海洋環(huán)境下預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁壽命分析

馮滔滔，余紅發(fā)，曾祥超，盧劍雄

(南京航空航天大學(xué) 航空宇航學(xué)院，江蘇 南京 210016)

海洋環(huán)境下預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁壽命分析

馮滔滔，余紅發(fā)，曾祥超，盧劍雄

(南京航空航天大學(xué) 航空宇航學(xué)院，江蘇 南京 210016)

海洋環(huán)境下預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁，受到大氣鹽霧中氯鹽等有害物質(zhì)的侵蝕作用，導(dǎo)致箱梁中的鋼筋出現(xiàn)銹蝕現(xiàn)象，嚴(yán)重影響混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性能，從而混凝土箱梁難以達(dá)到100年的設(shè)計壽命要求?；诳煽慷壤碚?，分別對混凝土箱梁懸臂板、斜腹板中鋼筋以及底板主筋的服役壽命進(jìn)行預(yù)測。結(jié)果表明：海洋大氣環(huán)境中預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁、懸臂板與斜腹板在短期內(nèi)就會發(fā)生銹蝕，箱梁底板主筋的銹蝕時間相對較長，但是仍然無法達(dá)到100年的設(shè)計壽命要求。因此，必須對箱梁施加一定的防腐措施。

海洋環(huán)境；預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁；服役壽命；可靠度；粉煤灰

隨著施工技術(shù)的發(fā)展與科學(xué)研究的不斷深入，跨海大橋等混凝土建筑日益增多。實際工程中，由于大氣環(huán)境中存在大量海洋鹽霧，箱梁長期受到大氣鹽霧中氯鹽等有害物質(zhì)的侵蝕作用，我們不得不面對因鹽霧侵蝕而造成的耐久性下降等問題，混凝土橋梁往往在幾年之內(nèi)就出現(xiàn)鋼筋銹蝕、混凝土保護(hù)層剝落等各類耐久性問題，造成嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失以及資源浪費(fèi)現(xiàn)象。美國洲際公路網(wǎng)中大約有五十六萬座橋梁，其中有九萬座處于嚴(yán)重失效狀態(tài)，政府在1978年投入63億美元用于橋梁修復(fù)，而主要原因就是由于鋼筋銹蝕而導(dǎo)致橋面板破壞[1]；挪威Ullasunder橋在服役25年后，由于受到嚴(yán)重腐蝕，最后不得不拆除重建[2]；日本海沿岸，許多橋梁在建成10年內(nèi)就發(fā)生因鋼筋銹蝕而引起的破壞[3]。我國《公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計規(guī)范》(JTG D62-2004)[4]規(guī)定的橋梁設(shè)計基準(zhǔn)期為100年，為了保證100年甚至120年的設(shè)計壽命要求，海洋環(huán)境下預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁壽命分析顯得尤為重要。

我國近年來建造的杭州灣跨海大橋、青島海灣大橋、港珠澳大橋等大型工程在世界上取得了矚目的成就[5-7]，但是這些跨海大橋在100年服役期的可靠度計算未見文獻(xiàn)報道。近年來，學(xué)術(shù)界開始提出、發(fā)展了基于可靠度理論體系的分析方法，有效地推動了混凝土橋梁的安全性評估工作?；诳煽慷壤碚摵托拚入x子擴(kuò)散理論模型，對預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁懸臂板、斜腹板以及底板中鋼筋在5%和10%起銹概率情況下的服役壽命進(jìn)行了分析計算，詳細(xì)研究了我國海洋大橋常見預(yù)應(yīng)力混凝土橋梁服役壽命的可靠度分析結(jié)果，對于橋梁壽命預(yù)測以及實現(xiàn)100年的設(shè)計壽命要求有著重要的意義。

1 計算參數(shù)

1.1混凝土材料

選用文獻(xiàn)[8]的實驗數(shù)據(jù)，采用4組不同配合比的高性能混凝土。水泥用礦物摻合料等量替代，F(xiàn)0、F20分別表示粉煤灰摻量為0%和20%的普通混凝土和高性能混凝土，S30、S60分別表示礦渣摻量為30%與60%的高性能混凝土，混凝土標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)28 d抗壓強(qiáng)度如表1所示。

表1 混凝土標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)28 d的抗壓強(qiáng)度[8]Tab. 1 Compressive strength of concrete in standard curing 28 d[8]

1.2計算數(shù)據(jù)

1.2.1 自由氯離子擴(kuò)散系數(shù)Da

自由氯離子擴(kuò)散系數(shù)表明氯離子侵入混凝土的程度，混凝土養(yǎng)護(hù)后，將其暴露于已準(zhǔn)備好的人工海水中，人工海水配合比按照美國ASTM D1141-2003的規(guī)定配制，暴露時間分別是7 d、14 d、28 d、56 d、90 d、180 d、365 d、730 d和1 095 d。得到海水浸泡條件下各混凝土在不同暴露時間的自由氯離子擴(kuò)散系數(shù)，具體見表2所示[9]。

表2 不同混凝土在海水暴露條件下的自由氯離子擴(kuò)散系數(shù)Tab. 2 Daof different concretes exposed to marine environment

1.2.2 時間依賴指數(shù)m

Thomas等[10]對混凝土的自由氯離子擴(kuò)散系數(shù)與暴露時間之間的關(guān)系進(jìn)行了研究分析，結(jié)果表明：隨著暴露時間的增長，自由氯離子擴(kuò)散系數(shù)呈冪指數(shù)衰減，計算公式：

式中：D0為暴露時間為t0=28 d時混凝土的自由氯離子擴(kuò)散系數(shù)；Da為暴露時間為t時混凝土的自由氯離子擴(kuò)散系數(shù)；m為時間依賴性指數(shù)，決定了氯離子擴(kuò)散的衰減速率。

式(1)經(jīng)過數(shù)學(xué)計算轉(zhuǎn)化為式(2)，可以進(jìn)行混凝土在不同暴露時間的Da數(shù)據(jù)處理：

式中：A為回歸系數(shù)，即可得出時間依賴性指數(shù)m?；炷恋穆入x子擴(kuò)散系數(shù)及其時間依賴性指數(shù)與結(jié)合能力R如表3所示[9]。

表3 混凝土的時間依賴性指數(shù)與結(jié)合能力Tab. 3 Analysis parameters of concrete

1.2.3 表面自由氯離子含量的時間依賴性參數(shù)k

對于實際混凝土結(jié)構(gòu)中氯離子的擴(kuò)散，通常采用余紅發(fā)[11]提出的基于時間相關(guān)邊界條件的修正氯離子擴(kuò)散理論模型，本文所采用的各混凝土表面自由氯離子含量符合以下冪函數(shù)關(guān)系：

式中：k為表面自由氯離子含量的時間依賴性參數(shù)?；炷恋男拚入x子擴(kuò)散理論模型[11]：

(4)

為了計算混凝土表面自由氯離子含量的時間依賴性參數(shù)，采用挪威Brent海洋平臺[12]為類比環(huán)境，根據(jù)該工程服役20年的實測數(shù)據(jù)，并結(jié)合課題組實驗室海水暴露3 a的氯離子擴(kuò)散系數(shù)Da與時間依賴性參數(shù)m值，即可計算出箱梁在實際海洋大氣環(huán)境中，F(xiàn)0、F20、S30和S60混凝土的表面自由氯離子含量的時間依賴性參數(shù)k值，具體數(shù)據(jù)如表4所示。

表4 試驗混凝土在實際海洋大氣區(qū)橋梁結(jié)構(gòu)中的表面自由氯離子含量cs的時間依賴性參數(shù)Tab. 4 m and k of bridge structure in the marine condition

1.2.4 模型計算參數(shù)

結(jié)構(gòu)形式及結(jié)構(gòu)尺寸：主梁采用單箱三室截面，梁高1.8 m。標(biāo)準(zhǔn)斷面頂板厚度22 cm，底板厚度20 cm。支點處腹板厚度70 cm，跨中處腹板厚40 cm。上部結(jié)構(gòu)一般構(gòu)造圖如圖1所示，其中，單位為mm。

圖1 上部結(jié)構(gòu)構(gòu)造圖Fig. 1 Constructional drawing of superstructure

圖2為箱梁橫斷面配筋圖。懸臂板與斜腹板選用Φ12鋼筋，保護(hù)層厚度25 mm；箱梁底板：第一排主筋選用Φ25鋼筋，凈保護(hù)層厚度為52.5 mm；第二排主筋選用Φ12鋼筋，與第一排主筋的間距為110 mm，凈保護(hù)層厚度為169 mm。圖3、4為預(yù)應(yīng)力鋼束配筋圖。分為N1 、N2 、N3三類。N1頂板鋼束12根/束，共8束；N2，N3底板鋼筋17根/束，共8束。

圖2 箱梁局部橫斷面配筋圖Fig. 2 Reinforcement drawing of cross section

圖3 箱梁立面局部預(yù)應(yīng)力筋配筋圖Fig. 3 Prestressed reinforcement drawing of facade

圖4 箱梁橫截面預(yù)應(yīng)力筋配筋位置Fig. 4 Position of prestressed reinforcement

有關(guān)研究[13-17]表明，混凝土的有關(guān)氯離子擴(kuò)散參數(shù)一般符合正態(tài)分布。計算時，表面自由氯離子含量的時間依賴性參數(shù)k、初始自由氯離子含量c0、臨界自由氯離子含量ccr和基準(zhǔn)自由氯離子擴(kuò)散系數(shù)D0的變異系數(shù)為20%，混凝土保護(hù)層厚度x0和混凝土的氯離子結(jié)合能力R的變異系數(shù)為15%。氯離子擴(kuò)散系數(shù)的時間依賴性指數(shù)m的標(biāo)準(zhǔn)差σm=0.1。由于采用現(xiàn)場的工程數(shù)據(jù)，因此，擴(kuò)散系數(shù)的劣化效應(yīng)系數(shù)K為常量，并且K=1。海洋大氣環(huán)境下預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁鋼筋銹蝕分析參數(shù)如表5所示。

表5 海洋大氣環(huán)境下預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁鋼筋銹蝕分析參數(shù)Tab. 5 Analysis parameters of prestressed concrete box girder

2 海洋環(huán)境下箱梁結(jié)構(gòu)的鋼筋銹蝕時間預(yù)測

2.1基于可靠度理論的計算方法

基于可靠度理論的海洋環(huán)境下預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁的壽命計算，以鋼筋表面的自由氯離子含量達(dá)到臨界氯離子含量的時間，即鋼筋起銹時間為依據(jù)。在對混凝土結(jié)構(gòu)的鋼筋起銹時間進(jìn)行可靠度分析時，建立功能函數(shù)：

式中：ccr是鋼筋銹蝕的臨界氯離子含量；cf為鋼筋表面(混凝土保護(hù)層厚度x0)的自由氯離子含量。

當(dāng)混凝土內(nèi)部鋼筋表面(混凝土保護(hù)層厚度x0)的自由氯離子含量(cf)達(dá)到臨界氯離子含量(即ccr≤cf)時，混凝土中鋼筋銹蝕概率：

式中：β為可靠度指標(biāo)。

2.2預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁懸臂板與斜腹板的鋼筋起銹時間

圖5為海洋大氣環(huán)境中預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁懸臂板與斜腹板的鋼筋銹蝕概率與可靠度計算結(jié)果。由圖可知，在各混凝土中，隨著服役時間的延長，預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁懸臂板與斜腹板的鋼筋銹蝕概率逐漸增大，可靠度指標(biāo)逐漸降低。此外，在鋼筋銹蝕概率分別為5%與10%情況下，F(xiàn)0、F20、S30和S60鋼筋起銹時的服役時間均小于5年，遠(yuǎn)遠(yuǎn)達(dá)不到100年的設(shè)計壽命要求，凈保護(hù)層厚度為25 mm時不足以保護(hù)鋼筋，因此，對預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁的懸臂板與斜腹板必須施加一定的附加防護(hù)措施。

圖5 海洋大氣環(huán)境預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁懸臂板與斜腹板的鋼筋銹蝕概率與可靠度計算結(jié)果Fig. 5 Corrosion probability and reliability of cantilever slab and inclined web

2.3預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁梁底第一排主筋的起銹時間

圖6為海洋大氣環(huán)境中預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁底板第一排主筋銹蝕概率與可靠度計算結(jié)果。由圖可知，隨著服役時間的延長，混凝土箱梁底板第一排主筋銹蝕概率逐漸增大，可靠度指標(biāo)逐漸降低。在5%的銹蝕概率條件下，F(xiàn)0、F20、S30和S60混凝土的服役時間分別為14、17、55和64 a；在10%的銹蝕概率條件下，F(xiàn)0、F20、S30和S60的服役時間分別為19、25、90和86 a。均小于100 a。底板第一排主筋在100年之內(nèi)會發(fā)生銹蝕，無法達(dá)到100年的設(shè)計壽命要求，表明箱梁底板凈保護(hù)層厚度為52.5 mm時不足以保護(hù)鋼筋。因此，對混凝土箱梁的底板必須施加一定的附加防護(hù)措施。

通過對比不同混凝土之間的鋼筋起銹概率與可靠度指標(biāo)，可看出，海洋環(huán)境下預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁，F(xiàn)0、F20、S30及S60混凝土的防銹效果依次增強(qiáng)，S60混凝土耐久性最好。另外銹蝕概率為5%時，S30、S60混凝土底板主筋起銹時的服役時間均可達(dá)到50年；銹蝕概率為10%時，S30、S60混凝土底板主筋起銹時的服役時間接近90年?？梢?，摻加礦渣比摻加粉煤灰防銹效果好，其原因在于磨細(xì)礦渣的火山灰反應(yīng)程度高于粉煤灰的反應(yīng)程度，導(dǎo)致形成更密實的低C/S比C-S-H凝膠，進(jìn)而導(dǎo)致?lián)郊拥V渣的混凝土氯離子擴(kuò)散系數(shù)更低。

圖6 海洋大氣環(huán)境混凝土箱梁底板第一排主筋的銹蝕概率與可靠度計算結(jié)果Fig. 6 Corrosion probability and reliability of main reinforcement of the first rank

2.4預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁底板第二排主筋的起銹時間

圖7為海洋大氣環(huán)境中預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁底板第二排主筋銹蝕概率與可靠度計算結(jié)果。由圖可知，在F0、F20、S30和S60混凝土中，箱梁底板的第二排主筋在100～200年的銹蝕概率約為10-5，表明主筋在100年之內(nèi)不會發(fā)生銹蝕，可以達(dá)到100年的設(shè)計壽命要求。因此，對于箱梁底板第二排主筋，不需要施加耐久性附加措施。

圖7 海洋大氣環(huán)境預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁底板第二排主筋的銹蝕概率與可靠度計算結(jié)果Fig. 7 Corrosion probability and reliability of main reinforcement of the second rank

3 結(jié) 語

1)海洋大氣環(huán)境中預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁的耐久性主要取決于懸臂板與斜腹板的鋼筋，以及底板第一排主筋的銹蝕作用，箱梁底板第二排主筋保護(hù)層較厚，鋼筋基本不會發(fā)生銹蝕現(xiàn)象，可不考慮其耐久性問題；

2)海洋大氣環(huán)境中，若預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁不采用高性能混凝土和其他任何附加防護(hù)措施，則其耐久性較差，不可能滿足100年，甚至50年的使用壽命要求；

3)海洋大氣環(huán)境中，不同配合比的預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁，其耐久性差異較大，摻加粉煤灰或礦渣可延長混凝土箱梁的服役壽命，且摻加礦渣比摻加粉煤灰防銹效果好，F(xiàn)0、F20、S30及S60混凝土的防銹效果依次增強(qiáng)，總體上S60混凝土效果最好。

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Service life analysis of pre-concrete box girders exposed to marine environment

FENG Taotao， YU Hongfa， ZENG Xiangchao， LU Jianxiong

(College of Aerospace Engineering， Nanjing University of Aeronautics and Astronautics， Nanjing 210016， China)

The steel bars of the pre-concrete box girders will be corroded because of the chloride or other harmful substances in the marine condition, which will cause serious damages to the structures. So the concrete box girder is hard to meet the requirement of the designed service life. Based on the reliability theory, the paper respectively predicts the service life of the cantilever slabs, inclined webs and bottom slabs’ steels. It is found that the cantilever slabs and inclined webs will be corroded in a short time and the corrosion time of the bottom slabs’ steels is relatively long. However, it still can’t reach the designed service life. So it’s necessary to take some measures to protect the pre-concrete box girders from being corroded.

marine condition; pre-stressed concrete box girder; service life; reliability; fly-ash

TV332; TU528.33

A

10.16483/j.issn.1005-9865.2015.06.010

余紅發(fā)(1964-)，男，湖北武穴人，博士，教授，博士生導(dǎo)師。E-mail:yuhongfa@nuaa.edu.cn

1005-9865(2015)06-075-07

2015-03-24

國家重點基礎(chǔ)研究發(fā)展計劃(973計劃)(2009CB623203，2015CB655100)；國家自然科學(xué)基金項目(51178221，21276264)；江蘇高校優(yōu)勢學(xué)科建設(shè)工程資助項目(PAPD)

馮滔滔(1990-)，男，新疆吐魯番人，碩士生，研究方向為混凝土耐久性。E-mail:563468779@qq.com