預(yù)應(yīng)力橋梁結(jié)構(gòu)耐久性研究

李康

【摘 要】預(yù)應(yīng)力橋梁有良好的使用性能和較好的跨越能力，在橋梁建設(shè)中廣泛應(yīng)用，本文以可靠度基本理論應(yīng)用到橋梁結(jié)構(gòu)耐久性為出發(fā)點，介紹了預(yù)應(yīng)力橋梁結(jié)構(gòu)耐久性的影響因素，并提出了耐久性極限狀態(tài)的基本含義及其在結(jié)構(gòu)耐久性研究中的應(yīng)用。

【關(guān)鍵詞】預(yù)應(yīng)力橋梁；耐久性；可靠度；極限狀態(tài)

0 引言

混凝土的耐久性最早開始于海工結(jié)構(gòu)的腐蝕問題，隨著配筋混凝土結(jié)構(gòu)的大量使用，耐久性腐蝕問題逐漸頻繁的出現(xiàn)，近年來在預(yù)應(yīng)力混凝土耐久性研究方面，劉榮桂等針對現(xiàn)代預(yù)應(yīng)力混凝土的失效特點和結(jié)構(gòu)耐久性的具體要求，提出了耐久性設(shè)計的主要內(nèi)容，并給出了結(jié)構(gòu)構(gòu)件耐久性極限狀態(tài)的定義形式。陳妤等以氯鹽循環(huán)為出發(fā)點分析了影響預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)耐久性的主要因素，將可靠度理論作為結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計方法。

預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)耐久性分析的主要內(nèi)容包括兩類問題，一類是結(jié)構(gòu)內(nèi)在制約因素包括結(jié)構(gòu)混凝土的保護層、混凝土標準強度、水膠比、配合比、水泥標號及用量、混凝土內(nèi)部含水量、外加劑、構(gòu)件類型、鋼筋型號和位置、結(jié)構(gòu)的應(yīng)力狀態(tài)以及結(jié)構(gòu)開裂情況等。另一類為結(jié)構(gòu)外部環(huán)境條件，包括溫度、濕度、二氧化碳濃度、氯離子濃度、酸雨、土壤條件、凍融情況等。混凝土結(jié)構(gòu)耐久性分析可以從環(huán)境層次、材料層次、構(gòu)件層次以及結(jié)構(gòu)層次上進行分析。

1 基于可靠度的橋梁結(jié)構(gòu)耐久性及影響因素分析

1.1 可靠度的基本概念和原理

結(jié)構(gòu)可靠度是限定時間和規(guī)定約束條件下，結(jié)構(gòu)的安全、適用和耐久性等能夠達到預(yù)定功能。結(jié)構(gòu)的可靠度是對結(jié)構(gòu)功能的定性描述，可以通過可靠度指標進行概率度量，結(jié)構(gòu)可靠度限定的時間即代表耐久性壽命，在設(shè)計上為設(shè)計基準期。

結(jié)構(gòu)的可靠度可以簡化為結(jié)構(gòu)的作用效應(yīng)S和結(jié)構(gòu)抗力效應(yīng)R之間的邏輯關(guān)系，結(jié)構(gòu)抗力表示橋梁結(jié)構(gòu)抵抗破壞和變形的能力，包括極限彎矩、最大撓度、最大應(yīng)力限值等，作用效應(yīng)代表外荷載產(chǎn)生的內(nèi)力和變形。當(dāng)作用效應(yīng)S大于抗力R時，結(jié)構(gòu)功能就不能正常完成，此時可以用結(jié)構(gòu)功能失效概率來表示，反之為可靠概率。

1.2 可靠度分析方法

一次二階矩法將結(jié)構(gòu)功能函數(shù)作為變量的線性函數(shù)，變量的一階矩和二階矩為概率特征，非線性的功能函數(shù)可以在設(shè)計點做泰勒展開，近似得到一次式線性函數(shù)。二次二階矩法則主要應(yīng)用于非線性較高的功能函數(shù)，其實質(zhì)是采用數(shù)值逼近的原理，運用拉普拉斯變換解決功能函數(shù)中非線性影響的二次項，目前工程中常運用的方法為一次二階矩法，二次二階矩法還沒能普遍使用。

蒙特卡羅法是以數(shù)理統(tǒng)計為基礎(chǔ)，采用抽樣理論近似求解數(shù)學(xué)或物理問題，這種方法隨著計算機的進步而發(fā)展起來，首先建立相似性的概率模型，然后通過特征和數(shù)學(xué)問題聯(lián)系起來，通過計算機進行隨機模擬和抽樣統(tǒng)計，利用得到的結(jié)果統(tǒng)計估計值作為數(shù)學(xué)的近似數(shù)解。優(yōu)勢在于不需要對功能函數(shù)進行線性處理，沒有大量反復(fù)的計算工作，能夠直接求解結(jié)構(gòu)可靠度指標，容易控制產(chǎn)生的模擬誤差，常用于復(fù)雜結(jié)構(gòu)的可靠度指標分析中。

1.3 時變可靠度壽命預(yù)測方法

結(jié)構(gòu)的可靠度是在一定時期內(nèi)的動態(tài)問題，功能函數(shù)中包含的作用效應(yīng)和抗力效應(yīng)都和時間有關(guān)，例如結(jié)構(gòu)使用期內(nèi)，設(shè)計荷載時一個隨機過程當(dāng)作用荷載對應(yīng)的時間域發(fā)生變化時，設(shè)計基準期也就相應(yīng)變化了。結(jié)構(gòu)荷載和抗力在偶然因素的影響下，都會隨著時間成為隨機函數(shù)，所以采用時變可靠度來分析結(jié)構(gòu)的耐久性更為符合實際情況。 這樣靜態(tài)的可靠度模型就轉(zhuǎn)化為時變可靠度模型問題。

那么，只要求解出失效概率沿時間軸變化的規(guī)律，就能明確失效概率對應(yīng)的時間域，預(yù)測橋梁結(jié)構(gòu)的使用壽命問題也就簡單了。由于時變可靠度的基準期是不斷變化的，可以采用時變綜合法將整個服役期的基準期作為一個整體參考時間段，在整個服役期內(nèi)考慮結(jié)構(gòu)抗力和荷載變化情況。

2 預(yù)應(yīng)力混凝土橋梁結(jié)構(gòu)耐久性影響因素

2.1 混凝土碳化腐蝕

空氣中的二氧化碳會逐漸進入到表面混凝土材料，和其中的堿性化合物發(fā)生化學(xué)反應(yīng)生成碳酸鈣，也即是混凝土的碳化反應(yīng)。碳化反應(yīng)主要受混凝土自身的密實度和堿性強弱的影響，環(huán)境的溫度和濕度等則會影響反應(yīng)的速率。

碳化反應(yīng)初期會使混凝土材料的密實度和表面強度有所增加，但隨著時間的增長，強度會逐漸減弱，反應(yīng)消耗堿性材料，鋼筋會因為失去堿性材料的保護出現(xiàn)失鈍問題，對于高應(yīng)力狀態(tài)下的鋼筋更為不利，碳化反應(yīng)還會加劇混凝土的收縮變形，在鋼筋銹脹的作用下出現(xiàn)開裂現(xiàn)象，鋼筋和混凝土的粘結(jié)力降低，保護層剝落。

2.2 氯離子的擴散侵蝕

氯離子主要通過混入和擴散兩種方式進入到混凝土結(jié)構(gòu)中，包括混凝土外加劑、海砂以及含氯離子的水等，在近海、鹽湖等外界環(huán)境中含有的氯離子也會逐步進入材料內(nèi)部，造成鋼筋表面的腐蝕。

氯離子對混凝土的破壞主要變現(xiàn)在鋼筋表面的鈍化膜會遭到破壞，失去保護作用，在混凝土內(nèi)部形成腐蝕電池，導(dǎo)致鋼筋表面因電化學(xué)作用形成局部腐蝕坑。具有去極化作用，在造成鋼筋銹蝕作用的前提下本身數(shù)量不會減少，腐蝕作用不停的進行下去。

2.3 鋼筋銹蝕作用

鋼筋銹蝕問題是結(jié)構(gòu)耐久性的主要問題，按照作用機理的不同鋼筋表面的腐蝕可以分為化學(xué)腐蝕和電化學(xué)腐蝕?；炷羶?nèi)部具有堿性材料，當(dāng)堿性環(huán)境發(fā)生變化時，對鋼筋起到保護作用的鈍化膜就會遭到破壞，化學(xué)腐蝕是由氧化作用或非電解質(zhì)溶液引發(fā)的具有化學(xué)性質(zhì)的腐蝕，在較高溫度下這種反應(yīng)速度較快。電化學(xué)腐蝕則產(chǎn)生腐蝕電流，鋼筋腐蝕對結(jié)構(gòu)耐久性的破壞不僅表現(xiàn)在鋼筋的有效面積上，而且會引起受力鋼筋的應(yīng)力集中現(xiàn)象，進一步加劇結(jié)構(gòu)的衰減破壞。

2.4 預(yù)應(yīng)力鋼筋的應(yīng)力腐蝕

預(yù)應(yīng)力鋼筋的應(yīng)力腐蝕可以分為三個階段，第一階段應(yīng)力腐蝕發(fā)生初期，鋼筋局部發(fā)生腐蝕，在拉應(yīng)力的作用下出現(xiàn)金屬裂紋；第二階段裂紋開始發(fā)展，局部微小的裂紋逐步發(fā)育擴展，發(fā)展為小的裂縫；第三階段為破壞階段，拉應(yīng)力作用下，細小裂紋急劇增長，最終導(dǎo)致鋼筋材料的整體強度下降而破壞。

3 預(yù)應(yīng)力橋梁耐久性極限狀態(tài)分析

3.1 耐久性極限狀態(tài)的概念

預(yù)應(yīng)力橋梁的耐久性極限狀態(tài)為構(gòu)件達到使用功能允許的限值狀態(tài)，橋梁的耐久性要求和正常使用功能要求是相一致的，結(jié)構(gòu)耐久性極限狀態(tài)的制定可以參考正常使用極限狀態(tài)的方法和內(nèi)容。當(dāng)構(gòu)件出現(xiàn)下列條件就可以認為達到了耐久性極限狀態(tài)。

外觀變形影響了正常使用，過大的變形可能導(dǎo)致橋梁結(jié)構(gòu)的開裂，橋面積水等，給人的心理上造成不安全感；局部破壞影響了橋梁使用的耐久性，例如結(jié)構(gòu)開裂，裂縫寬度達到了限值規(guī)定；出現(xiàn)較大的振動或其他特定狀態(tài)。

3.2 預(yù)應(yīng)力橋梁耐久性極限狀態(tài)

混凝土結(jié)構(gòu)構(gòu)件的耐久性極限狀態(tài)有三種：當(dāng)鋼筋開始發(fā)生銹蝕的極限狀態(tài)；鋼筋發(fā)生適量銹蝕的極限狀態(tài)；混凝土表面有輕微損傷的極限狀態(tài)。預(yù)應(yīng)力鋼筋處于高應(yīng)力狀態(tài)下，一旦發(fā)生應(yīng)力腐蝕，后續(xù)的應(yīng)力失效會給結(jié)構(gòu)耐久性帶來巨大的隱患，普通鋼筋的銹蝕導(dǎo)致外觀損壞也會造成耐久性的下降，所以耐久性的極限狀態(tài)為預(yù)應(yīng)力鋼筋初銹、普通鋼筋保護層開裂和預(yù)應(yīng)力腐蝕導(dǎo)致截面受力開裂三個階段。

3.3 耐久性設(shè)計和評定的可靠指標

結(jié)構(gòu)耐久使用功能指標要反映結(jié)構(gòu)在生命過程中的基本工程特性要求，并符合人們對風(fēng)險的承受能力，滿足經(jīng)濟投資等條件，耐久性可靠指標還能夠為結(jié)構(gòu)的維修、加固、拆除等提供依據(jù)。耐久性的指標可以通過可靠度和風(fēng)險分析兩方面來確定。

【參考文獻】

[1]張德峰，呂志濤.現(xiàn)代預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)耐久性的研究現(xiàn)狀及其特點[J].工業(yè)建筑，2000，30（11）：1-4.

[2]劉榮桂，陸春華.大氣環(huán)境下預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)的耐久性設(shè)計理論[J].江蘇大學(xué)學(xué)報：自然科學(xué)版，2006，l（27）：4-6.

[3]薛鵬飛.預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)剛構(gòu)橋結(jié)構(gòu).性能退化預(yù)測評估研究[D].杭州：浙江大學(xué)，2009.

[4]劉海，姚繼濤，牛荻濤.一般大氣環(huán)境下既有混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性評定與剩余壽命預(yù)測[J].建筑結(jié)構(gòu)學(xué)報，2009，30（2）：20-23.

[責(zé)任編輯：薛俊歌]