本书以高速铁路、公路和市政桥梁中最常见的混凝土箱梁为研究对象，考虑箱梁受环境腐蚀和使用荷载下应力状态的多维性特征，针对混凝土箱梁服役中最易出现的碳化和氯离子侵蚀问题，通过室内加速劣化试验、现场暴露试验、非稳态扩散理论、元胞自动机模型及分线性有限元分析方法，建立混凝土箱梁基于空间多维特性的劣化预测模型及非线性时变力学分析方法，分析混凝土箱梁在荷载与碳化及氯离子侵蚀共同作用下的多维劣化机制，提出了混凝土箱梁基于多维受力和侵蚀特性的寿命预测及耐久性设计方法。
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2005.9-2011.6 兰州交通大学 桥梁与隧道工程 博士
2000.9-2003.6 兰州交通大学 桥梁与隧道工程 硕士
1995.9-1999.6 甘肃农业大学 建筑工程 学士2005.12-2009.08，兰州交通大学土木工程学院讲师
2009.09-2011.08，兰州交通大学土木工程学院副教授（破格）
2011.09-至今，兰州交通大学土木工程学院教授（破格）
2012.06-2018.06，兰州交通大学土木工程学院副院长
2015.12-至今，兰州交通大学博士生导师
2018.06-2019.08，兰州交通大学研究院常务副院长
2019.09-2021.07，兰州交通大学建筑与城市规划学院院长
2021.07-至今， 兰州交通大学科学技术处处长 [2]
现任兰州交通大学学科规划与建设处处长桥梁结构设计理论及应用、桥梁结构耐久性甘肃省首批“飞天学者”特聘教授，甘肃省科技领军人才，甘肃省双一流优势学科土木工程学科带头人，全国五一劳动奖章、詹天佑铁道科学技术奖、茅以升科学技术奖（铁道科学技术奖）、甘肃省五一劳动奖章、甘肃省高校青年教师成才奖和甘肃省杰出青年基金获得者，教育部“长江学者与创新团队发展计划”创新团队核心成员，甘肃省基础研究创新群体带头人，甘肃省陇原青年创新创业团队带头人，兰州交通大学学科规划与建设处处长。兼任中国土木工程学会桥梁与结构工程分会理事，甘肃省土木建筑学会副理事长，《铁道学报》编委，教育部高等学校土木工程专业教学指导委员会委员，住房和城乡建设部高等教育土木工程专业评估委员会委员，中国工程教育专业认证专家委员会委员。
目录
前言
第1章 绪论 1
1.1 混凝土箱梁桥的发展动态 1
1.2 混凝土箱梁空间力学行为研究现状 2
1.3 混凝土箱梁桥的耐久性研究现状 3
1.3.1 环境因素作用下混凝土耐久性研究现状 3
1.3.2 环境与荷载耦合作用下混凝土耐久性研究现状 4
1.4 混凝土桥梁耐久性寿命预测与提升技术研究进展 5
参考文献 7
第2章 基于空间构造特性的混凝土箱梁力学行为分析 13
2.1 基于空间构造的箱梁力学特征 13
2.1.1 箱梁结构的特点 13
2.1.2 箱梁结构的空间形变及其耦合 14
2.2 混凝土箱梁的剪力滞效应分析 16
2.2.1 混凝土箱梁剪力滞的基本概念 16
2.2.2 混凝土箱梁剪力滞效应分析的变分法 18
2.2.3 混凝土箱梁剪力滞效应分析的有限梁段法 36
2.2.4 混凝土箱梁剪力滞效应分析的梁条模型 40
2.3 箱梁约束扭转基本理论 49
2.3.1 箱梁约束扭转微分方程的建立 50
2.3.2 基于初参数法的箱梁约束扭转微分方程的求解 53
2.3.3 箱梁约束扭转算例分析 54
2.4 混凝土箱梁畸变效应分析 56
2.4.1 箱梁畸变微分方程的建立 56
2.4.2 基于初参数法的箱梁畸变微分方程的求解 59
2.4.3 时速250km铁路双线箱梁畸变效应分析 61
2.5 多室箱梁在竖向对称荷载下的局部扭转效应分析 63
2.5.1 多室箱梁对称弯曲时的弯扭组合受力模式 63
2.5.2 多室箱梁对称弯曲时的局部扭转荷载分析 65
2.5.3 单箱双室简支箱梁的局部扭转试验 72
2.5.4 局部扭转试验结果及其分析 75
2.6 本章小结 80
参考文献 81
第3章 基于空间多维侵蚀特性的混凝土箱梁碳化机理 84
3.1 混凝土碳化的基本理论 84
3.1.1 混凝土碳化机理 84
3.1.2 碳化控制微分方程 85
3.1.3 混凝土碳化模型 87
3.2 基于大样本多元非线性回归分析的混凝土箱梁碳化预测模型 89
3.2.1 不同湿度区间对应的碳化系数表达式建立 89
3.2.2 回归分析结果及碳化定量分析 92
3.2.3 考虑多维侵蚀的碳化修正公式 94
3.2.4 模型验证 95
3.3 混凝土箱梁碳化试验 97
3.3.1 试验模型制作 97
3.3.2 快速碳化试验 98
3.3.3 结果整理与分析 100
3.4 基于热传导理论的碳化数值模拟 103
3.4.1 ANSYS热分析过程的基础理论 103
3.4.2 碳化与热传导过程的相似性分析 105
3.4.3 基于热传导理论的混凝土箱梁碳化模拟 105
3.4.4 混凝土箱梁数值模拟结果 108
3.5 本章小结 110
参考文献 110
第4章 基于空间多维侵蚀特性的混凝土箱梁受氯离子侵蚀机理 114
4.1 氯离子在混凝土中的传输机理 114
4.1.1 混凝土中氯离子传输过程 114
4.1.2 氯离子在混凝土中的传输过程分析 115
4.2 氯离子在混凝土中的扩散模型 120
4.2.1 一维氯离子扩散模型 120
4.2.2 二维氯离子扩散模型 121
4.2.3 三维氯离子扩散模型 123
4.3 影响混凝土中氯离子传输的主要因素 126
4.3.1 水灰比对氯离子扩散效应的影响 127
4.3.2 时间依赖性参数对氯离子扩散效应的影响 128
4.3.3 混凝土结合能力对氯离子扩散效应的影响 129
4.3.4 外界环境温度对氯离子扩散效应的影响 131
4.3.5 保护层厚度对氯离子扩散效应的影响 132
4.4 混凝土箱梁中氯离子扩散CA模型 133
4.4.1 CA理论基础 133
4.4.2 一维氯离子扩散CA模型 137
4.4.3 二维氯离子扩散CA模型 142
4.4.4 三维氯离子扩散CA模型 146
4.5 混凝土受氯离子多维侵蚀试验与模型验证 151
4.5.1 试验材料与方案设计 151
4.5.2 一维氯离子侵蚀试验结果分析与模型验证 153
4.5.3 二维氯离子侵蚀试验结果分析与模型验证 156
4.5.4 三维氯离子侵蚀试验结果分析与模型验证 159
4.6 基于CA模型的混凝土箱梁受氯离子侵蚀过程分析 162
4.6.1 工程概况 162
4.6.2 结果分析与讨论 163
4.7 本章小结 165
参考文献 166
第5章 荷载与碳化耦合作用下混凝土箱梁劣化机理 170
5.1 弯曲荷载与碳化耦合作用下混凝土箱梁试验 170
5.1.1 试验模型设计与制作 170
5.1.2 弯曲加载装置及加载方式 171
5.1.3 加载过程与应变采集 172
5.1.4 试验结果与分析 175
5.2 荷载与碳化耦合作用下混凝土箱梁耐久性数值模拟 178
5.2.1 基于热传导理论的持荷混凝土箱梁的碳化数值模型建立 178
5.2.2 持荷混凝土箱梁数值模拟结果 178
5.3 基于大样本统计的持荷混凝土箱梁碳化预测模型 181
5.3.1 模型的建立 181
5.3.2 碳化预测模型验证 182
5.4 荷载与碳化耦合作用下混凝土碳化CA模型 183
5.4.1 多因素耦合作用下混凝土碳化CA模型的建立 183
5.4.2 模型计算参数的确定 186
5.4.3 CA模型计算流程 187
5.4.4 算例分析 187
5.5 本章小结 189
参考文献 190
第6章 荷载与氯离子侵蚀耦合作用下混凝土箱梁劣化机理 192
6.1 弯曲荷载与氯离子侵蚀耦合作用下混凝土箱梁试验 192
6.1.1 试验方案设计 192
6.1.2 试验梁加载装置 193
6.1.3 氯离子侵蚀试验 193
6.1.4 试验结果与分析 194
6.2 环境与荷载耦合作用下混凝土中多维氯离子扩散预测模型 197
6.2.1 模型的建立 197
6.2.2 模型试验验证 198
6.3 环境与荷载耦合作用下混凝土受多维氯离子侵蚀CA模型 200
6.3.1 CA模型的建立 200
6.3.2 CA模型计算流程 200
6.3.3 算例分析与模型验证 201
6.4 荷载与氯离子侵蚀耦合作用下混凝土箱梁劣化过程模拟 206
6.4.1 混凝土箱梁概述 206
6.4.2 箱梁有限元模型 206
6.4.3 氯离子扩散效应分析 208
6.5 环境与氯离子侵蚀耦合作用下混凝土箱梁力学行为分析 211
6.5.1 试验方案设计 211
6.5.2 试验过程 212
6.5.3 试验结果分析 213
6.6 本章小结 215
参考文献 216
第7章 荷载与碳化及氯离子侵蚀耦合作用下混凝土箱梁劣化机理 218
7.1 荷载与碳化及氯离子侵蚀耦合作用下混凝土箱梁试验 218
7.1.1 试验方案及模型设计 218
7.1.2 试验过程 219
7.1.3 试验结果 220
7.2 荷载与碳化及氯离子侵蚀耦合作用下混凝土中氯离子浓度
预测模型 224
7.2.1 模型的建立 224
7.2.2 考虑荷载和多维侵蚀的模型修正 226
7.2.3 模型验证 227
7.3 荷载与碳化及氯离子耦合作用下混凝土中物质传输数值模型 228
7.3.1 考虑混凝土中物质传输的CA模型 228
7.3.2 物质扩散参数确定 230
7.3.3 计算流程 231
7.3.4 模型验证 232
7.4 既有预应力混凝土箱梁碳化和受氯离子侵蚀耦合效应分析 233
7.4.1 工程概述 233
7.4.2 既有箱梁结构耐久性服役状态评估 234
7.4.3 CA模型模拟结果与实测结果的对比分析 236
7.5 本章小结 238
参考文献 238
第8章 考虑荷载与环境劣化的混凝土箱梁寿命预测与耐久性设计 240
8.1 混凝土结构耐久性设计理论与寿命预测方法 240
8.1.1 混凝土结构耐久性设计理论 240
8.1.2 结构可靠度的一般计算 242
8.1.3 结构耐久性使用寿命预测方法及确定准则 243
8.2 混凝土箱梁基于多维劣化的耐久性分区设计方法 245
8.2.1 混凝土箱梁碳化及受氯离子多维侵蚀特性 245
8.2.2 混凝土箱梁耐久性分区设计方法的建立 246
8.3 基于确定性指标的混凝土箱梁使用寿命预测 248
8.3.1 基于确定性指标的混凝土箱梁的碳化使用寿命预测 248
8.3.2 基于确定性指标的混凝土箱梁的氯离子侵蚀寿命预测 249
8.3.3 基于确定性指标的混凝土箱梁的承载力寿命预测 249
8.3.4 算例分析 251
8.4 基于可靠性指标的混凝土箱梁使用寿命预测 253
8.4.1 基于可靠性指标的混凝土箱梁碳化使用寿命预测 253
8.4.2 基于可靠性指标的混凝土箱梁的氯离子侵蚀寿命预测 254
8.4.3 基于可靠性指标的混凝土箱梁的承载力寿命预测 255
8.5 基于可靠性指标的混凝土箱梁保护层厚度设计 256
8.5.1 基于可靠度的混凝土抗压强度计算 256
8.5.2 基于碳化可靠性指标的混凝土箱梁保护层厚度分区设计 257
8.5.3 基于承载力可靠性指标的混凝土箱梁保护层厚度分区设计 262
8.6 氯离子及碳化作用下混凝土箱梁保护层厚度建议取值 270
8.6.1 混凝土保护层厚度对钢筋初锈时间的影响 270
8.6.2 保护层厚度的分区建议取值 271
8.7 本章小结 271
参考文献 272
第9章 混凝土箱梁加固与耐久性提升技术 275
9.1 混凝土箱梁结构加固技术 275
9.1.1 碳纤维加固 275
9.1.2 粘贴钢板加固 279
9.1.3 增大截面加固 284
9.1.4 体外预应力加固 287
9.2 提升混凝土箱梁耐久性的基本措施 291
9.2.1 考虑耐久性要求的混凝土原材料选择原则 291
9.2.2 考虑耐久性要求的混凝土配合比设计 295
9.2.3 混凝土箱梁耐久性设计与应用案例 296
9.3 提升混凝土箱梁耐久性的附加措施 299
9.3.1 阴极保护 300
9.3.2 特殊钢筋 300
9.3.3 混凝土表面涂层和防腐蚀面层 302
9.4 本章小结 306
参考文献 307
附录A 梁体及墩身碳化可靠度程序 312
附录B 考虑碳化与荷载及氯离子侵蚀的正截面抗弯承载力可靠度程序 314
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