服役钢筋砼桥梁承载能力衰减研究

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# 混凝土抗压强度的时变模型
万方数据 混凝土抗压强度是钢筋混凝土桥梁承载力的主
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物为密度较大的二氧化铁， 构件裂缝处容易 产生此类锈蚀。钢筋锈蚀导致的钢筋截面积损失是 砼桥梁使用期抗力衰减的重要因素。本文采用非平 稳正态随机过程来描述锈蚀钢筋的截面积。针对砼 桥梁受弯构件， 用 !"#$% &’()" 法并基于最小二乘法 原理获取钢筋截面积的时变模型， 为： ! 对于均匀锈蚀： （ * ! ）" !
可以表示为：
（!） ! " #! $ 式中： ! 为是碳化深度； $ 为是碳化时间； # 为碳化速 度系数。 在碳化系数确定方面， 有基于扩散理论的方法、 以水灰比为参数并考虑环境等因素影响修正的方 法、 混凝土抗压强度为主要参数的方法以及基于各 主要因素 （水泥品种、 水泥用量、 水灰比、 骨料及养 护） 的多系数方法。众所周知， 衡量混凝土性能的综 合指标是混凝土抗压强度， 而工程技术人员最熟悉， 在工程中较易测定的也是混凝土抗压强度， 因此， 以 混凝土抗压强度作为主要参数确定碳化系数则更具 实用价值。 !"! 混凝土碳化深度的概率模型 影响混凝土碳化的两个方面 （环境和混凝土质 量） 都具有很大的随机性， 通过大量不同年代桥梁的 碳化调查分析， 认为混凝土碳化深度较好地服从正 态分布。于是， 可用平衡正态随机过程作为混凝土 碳化的概率模型。 !"# 混凝土碳化深度平均值的预测模型 利用国内外长期暴露试验结果和实际桥梁调查 结果 （包括大量我们检测的结果） ， 建立了混凝土碳 化系数与混凝土标准抗压强度之间的关系。混凝土 碳化深度平均值的预测模型 （ " $ ）" % " % # % $ ! 式中： ’( )
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要基本参数之一。一般来说， 混凝土强度随龄期缓 慢增长。但在实际环境中， 由于腐蚀介质等的影响， 使混凝土强度具有初期增长， 后期下降的时变特性。 利用国内外一般大气环境中混凝土长期暴露试验和 往年桥梁结构实测结果， 对混凝土抗压强度的平均 值和标准差随时间变化进行统计回归分析。混凝土
［!］ 可以表示 抗压强度平均值和标准差点预测模型
锈蚀截面损失率， 由式 （1） 或式 （.） 相应计算。 )，
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钢筋和混凝土粘结性能劣化
钢筋锈蚀产生的锈蚀产物和锈蚀裂缝削弱了钢
筋与砼之间的粘结力， 严重锈蚀时， 即使砼保护层尚 未脱落， 也难以保证钢筋与砼的协同工作。因而需 要考虑粘结性能劣化导致结构构件抗力的降低。 对于钢筋锈蚀较小尚未开裂的受弯构件， 在计 算抗力时可不考虑粘结性能劣化引起的抗力降低。 对于保护层已锈蚀开裂的受弯构件， 通过引入粘结 性能劣化系数来考虑粘结性能劣化对抗力的影响， 粘结性能劣化系数% 按如下原则取值： 取% " ! 当锈蚀裂缝宽度时 ( " + % / :: 时， - 5 +。 取% + 5 +/ :: ; ( " 8 % + :: 时， " 当锈蚀裂缝： （- % - = + % +. * -+） （- % -8 = ( . % 3） ， 其中： 当 * "-4 < 取% < + % ./。 :: 时， % < + % ./； % > + % ./ 时， # 对于锈蚀裂缝宽度 ( 大于 8 5 + :: 至保护层 完全脱落的受弯构件， 当能够保证构件端头锚固时， 参照无粘结构件试验结果， % 位于 + % 1 ? + % 2 之间。
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损伤桥梁构件的承载能力衰减模型
对服役多年、 不同损伤程度的梁柱， 分别进行受
（ 、 （ 分别为经 ! 年后钢筋截面积的平 式中： " * !） * !） ! 均值和标准差； "* 为钢筋初始截面积的平均值 !* 、
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研究混凝土碳化的方法主要是基于碳化机理的理论 方法、 快速碳化试验方法、 现场暴露试验方法以及实 际结构碳化调查方法， 国内外学者围绕碳化深度的 预测， 在混凝土碳化机理、 碳化试验、 实际桥梁碳化 调查等方面做了大量的工作， 对混凝土碳化规律及 其影响因素取得了共识。研究结果表明， 混凝土碳 化的发展模型
［!］ 可以表示为： 始锈蚀的时间
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为混凝土标准抗压强度， *+,； % " 为地区影 响系数， 北方地区取 ! & -， 南方地区或沿海地带取
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第 !% 卷， 第#期 !""(年%月
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服役钢筋砼桥梁承载能力衰减研究
胡柏学，谢海秋，杨春林
（湖南省交通科学研究院，湖南 长沙 ［摘 ($""$’）
要］通过工程实际和研究， 在已有资料的基础上， 提出了砼内钢筋锈蚀的影响因素及钢筋截面积与强度
［!/B"+&3"］?18:@ 30 :A58750> @171，50BC/:0650> B1673;8 3B ;:50B3;6:4:07 63;;38530 D18 ;:63>05E:@ 10@ 1 754:FG1;H50> 43@:C 3B 6;388F8:67530 1;:1 10@ 87;:0>7< 3B 87::C I1; 50 6306;:7: D18 J;3J38:@ + ,C83，10 177:0/1 7530 43@:C 3B I:1;50> 61J1657H 3B ;:50B3;6:@ 6306;:7: I;5@>: D18 :871IC58<:@ /850> B3;:6187 43@:C 3B 6306;:7: 61;I305E17530 @:J7< 10@ 754:FG1;H50> 43@:C 3B 634J;:885G: 87;:0>7< + K<: 7<:3;H 50 7<58 J1J:; B3;48 7<: I1858 B3; :G1C/1750> 7<: I:1;50> 61J1657H，188:8850> 7<: ;:C51I5C57H，10@ B3;:618750> ;:415050> C5B: 3B ;:50B3;6:@ 630 6;:7: I;5@>:8 50 8:;G56: + ［C#1 D(+4B］8:;G56:；6306;:7:；I;5@>:；I:1;50> 61J1I5C57H；177:0/17530；87/@H 在我国的桥梁建筑中， 钢筋混凝土桥梁占有相 当的比例， 且其材质老化问题非常严重。据 !""" 年 公路普查资料， 我国公路既有桥梁中因结构老化的 危桥有 % ’%L 座， 其中就有相当一部分是钢筋混凝土 桥梁， 可见对钢筋混凝土结构的材质老化及耐久性 等问题进行研究具有实用价值。 混凝土结构的耐久性是指抵抗外界环境或内部 自身所产生的侵蚀破坏的能力， 一般来说， 耐久性损 伤 （耐久性破坏） 是指混凝土、 钢筋及钢筋混凝土构 件在外界环境作用下随时间的劣化现象。根据耐久 性损伤的原因和机理， 主要有以下 ( 种破坏类型： 碱、 盐等化学侵蚀 ! 沿海地区或工业区中酸、 破坏； " 华北地区的恶劣气候下的冻融破坏；
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混凝土碳化深度的预测模型
混凝土碳化是一般大气环境钢筋锈蚀的前提条
件， 对钢筋混凝土结构的耐久性有重要影响。目前，
万方数据（$%&’ — ） ［作者简介］胡柏学 ， 男， 湖南隆回人， 高级工程师， 主要从事公路桥梁与隧道工程检测、 科研、 监理、 咨询与设计。
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胡柏学， 等： 服役钢筋砼桥梁承载能力衰减研究
［!］ 析， 得到混凝土碳化深度标准差的预测模型 为：
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（5）
式中： 对潮湿环境 -. -. 为等效砼保护层厚度， 88， （ - 为砼保护层厚） ； 对一般环境 -. 9 - : /（ 9- /取值为 !- / &- 88） ； 为碳化系数。 # $ " # 钢筋截面积的时变模型 根据钢筋锈蚀形态的不同， 钢筋锈蚀可分为均 匀锈蚀和局部锈蚀。均匀锈蚀是指钢筋沿周围各处 锈蚀程度一致， 即沿周围锈蚀速度相同。与均匀锈 蚀不同， 局部锈蚀仅在钢筋周围局部区域集中发生，
$ 一般大气环境混凝土中的钢筋锈蚀的评 估
混凝土中钢筋锈蚀是非常复杂的电化学过程。 首先， 混凝土保护层碳化导致钢筋表面钝化膜破坏， 在水和氧等侵蚀因素存在的条件下， 钢筋开始锈蚀， 其次， 锈蚀产物的体积膨胀引起混凝土保护层开裂， 使得氧和水更易侵入钢筋表面， 从而加速钢筋锈蚀， 导致混凝土保护层剥落， 结构耐久性能劣化。 国内外对砼中钢筋锈蚀的研究也是采用锈蚀试 验 （快速试验和长期暴露试验） 、 工程调查和理论分 析的方法。并在环境、 碳化、 混凝土保护层厚度对锈 蚀的影响， 裂缝与钢筋锈蚀的关系， 锈蚀膨胀裂缝， 锈蚀程度评价等方面取得了大量成果。但以往的研 究和锈蚀评价多以定性为主， 近年来， 我国有学者利 用腐蚀电化学方法， 从理论上对砼中的钢筋锈蚀进 行了研究， 为定量评价钢筋锈蚀奠定了基础。 $"! 钢筋锈蚀开始时间 根据工程调查结果和钢筋锈蚀的条件， 钢筋开
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式中： !1- 和"1- 分别为混凝土 %’ " 抗压强度的平均 值和标准差。
的时变模型， 并利用混凝土碳化深度预测模型和抗压强度时变模型， 建立了服役钢筋砼桥梁承载能力衰减模型。 研究的理论基本上解决了服役桥梁承载力评定和预测等问题， 为旧桥的可靠性鉴定评级奠定了基础， 同时也为旧 桥的剩余寿命预测提供了依据。 ［关键词］服役；混凝土；桥梁；承载力；衰减；研究 ［中图分类号］) (($ * + ( ［文献标识码］, ［文章编号］$""! — $!"’ （!""(） "# — ""#- — "#
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弯和偏心受压承载力试验， 结果表明， 构件的损伤程 度对承载力有明显影响。通过研究， 得出损伤构件 承载力的如下结论： （钢筋锈蚀量较小， 混凝土保护 ! 对基本完好 层尚未开裂） 的构件， 承载力几乎没有下降。可以采 用材料的实际强度按规范公式计算构件的承载力， 计算值与试验值吻合较好。 （钢筋锈蚀较重） 的构件， 承载力 " 对损伤较重 明显下降。此时， 必须考虑损伤对构件承载力的影 响， 采用 3 5 0 节锈蚀钢筋的屈服拉应力按规范公式 计算构件的承载力， 计算结果与试验值能较好吻合。 （锈蚀裂缝较宽或保护层脱落） # 对损伤严重 的构件， 则必须考虑上述的钢筋与砼之间的粘结力 下降对协调工作性能的影响。其承载能力仍按规范 公式计算， 但钢筋的屈服拉应力需乘以粘结性能劣 化系数%。 综上所述， 服役构件的承载力衰减模型可表示 为： （ ! ） (（ ! ） !B ’ （3） ・ , @・ + A +（ ；6 , ! ）" % ,& ,C （下转第 33 页）
［收稿日期］!""# — $! — !"
# 混凝土本身的碱骨料反应破坏； $ 混凝土中的钢筋锈蚀破坏。 对一般大气环境， 混凝土结构的耐久性问题主 要是混凝土碳化与钢筋锈蚀问题。通过大量的调 查， 使 用 年 限 达 #" 1 的 桥 梁， 在一般环境下约有 潮湿环境下的约 (" M 的混凝土已碳化到钢筋表面， 有 %" M 的混凝土构件已发生锈蚀， 严重者已不能正 常运营。 本文主要研究一般大气环境混凝土桥梁的耐久 性与服役桥梁的承载能力衰减问题。