展應高度重視環境作用及其組合、結構耐久性、抗疲勞和全壽命設計等理論研究,以此解決現有結構關鍵技術瓶頸。因此,在混凝土橋研究領域,著重研究其運營性能,特別是服役期複雜運營環境下的使用性能(主要是耐久性)、全壽命周期理念下混凝土橋的壽命預測理論、服役期抵抗極端災害(地震、洪水和台風等)的能力等方麵的研究理應備受關注,成為混凝土橋領域2019年的主要研究點。

      近一年來,高性能混凝土的發展有以下幾個方向:綠色高性能混凝土,纖維增強混凝土,自密實混凝土。

    近年來隨著路網交通荷載的增加,橋梁在材料耐久性、結構可靠性、整橋使用壽命等方麵都存在不同衰變。據調查,我國高速公路橋梁在運營不到五年內,即出現大量的鋼筋混凝土病害,混凝土橋梁結構的耐久性問題已成為我國橋梁結構麵臨的一個嚴峻問題。耐久性的提升往往從設計(尤其是細部設計)、抗環境影響、計算理論及材料層麵(抗裂、增韌、抗滲等微觀機理)等角度出發。

      對於橋梁耐久性設計方麵:大部分研究均來自工程一線人員,研究指出必須在傳統理念的強度設計基礎上加強強度與耐久性,研究中提出了特殊工況下的混凝土耐久性評價指標體係及高溫高濕強腐蝕海洋環境混凝土結構防腐蝕強化措施。跨海大橋耐久性應從橋梁結構的設計年限、構造物設計要求、材料要求和其它保護性的耐久性設計措施等角度展開,其中氯離子滲透是影響混凝土耐久性的關鍵因素,應嚴格控製。在耐久性理論研究方麵:大多研究均來自高校、科研院所。在極端環境作用下橋梁結構耐久性研究,探討了海洋環境下大跨橋梁突出的長期服役性能問題和輕量化需求,提出海洋橋梁工程輕質、高強、耐久材料發展的戰略建議。通過上述研究的總結不難發現,2019年在混凝土橋耐久性研究方麵收獲了不少有價值的成果,但也存在一些不足,目前對於耐久性研究還存在以下問題:(1)設計方麵的研究還不夠細化,過於籠統;(2)理論研究方麵成果較少,有待繼續深化;(3)極端環境耐久性研究針對麵較窄,目前主要針對高寒、腐蝕及海洋環境方麵展開,對於高溫、高熱等其他極端環境下的研究並不多見,還有待進一步的研究。 

混凝土結構及材料耐久性研究

堿環境:混凝土構件及材料在40℃和80℃的堿溶液中進行加速老化試驗,研究直徑對試件表麵形貌、破壞形態和抗壓強度的影響。

海洋環境:不同類型的纖維增強塑料筋(碳纖維CFRP、玻璃纖維GFRP)與珊瑚混凝土間粘結性能的試驗研究,同時對抖音国际免费看黄版海洋環境下FRP筋-珊瑚混凝土粘結性能進行劣化研究。提出了高溫海洋環境下FRP筋-珊瑚混凝土粘結強度折減係數公式。從海洋環境下BFRP筋蠕變、鬆弛、疲勞性能,體外預應力BFRP筋關鍵區域(錨固和轉向區)力學性能,體外預應力BFRP筋加固混凝土梁短長期性能三個層次展開研究,提出了恒定荷載作用下BFRP筋體外預應力加固鋼筋混凝土梁的變形和預應力值預測方法。

高/低溫環境:研究不同高溫條件作用後FRP筋的拉伸疲勞性能以及高溫暴露後靜載和疲勞荷載作用下FRP筋混凝土梁的受彎性能,以及高溫對不同FRP筋混凝土梁的最大裂縫寬度、剛度和剩餘承載力的影響規律。提出了高溫後FRP筋混凝土梁的最大裂縫寬度、剛度及剩餘抗彎承載力的計算方法及FRP筋混凝土梁疲勞壽命的預測模型。研究在低溫下纖維增強塑料(FRP)筋與混凝土的粘結性能,設計研發可實現低溫下力學加載和應變測試的試驗裝置,對FRP筋混凝土試件進行梁式拉拔試驗。

循環荷載環境:以不同載荷工況為主線,圍繞FRP的剩餘強度模型和壽命預測方法兩個基本問題展開研究。建立了多種循環載荷作用下FRP的剩餘強度模型以及疲勞載荷和自然老化共存環境下FRP的剩餘強度模型。提出應力幅值和應力均值共同影響下FRP的壽命預測方法。

    混凝土材料在長期環境影響下的機械性能,包括水/濕氣,堿性溶液,酸性溶液,低溫/高溫,紫外線輻射,凍融循環,濕潤-幹燥循環和現場環境。收集了1900多個實驗確定的FRP材料的機械性能,包括拉伸,壓縮,彎曲和剪切強度和模量。討論了每種環境影響的退化機理,並提出了相應的設計方法。從上述研究可見,目前FRP筋耐久性研究主要針對堿環境、海洋環境、循環荷載環境方麵展開研究,對於酸性環境、凍融循環高溫、濕潤-幹燥循環和現場環境的研究較缺乏,並且缺乏一套有效的FRP材料耐久性標準測試程序,對FRP材料耐久性進行評估還有待進一步的研究。

       目前環境模擬試驗技術發展迅速,科技成果不斷湧現,需要掌握環境模擬技術的發展動態和技術水平,根據混凝土結構環境試驗的具體要求,研究混凝土環境模擬試驗室關鍵技術。在此基礎上,建設高標準、高水平混凝土環境模擬試驗室,製定詳細的混凝土早期特性試驗、耐久性試驗、裂縫控製試驗的規劃藍本,為下一步科學研究奠定基礎,促進結構工程學科的快速發展。

      進行混凝土結構環境模擬試驗,需要模擬的實際環境多種多樣,如單一環境因素的模擬,包括高溫、低溫、濕度循環、濕度循環、寒潮襲擊、劇烈幹燥、淋雨、結露、凍融循環、鹽類及化學物質浸蝕、酸性氣體腐蝕等各種氣候及腐蝕環境,以及力學加載環境等。此外,還要實現多種耦合環境的模擬,包括氣候環境與力學荷載作用的綜合、氣候環境與腐蝕工業環境的綜合,等等,充分考慮試驗的綜合環境設置、荷載施加力架的布置、腐蝕環境下加載方式和設備防護等技術問題。

      因此利用環境模擬技術,建設大型多功能混凝土結構(材料)環境試驗室,通過對現代混凝土結構環境模擬試驗室技術的研究應用十分有必要,可從時間到空間模擬所需要的各種環境,如自然氣候環境、工業環境、海洋環境等,並實現多種耦合環境的共同作用。在模擬的實際環境中進行各種工程材料的試驗,可對環境效應進行定性定量的、全麵係統的仿真分析,對混凝土的耐久性、裂縫控製、各種早期特性的研究實現從源頭創新,有積極的推動作用。

  

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