大气环境下钢筋溷凝土桥梁剩余寿命预测与耐久性评估.docVIP

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大气环境下钢筋混凝土桥梁剩余寿命预测与耐久性评估 杨玉淮??闻宝联 ? (1.天津市市政工程局,天津,300050;) ? 摘要:分析了大气环境下钢筋混凝土桥梁的损伤机理和失效模式,引入了混凝土碳化和钢筋锈蚀的预测模型,建立了混凝土构件耐久性极限方程,对桥梁构件进行了可靠性分析,并基于由碳化和钢筋锈蚀引起的裂缝控制标准进行了剩余寿命预测,最后引入模糊数学概念,利用三级模糊综合评判评定了桥梁结构的耐久性等级。 关键词:钢筋混凝土;桥梁;剩余寿命;耐久性 中图分类号:TU375?? ??文献标识码:B?? ??文章编号: Durability estimate and residual service life prediction of bridge made of reinforced concrete under ordinary atmospheric environment ? 引 言 钢筋混凝土桥梁在使用过程中,要受到环境、有害化学物质的侵蚀,并承受车辆、风、地震、疲劳、超载、人为因素等外来作用,加之自身性能的不断退化,导致桥梁结构各部分不同程度的损伤和劣化。而旧桥是巨大的资源,通过旧桥可靠性评估,进行既有桥梁剩余寿命的预测,挖掘旧桥潜力,无疑可以节约能源、资源,保护环境,具有明显的经济效益和社会效益。 1 混凝土碳化的数学模型 混凝土的碳化会导致钢筋锈蚀,其结果是结构在预定时间内、规定条件下完成预定功能的能力下降[1]。 混凝土的碳化区由完全碳化区和部分碳化区组成,部分碳化区的存在是二氧化碳在混凝土中的扩散速度大于其与混凝土中可碳化物质反应速度而造成的。研究表明,钢筋在部分碳化区同样可能发生锈蚀。 1.1 完全碳化深度[2] ?? ?????(1) -碳化深度,mm; -完全碳化系数,mm/a0.5; -服役时间,a; 1.2 部分碳化区深度[3] ? ??(2)?? xl-部分碳化区深度(mm) RH-环境相对湿度, % -混凝土抗压强度(MPa) 2 钢筋锈蚀数学模型 大气环境下,钢筋混凝土的损伤过程为:混凝土碳化、钢筋脱钝、锈蚀,承载力不足引起结构失效。根据其损伤机理,分为以下过程[4](如图1)? 图1 混凝土中钢筋腐蚀示意图 根据金伟良的研究结果[5],钢筋在不同阶段的锈蚀率 可以表示为 ??????????????????? ………..(3) D0—氧气在混凝土中的扩散系数(mm2/a) (4) ????????????????????????????? d—钢筋直径,mm c—保护层厚度,mm a,b—与混凝土性能有关的系数,可从文献[5] 中查表得到。 —考虑仅当大气相对湿度大于钢筋锈蚀的临界相对湿度时,钢筋才发生锈蚀而对钢筋锈蚀量进行的修正,取为60% 根据文献[5],引起钢筋混凝土胀裂的钢筋锈蚀率可表示为 ????????????????????? ………..(5) 为混凝土胀裂锈蚀率 为钢筋半径,mm 钢筋种类修正系数,对变形钢筋取1.23,光圆钢筋1.0 为钢筋位置修正系数,对边中位置取1.33 3 钢筋混凝土桥梁剩余寿命预测 构件的剩余寿命预测是结构评估的基础,进行寿命预测,必须先定义失效准则,也就是极限状态。 钢筋混凝土构件的耐久性极限标准因对象的不同,所处的环境不同和重要性的不同而易。对大气环境下的混凝土构件,可以认为碳化是钢筋锈蚀的主要原因,钢筋锈蚀会导致混凝土表面发生裂缝,根据裂缝控制等级,划分构件的耐久性极限标准[6] 表1 构件纵向裂缝宽度的耐久性极限指标 构件裂缝控制等级 纵向裂缝控制宽度 一级 钢筋开始脱钝锈蚀 二级 混凝土保护层胀裂 三级 纵向裂缝宽度w=0.3mm 为说明问题,先进行一算例分析 某桥梁主梁混凝土设计标号为C25,采用325普硅水泥,水灰比0.6,粉煤灰等量取代10%,自然养护。投入使用时间15年,经回弹检测,混凝土强度符合N(35.64,4.532)正态分布,完全碳化深度符合N(12.68,3.652)正态分布,保护层厚度符合N(35.26,4.462),光圆钢筋直径20mm,计算剩余寿命。 根据其在桥梁中的作用,假设其为裂缝控制等级二级。 1)计算部分碳化深度 根据前式,计算得到混凝土部分碳化深度为14.56mm 2)根据混凝土完全碳化区长度,可得完全碳化系数 满足N(3.25,0.942)。 3)当部分碳化深度达到钢筋时,假设钢筋锈蚀开始,计算得到tc=40.6年; =6.2%;tcr=45.8年 则预测寿命为40.6+45.8=86.4年,剩余寿命86.4-15=71.4年 4 桥梁耐久性评估 本文中,套用《钢铁工业建(构)筑物可靠性鉴定规程》(YBJ219-89)的评价方法,利用耐久性系数进行评定,为构件预测剩余寿命, 为设计剩余寿命

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