碳化作用下在役混凝土桥梁时变可靠度评估
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城市道桥与防洪
2011年4月第4期
收稿日期:2011-02-24
作者简介:刘爱民(1976-),男,上海人,项目负责人,从事项目管理和技术工作。
刘爱民1,岳申舟1,汪罗英2
(1.上海同盛内河航道建设发展有限公司,上海200092;2.上海市城市建设设计研究院,上海200125)
碳化作用下在役混凝土桥梁时变可靠度评估
摘
要:该文总结了基于碳化的钢筋混凝土退化模型,建立了一般大气环境下考虑碳化平均锈蚀的弯曲抗力退化模型,用
MonteCarlo方法编制了退化钢筋混凝土构件及系统的时变可靠度计算程序。
以一座公路简支板桥为算例,结果表明:在一般大气环境下考虑碳化引起的平均锈蚀,桥梁承载能力时变可靠度在45a左右即下降到设计目标可靠度,从而需要补强,无法达到设计使用期;同时建议将混凝土保护层开裂时间作为桥梁检查或维修参考点。
关键词:碳化;平均锈蚀;MonteCarlo法;时变可靠度中图分类号:U448.33
文献标识码:A
文章编号:1009-7716(2011)04-0084-03
0%引言
量大面广的在役混凝土桥梁,由于材料性能
不断退化导致承载力日益下降,其实际使用期远低于设计使用期,成为公路安全运输的巨大隐患。
如何有效地识别承载力的下降,实现桥梁适时维修,是公路管养部门面临的难题[1-4]。
在一般大气环境下工作的桥梁结构,退化最常见的因素是混凝土的碳化。
碳化造成混凝土PH值下降,使钢筋失去弱碱性的包含,导致钢筋锈蚀,从而引起钢筋混凝土结构性能的退化。
在碳化模型方面,国内外众多学者在混凝土碳化的机理、影响因素、模型建立等方面做了大量的工作,为混凝土结构性能的研究和安全评估提供了重要的依据[5]。
本文在总结已有碳化模型研究的基础上,建立了在役钢筋混凝土桥梁的弯曲抗力退化模型,给出了公路桥梁恒载、活载概率模型,并采用蒙特卡洛方法编制计算程序对在役桥梁的构件及体系可靠度进行求解。
1基于碳化的钢筋混凝土退化模型
1.1%钢筋开始锈蚀时间
混凝土碳化条件下钢筋锈蚀开始时间t i :
%t i =
c -x 0
k
2
(1)
式中,x 0为碳化残量,mm;c 为混凝土保护层厚度,mm;k 为碳化系数。
x 0=4.86(-RH 2
+1.5RH -0.45)(c -5)(ln f cuk -2.30)(2)式中,f cuk 为混凝土立方体抗压强度标准值,MPa;RH为环境湿度,%。
%k=K mc k j k co 2
k p k s k e
57.94
f cu
m c -0.7
6(3)
式中,k mc ~N (1.8,0.25),为碳化深度计算模式不定系数;f cu 为混凝土立方体抗压强度,MPa;mc 为混凝土立方体抗压强度平均值与标准值的比值;
k j 为碳化速度钢筋位置修正系数,角部1.4,非角部1.0;k CO 2
为二氧化碳浓度修正系数;k p =1.2,为
浇注面修正系数;k s 为工作应力修正系数,受压1.0,受拉1.1;k e 为环境影响系数。
1.2%%钢筋锈蚀速率
混凝土保护层开裂前钢筋锈蚀速率为:
λe 1=46k mv k cr k ce e
0.04T
(RH -0.45)2/3c
-1.36f -1.83
cu
(4)
混凝土保护层开裂后钢筋锈蚀速率为:
λe 2=4.0λe 1-187.5λ2e 1λe 1≤0.0082.5λe 1
λe 1≤0.000
8(5)
式中,
k mv ~N (1.0,0.15),为钢筋锈蚀速率计算模式不定系数;k cr 为钢筋位置修正系数,角部1.6,非角部1.0;k ce 为小环境条件修正系数。
1.3%%混凝土保护层锈涨开裂时间
保护层锈涨开裂的起始时间为:
t cr =δcr
λe 1+t i
(6)
式中,δcr 为保护层锈涨开裂时的临界钢筋锈
蚀深度,mm,由下式确定:
δcr =k mcr k crs 0.008c
D 0
+0.00055f cu +0.02
2
(7)
式中,
k mcr ~N (1.03,0.15),为钢筋临界锈蚀深度计算模式不定系数;k crs 为钢筋位置影响系数;D 0为钢筋初始公称直径。
1.4%%钢筋锈蚀率
钢筋锈蚀对承载能力的影响,最终都反应在锈蚀率ηs 上来。
桥梁结构
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ηs =
D2
-D(t)2
D2
(8)
D(t)=
D
,t≤t
i
D
-2λ
e1
(t-t
i
),t
i
<t≤t
cr
D
-2λ
e1
(t
cr
-t
i
)-2λ
e2
(t-t
cr
),t>t
cr
≤
≤
≤
≤
≤
≤
≤
≤
≤
≤
≤
(9)
式中,D(t)为运营时间t时的钢筋直径,mm;其它符号意义同上文。
1.5%%退化后的混凝土强度
混凝土立方体、棱柱体强度均不拒绝正态分布。
一般大气环境下退化后混凝土强度采用下式描述:
%μ
c (t)=1.3781exp[-0.0187(ln t-1.7282)2]μ
c0
(10)
σ
c (t)=(0.0347t+0.9772)σ
c0
(11)
式中,μ
c0、σ
c0
分别为混凝土初始强度的平均
值、标准差,MPa。
1.6%%锈蚀钢筋屈服强度
锈蚀后钢筋的屈服强度有所下降,通过大量研究表明,其与钢筋的锈蚀率有以下关系:
%f y (t)=
0.985-1.028η
s
1-η
s
f
y0
(12)
式中,f
y0
为钢筋初始名义屈服强度,MPa。
1.7%%钢筋、混凝土粘结力
由于锈蚀物的存在,钢筋与混凝土的粘结力下降。
体现在对承载力的影响上,就是协同工作能力下降:
k b =
1η
s
<1.2%
1.0168-0.014η
s
1.2%≤η
s
<6
≤
%
(13)
式中,k
b
为混凝土与钢筋的协同工作系数。
2%%%%钢筋混凝土梁的时变可靠度评估
2.1%%在役桥梁结构抗力的概率模型
在可靠度评估中,将抗力描述为随机过程概率模型,假设其为平稳随机过程,并认为服从对数正态分布。
则任意时段的构件抗力R(t)的概率密度函数可表示为:
%f R (r,t)=
1
2π
%
姨σRt
exp[-
(ln r-μ
Rt
)2
2σ
Rt
2
](14)
式中,μ
Rt 、σ
Rt
分别为抗力的均值函数和标准
差函数,该两个函数是通过抗力表达式中所包含的随机过程概率模型的统计规律间接确定的。
2.2%%弯曲失效功能函数
梁最主要的失效模式为弯曲失效。
在承载能力极限状态下,弯曲功能函数如下[6]:
R
M(t)
-S
M(t)
=f
c
[bx(h
-
x
2
)+(b′
f
-b)h′
f
(h
-
h′
f
2
)]-S
M(t)
(15)
式中,R
M(t)
为弯曲抗力,是非平稳随机过程;S
M(t)为弯曲效应;x为等效受压区高度。
当为适筋截面时:
x=
f s A s-f
c
(b′
f
-b)h′
f
f
c
b
(16)由于混凝土退化过程,其标准差有小变大,使得结构很有可能出现超筋破坏。
这时需要采用下式:
x=
0.8f s A s h0+(ξ
b
-0.8)h
f
c
(b′
f
-b)h′
f
f s A s-(ξ
b
-0.8)f c bh0
(17)
式中,f s A s为钢筋的抗力;h
为钢筋截面形心
到梁顶端的距离;f
c
为混凝土棱柱体抗压强度;b
为腹板宽度;b′
f
、h′
f
分别为翼板宽度与高度;ξ
b
为界限高度。
2.3%%恒载和活载的概率模型
桥梁的恒荷载是构件自重和桥面自重组成的,对两者进行组合统计》[7],桥梁结构恒载的概
率分布函数如下:得恒载随机变量S
Q
不拒绝正态分布,均值系数为1.0148,变异系数为0.0431。
F
G
(x)=
1
0.0437G
1K
2π
%
姨
x
-∞
乙exp[-x-1.0148G1K
0.0038G
1K
2
]dx(18)
统计参数为:均值μ
G
=1.0148G
1K
;变异系数V
G
=
0.0431。
对经剔除异常值后连续测录得到的自然车队采用K—S检验法或小样本W2检验法进行截口分布的拟合检验,并由此确定设计基准期的弯矩最大值符合极值1型分布:
F
M
(x)=exp{-exp[-
x-0.7685S
QK
0.0537S
QK
]}%(19)
式中,S
QK
为汽车效应无量纲参数。
2.4%%计算方法
本文采用蒙特卡洛模拟[8](MCS)法进行桥梁的可靠度评估,并采用matlab语言编制了专用程序BDSA。
该程序基于MCS方法,计算钢筋锈蚀开始时间、钢筋锈蚀速率、混凝土保护层锈胀开裂时间和弯曲抗力退化过程,解决了抗力、活载随机过程复杂无法给出解析解的难题。
对每个随机变量预定义抽样1 ̄5次,保证了计算精度。
3算例
某简支板桥:上部结构为3m×13m,空心板
桥梁结构85
城市道桥与防洪
2011年4月第4期
梁。
桥面净宽为(15+1.5×2+6×2+5×2)m,由40块空心板构成(见图1),已运营将近14a。
空心板断面见图2所示,采用35号混凝土,主筋直径为18mm。
各模型主要的随机变量取值如表1所列。
如图3、图4所示,钢筋平均在24.18a开始锈蚀,混凝土平均在48.60a开始锈涨开裂。
由于该两类现象都属于不可逆的正常使用极限状态,现有研究建议其目标可靠度指标取为1.5,对应的分位点为0.06681称为目标分位点,该算例钢筋开始锈蚀目标分位点时间为8.44a,混凝土开裂目标分位点时间为21.37a。
图5给出碳化作用下桥梁构件与体系的广义
时变可靠度指标。
如图5所示,
行车道边板、次边板(B1、B2)可靠度指标明细低于中板(B15),这是由于边板受荷载更不利。
边板将在使用46a后,低于目标可靠指标。
整个上部结构体系,将在使用44a后,低于目标可靠度。
因此,由于桥梁材料性能的退化,构件与体系都无法实现设计使用期的安全运营,需要及时维修。
此外,从图5可见,与β=1.5对应的混凝土开裂
起始时间目标分位值,很好地揭示了承载力加速
退化的起点。
在该值之前,承载力几乎不变,而该
值之后,承载力迅速下降。
这是由于混凝土保护层被胀裂后,钢筋锈蚀明显加速。
因此,可以将与β=1.5对应的混凝土锈胀开裂时间作为桥梁检修规划的参考时间点。
对于该算例为21.37a。
4结论
本文针对一般大气环境下混凝土碳化导致的钢筋平均锈蚀情况,讨论了在役钢筋混凝土桥梁弯曲抗力退化和相应的构件和系统时变可靠度,编制了基于蒙特卡罗方法的计算程序,并用温州中塘桥做算例。
计算结果表明:
表1
模型随机变量一览表
图3
钢筋开始锈蚀时间分布图
图4混凝土开始开裂时间分布图
图5
桥梁构件与体系的广义时变可靠度指标曲线图
图1
全桥断面图
图2空心板截面图
变量分布均值标准差f cu /MPa正态43.1455.7922f y /MPa正态368.86626.5215c /mm正态25.4451.2621k mc 正态1.80.25k mv 正态1.00.15k mcr
正态
1.03
0.15
(下转第89页)
桥梁结构
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2011年4月第4期
城市道桥与防洪
(1)混凝土碳化情况下的平均锈蚀,桥梁构件
及系统承载能力时变可靠度在45a左右下降到设
计目标可靠度,此时必须加配钢筋进行补强。
(2)混凝土保护层胀裂后,承载能力可靠度加速下降,在较短时间内达到设计目标可靠度。
因此建议将与β=1.5对应的混凝土锈胀开裂时间作为
桥梁检修规划的参考时间点,该算例为21.37a。
参考文献
[1]AllenC.Estes,DanM.Frangopol.Repairoptimizationofhighwaybridgesusingsystemreliabilityapproach[J].Journalofstructuralengineering,1999,125(7):767-772.
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timeofchloride-inducedcorrosion[J].ReliabilityEngineeringandSystemSafety,2008,93(3):364-372.
[5]王建秀,秦权.考虑氯离子侵蚀与混凝土碳化的公路桥梁时变可靠度分析[J].工程力学,2007,24(7):86-96.[6]JTG60-2004,公路桥涵设计通用规范[S].
[7]GB/T50283-1999,公路工程结构可靠度设计统一标准[S].[8]高谦,吴顺川,万林海.土木工程可靠性理论及其应用[M].北京:中国建材工业出版社,2007.
注1:设置L3防护等级桥梁护栏的桥梁路段应保证其综合
得分大于或等于0.70。
注2:对于单个项目评分,如果不满足相关的标准则评分
值应为0。
注3:不好的公路线形包括限速大于或等于70km/h的路
段曲线半径小于250m,限速小于70km/h的路段曲线半径小于88m,从连接点或变化点起20m范围内的坡度大于8%的路段。
注4:频繁的护栏碰撞事故是指5a内发生10起以上的事故。
对于新建道路,事故记录可以适当的假设为这样的事故率发生的可能性是比较高的。
度,20°角碰撞,其碰撞能量为406kJ;如采用大型客车碰撞,港珠澳大桥护栏应采用18t的大客车
以80km/h速度20°角碰撞,
其碰撞能量为520kJ。
由于大型客车碰撞能量高于整体式大货车碰
撞能量,根据
“就高不就低”的原则,选择大型客车碰撞组合作为大型车辆碰撞试验条件。
3按港澳规范确定碰撞试验条件
在港澳规范中将护栏的防撞等级划分为四个
等级,L1、L2、L3和L4。
港澳规范采用评分系统来确定护栏的防撞等级(见表1),根据评分系统计算得到其分数为0.73,应选择L3等级的护栏。
L3等级护栏的碰撞条件为22t的双层巴士以
50km/h速度20°角碰撞护栏,
其碰撞能量为248kJ。
4港珠澳大桥护栏碰撞试验条件
根据实地调查,结合港珠澳大桥未来交通组
成和运营特性,按照内地规范给出了大型车的碰撞车型为18t大客车;按照SDM规范规定的L3级对应的车型为双层巴士,但这种车型主要在城市道路中运行,与港珠澳大桥实际交通组成不符。
同时,根据内地规范确定的大型客车碰撞试验条件的防护能力(520kJ)远大于SDM规范确定的双层巴士的碰撞试验条件的防护能力(248kJ)。
因此,根据内地规范确定的大型客车碰撞试验条件较符合港珠澳大桥的实际交通流特性,也更加安
全(见表2)。
根据多次碰撞试验组织经验,确定大型客车的重心高度为1.3±0.1m,小型客车的重心高度为0.53±0.05m。
5结语
通过研究,运用合理方法解决了两岸三地护栏碰撞试验条件不同的问题,确定港珠澳大桥护栏的防撞等级为SS级520kJ。
运用该碰撞条件验证的护栏已经通过安全评价,将在港珠澳大桥上全线应用。
参考文献
[1]JTG/TF83-01-2004,高速公路护栏安全性能评价标准[s].[2]JTGD81-2006,公路交通安全设施设计标准[s].
[3]StructuresDesignManualforHighwaysandRailways,Highwaysdepartment,ThegovernmentofHongKongSpecialAdministrativeRegion.
表1
护栏选择标准与评分一览表
公路特征标准
分数评分限速
限速≥70km/h
0.230.23距地或边坡高高度≥20m0.190.19巴士车使用量巴士路线数量≥100.190公路线形不好公路线形(见注3)0.140.14交通量年平均日交通量≥30000(单向)
0.070.07商用车百分率商用车百分率≥20%
0.050.05路外特征公路附近有居民区、学校、医院
或别的相似的场所,或水体,或高速公路/主干道
0.080事故记录频繁的护栏碰撞事故(见注4)
0.050.05合计
1
0.73
表2
港珠澳大桥护栏碰撞试验条件一览表
车型质量/t速度/km·h-1
角度/(°)能量/kJ小客车1.510020———大客车
18
80
20
520
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(上接第86页)
桥梁结构89
Keywords:cast-in-sitepile,bridge,seasidearea,carryingcapacityofpilefoundation
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