混凝土结构耐久性问题日益突出,而在各种混凝土耐久性问题中尤以冻融破坏最为突出,研究混凝土结构在冻融环境下的力学性能退化规律就显得尤为重要。对于混凝土材料而言,本构关系是其最为重要的力学特性。因此,建立能够反映混凝土材料在冻融环境下损伤特性的本构模型十分关键。同时,冻融后混凝土性能研究目前大都处于材性层面,且试验多数以室内快速水冻水融方法为主,这与混凝土结构实际所受到的冻融作用存在明显的差异性,这种差异性往往导致了结构耐久性寿命预测的偏差。本文采用理论分析与室内模拟试验相结合的研究方法,以气冻气融试验方法对冻融循环作用后的混凝土损伤本构模型、足尺钢筋混凝土梁的承载力退化规律及承载力计算模型进行了系统研究,主要研究内容如下:(1)结合损伤理论与热力学基本理论,以混凝土断裂应变为损伤变量,提出了考虑塑性变形及损伤阈值的混凝土轴心受压随机损伤本构模型。为确定损伤变量的概型分布及参数,分别制作了普通混凝土(31个)、钢纤维混凝土(38个)、聚丙烯纤维混凝土(11个)及喷射混凝土(32个)四组混凝土试件进行轴心受压试验。对试验结果回归拟合分析得到了相应的模型参数,并系统研究了模型参数的统计特性及四组不同混凝土试件损伤阈值的取值范围;探讨了混凝土断裂应变与峰值应变之间的关系,通过对四组试件峰值应变进行统计分析,确定了损伤变量的概型分布。(2)通过对四组不同抗压强度的混凝土试件进行气冻气融试验,研究了冻融循环作用下混凝土力学性能退化规律及冻融后的轴心受压本构关系,得出冻融循环作用下混凝土质量损失率、相对动弹性模量、抗压强度的变化规律及单轴受压应力应变曲线;分析了冻融循环对所建立的混凝土轴心受压随机损伤本构模型参数的影响,从而建立了冻融混凝土轴心受压随机损伤本构模型。(3)通过实际工程中钢筋混凝土构件温度变化规律的调查分析,提出了气冻气融试验方法的升降温机制。制作了7根足尺(150mm×300mm×2700mm)钢筋混凝土梁,试验研究了每根梁在冻融循环作用下的力学性能变化规律。采用超声波检测方法对钢筋混凝土梁在冻融循环作用下的相对动弹性模量及损伤层厚度进行了测试,并分析了混凝土含水率及钢筋对超声波测试结果的影响,建立了钢筋混凝土梁相对动弹性模量、损伤层厚度与冻融循环次数之间的关系;采用与梁同批次、同配比的强度试块及从钢筋混凝土梁中钻取芯样对钢筋混凝土梁的抗压强度进行评价,建立了冻融循环作用下混凝土抗压强度的衰减模型。(4)对7根冻融后的钢筋混凝土梁进行了正截面抗弯承载力试验,分析了冻融循环作用下钢筋混凝土梁承载力的退化规律及挠度变化规律;将冻融循环作用后钢筋混凝土梁截面视为同一材料(即采用统一应力应变关系),并根据冻融后混凝土轴心受压损伤本构模型,建立了全截面等效的冻融钢筋混凝土梁承载力计算模型;进一步考虑冻融对构件截面损伤由表及里的作用特点,将截面视为损伤层及未损伤层两种材料(即分别采用不同的应力应变关系),建立了基于截面分层的冻融钢筋混凝土构件承载力计算模型。结合试验结果,讨论了两种模型的适用性,结果表明,分层模型更接近试验结果。(5)对三组不同抗压强度的混凝土试件在冻融循环作用后的损伤层厚度发展规律进行了系统研究,建立了冻融后混凝土损伤层厚度预测模型。分别基于冻融后混凝土损伤层厚度及混凝土构件承载力对冻融环境下混凝土结构进行了寿命预测,并以陕北寒冷地区实际工程为例,对冻融循环作用下的混凝土结构进行了寿命预测。