預(yù)應(yīng)力橋梁結(jié)構(gòu)耐久性與剩余壽命研究

張 亞 軍

(長平高速公路建設(shè)管理處，山西 長治 046200)

預(yù)應(yīng)力橋梁結(jié)構(gòu)耐久性與剩余壽命研究

張 亞 軍

(長平高速公路建設(shè)管理處，山西 長治 046200)

介紹了預(yù)應(yīng)力橋梁耐久性極限狀態(tài)的概念及分類，從混凝土碳化腐蝕、氯離子擴(kuò)散侵蝕、鋼筋銹蝕等方面，分析了影響橋梁耐久性的因素，并提出了橋梁壽命的預(yù)測方法，有利于我國橋梁建設(shè)水平的不斷提高。

預(yù)應(yīng)力橋梁，耐久性，極限狀態(tài)，橋梁壽命

0 引言

隨著混凝土的廣泛運(yùn)用，混凝土的耐久性就被人們不斷的進(jìn)行研究以及改革更新，以能夠更好的使用混凝土，更好的為人們的正常生活進(jìn)行服務(wù)，但是，由于自然條件、氣候條件的影響，預(yù)應(yīng)力橋梁也會(huì)受到一些損毀，而這些損毀無疑會(huì)減少預(yù)應(yīng)力橋梁的使用壽命，因此，預(yù)應(yīng)力橋梁的相關(guān)人員要對(duì)橋梁的耐久性進(jìn)行研究，對(duì)橋梁的剩余壽命進(jìn)行研究，這樣就能夠更好地掌握預(yù)應(yīng)力橋梁的詳細(xì)信息，以推動(dòng)橋梁建設(shè)技術(shù)的不斷提高。

1 預(yù)應(yīng)力橋梁耐久性的極限狀態(tài)分析

1)預(yù)應(yīng)力橋梁耐久性極限狀態(tài)的概念。能夠保證橋梁的功能正常使用的極限狀態(tài)的最大使用時(shí)間就是預(yù)應(yīng)力橋梁耐久性的極限狀態(tài)。如橋梁的開裂影響了橋梁的正常使用，破壞橋梁的耐久性，又如橋梁結(jié)構(gòu)的開裂，使得橋梁出現(xiàn)了較大的振動(dòng)以及其他的狀態(tài)，也會(huì)大大的降低橋梁的耐久性。

2)預(yù)應(yīng)力橋梁耐久性極限狀態(tài)的分類。預(yù)應(yīng)力橋梁總共有三種狀態(tài)的耐久性極限值，其一是預(yù)應(yīng)力橋梁的鋼筋發(fā)生輕度銹蝕的極限狀態(tài)，其二是預(yù)應(yīng)力橋梁表面有損傷的極限狀態(tài)，其三是預(yù)應(yīng)力橋梁的鋼筋發(fā)生嚴(yán)重銹蝕的極限狀態(tài)，包括普通鋼筋外觀被銹蝕的情況下會(huì)出現(xiàn)耐久力下降的情況，以及預(yù)應(yīng)力鋼筋在加速銹蝕狀態(tài)下的極限狀態(tài)。

2 影響橋梁耐久性的因素

1)混凝土碳化腐蝕的影響。碳化反應(yīng)初期會(huì)使混凝土材料的密實(shí)度和表面強(qiáng)度有所增加，但隨著時(shí)間的增長，強(qiáng)度會(huì)逐漸減弱，反應(yīng)消耗堿性材料，鋼筋會(huì)因?yàn)槭A性材料的保護(hù)出現(xiàn)失鈍問題，對(duì)于高應(yīng)力狀態(tài)下的鋼筋更為不利，碳化反應(yīng)還會(huì)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(hù)層剝落。

2)氯離子擴(kuò)散侵蝕的影響。對(duì)于預(yù)應(yīng)力橋梁來說，橋梁的氯離子擴(kuò)散侵蝕主要是氯離子通過混入以及擴(kuò)散的方式進(jìn)入到了預(yù)應(yīng)力橋梁的結(jié)構(gòu)當(dāng)中，氯離子的混入主要是通過混凝土的外添加劑、含有氯離子的水等方式進(jìn)入到了預(yù)應(yīng)力橋梁的結(jié)構(gòu)當(dāng)中，然后通過離子的擴(kuò)散對(duì)鋼筋的表面造成侵蝕。氯離子主要是通過破壞鋼筋的鈍化膜，進(jìn)而使鋼筋失去保護(hù)的作用，從而在混凝土的內(nèi)部形成一個(gè)腐蝕的電池，這就是預(yù)應(yīng)力橋梁鋼筋形成局部腐蝕坑的主要原因，而且，因?yàn)闃O化的作用，鋼筋的腐蝕不會(huì)造成本身數(shù)量的減少，但是會(huì)使得鋼筋會(huì)不停的進(jìn)行腐蝕，最后對(duì)預(yù)應(yīng)力橋梁的使用壽命造成嚴(yán)重威脅。

3)鋼筋銹蝕的影響。預(yù)應(yīng)力橋梁所用的混凝土是一種堿性的材料，因此，當(dāng)混凝土內(nèi)部混有氯離子時(shí)，會(huì)改變混凝土內(nèi)部的堿性環(huán)境，進(jìn)而會(huì)對(duì)混凝土造成破壞，而混凝土對(duì)鋼筋的保護(hù)作用也會(huì)遭到一定程度的損壞，鋼筋的鈍化膜由于氧化以及非電解溶液引發(fā)的具有化學(xué)形式的腐蝕后，其電化學(xué)的腐蝕較快，其腐蝕電流不僅會(huì)對(duì)鋼筋的表面結(jié)構(gòu)造成永久性的破壞，還會(huì)因?yàn)殇摻畹膽?yīng)力現(xiàn)象進(jìn)一步破壞鋼筋的結(jié)構(gòu)，加劇預(yù)應(yīng)力橋梁的損壞。

4)預(yù)應(yīng)力鋼筋腐蝕的因素。鋼筋的局部發(fā)生腐蝕，并且因?yàn)閼?yīng)力的作用而加大腐蝕的現(xiàn)象是預(yù)應(yīng)力橋梁腐蝕的第一階段；預(yù)應(yīng)力橋梁由較小的裂紋在應(yīng)力的作用下發(fā)展成為了微小的裂縫是預(yù)應(yīng)力橋梁發(fā)生腐蝕的第二階段；在應(yīng)力的作用下，預(yù)應(yīng)力橋梁的微小裂縫發(fā)展迅速，直至破壞了預(yù)應(yīng)力橋梁鋼筋材料的整體強(qiáng)度，此為鋼筋腐蝕的第三階段，即破壞階段。

3 橋梁壽命的預(yù)測方法

1)模型的建立。要想計(jì)算出預(yù)應(yīng)力橋梁的剩余壽命，首先就要建立一個(gè)模型，然后推導(dǎo)預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)受力后耐久性開裂的極限狀態(tài)方程，已知的是，結(jié)構(gòu)耐久性的使用性能往往與結(jié)構(gòu)正常使用性能的保持時(shí)間有關(guān)系，我國公路的橋梁規(guī)范中規(guī)定只有在σh-σpc≤0的情況下，才能夠使得預(yù)應(yīng)力橋梁荷載長期的效應(yīng)組合為σh-σpc≤0，在經(jīng)過推理后，最終得到預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)受力后耐久性開裂的極限狀態(tài)方程如式(1)所示。

(1)

2)耐久性壽命基準(zhǔn)期內(nèi)評(píng)估荷載的確定。車輛的荷載數(shù)據(jù)與車輛的總體重量、車輛之間的距離、軸重以及軸距有著很大的關(guān)聯(lián)，因此，可以通過公路橋梁的實(shí)際運(yùn)行狀態(tài)來推出預(yù)應(yīng)力橋梁的荷載能力，再通過模型中的車輛荷載的正態(tài)分布，就能夠得到橋梁構(gòu)件的自重以及橋面鋪裝與附屬構(gòu)件的總體重量，然后再通過公式KG=G/GK可以知道恒載變異的系數(shù)，最終可以知道恒載變異系數(shù)的概率模型為正態(tài)分布。

3)時(shí)變抗力概率模型的構(gòu)建。在橋梁的服役期間內(nèi)，橋梁的結(jié)構(gòu)抗力是隨著時(shí)間的衰減而不斷變化的，在不同的時(shí)間軸對(duì)應(yīng)點(diǎn)上，結(jié)構(gòu)抗力的概率密度函數(shù)都不相同，在不同的環(huán)境以及腐蝕的條件下，橋梁的結(jié)構(gòu)抗力也會(huì)隨著時(shí)間的變化而發(fā)生巨大的改變，由于橋梁結(jié)構(gòu)性能、計(jì)算模式以及幾何參數(shù)都是橋梁耐久性抗力的重要因素，因此在對(duì)橋梁耐久性進(jìn)行分析時(shí)，可以將橋梁結(jié)構(gòu)的抗力作為基本的變量來考量，同時(shí)，也要對(duì)基本變量的時(shí)變規(guī)律進(jìn)行考慮。

4)耐久性剩余壽命的求解。第一，確定結(jié)構(gòu)的溫度、濕度、幾何尺寸、保護(hù)層厚度、可靠度指標(biāo)β0等數(shù)據(jù)信息；第二，確定結(jié)構(gòu)在役時(shí)間tu以及鋼筋最開始生銹的時(shí)間t0；第三，假定橋梁的耐久壽命與設(shè)計(jì)基準(zhǔn)周期相等，可以得出，橋梁剩余壽命為M=N-tu；第四，求解時(shí)間循環(huán)i時(shí)，應(yīng)該對(duì)應(yīng)極限方程(如式(1))來求解，求解時(shí)要考慮到碳化以及氯鹽環(huán)境下Np的變化，并從耐久性安全壽命期所對(duì)應(yīng)的剩余壽命與荷載標(biāo)準(zhǔn)的擬合曲線中得到ML；第五，在求解出可靠指標(biāo)β時(shí)，判斷其值是否大于β0，如果大于β0，則會(huì)帶步驟三進(jìn)行循環(huán)求解，如果小于β0，則記錄此時(shí)的橋梁剩余壽命β0。

4 結(jié)語

綜合全文的敘述，可以總結(jié)出以下結(jié)論，預(yù)應(yīng)力混凝土橋梁是現(xiàn)階段廣泛應(yīng)用的一種橋梁形式，但是由于該種橋梁很容易受到外界的侵蝕，所以，要對(duì)預(yù)應(yīng)力混凝土橋梁的使用壽命進(jìn)行研究，以能夠更好的提升路橋的建設(shè)，進(jìn)而增加我國的社會(huì)經(jīng)濟(jì)。本文主要是從三方面來對(duì)預(yù)應(yīng)力橋梁結(jié)構(gòu)耐久性與剩余壽命研究進(jìn)行探討的，首先對(duì)預(yù)應(yīng)力橋梁耐久性的極限狀態(tài)分析，包含預(yù)應(yīng)力橋梁耐久性極限狀態(tài)的概念、分類以及耐久性的設(shè)計(jì)；其次對(duì)影響橋梁耐久性的因素進(jìn)行探討，即混凝土碳化腐蝕的影響、氯離子擴(kuò)散侵蝕的影響、鋼筋銹蝕的影響以及預(yù)應(yīng)力鋼筋腐蝕的因素；最后對(duì)橋梁壽命的預(yù)測方法進(jìn)行詳細(xì)的分析，第一，先建立模型；第二，對(duì)橋梁的荷載能力進(jìn)行調(diào)查；第三，建立時(shí)變抗力概率模型；第四，對(duì)橋梁耐久性的剩余壽命進(jìn)行求解。

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On structural durability and remaining life of prestressed bridges

Zhang Yajun

(Changzhi-PingshunExpresswayConstructionandAdministrativeDivision,Changzhi046200,China)

The paper introduces the concept and classification for the limit state of prestressed bridge durability,analyzes the factors affecting the durability of the bridges from the concrete carbonization corrosion,diffusion erosion of chloridion,and reinforced corrosion,and points out the forecasting methods for the bridge life,so as to enhance the promotion of the bridge construction in China.

prestressed bridge,durability,limit state,bridge life

2015-10-15

張亞軍(1980- )，男，碩士，工程師

1009-6825(2015)36-0168-02

U441.5 < class="emphasis_bold">文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

A