不同環境鋼筋混凝土受彎構件承載力退化計算

曹 茜

1 概述

混凝土橋梁結構耐久性設計問題實質上是環境和荷載共同作用下的混凝土材料乃至構件、結構性能退化問題。大量工程實踐證明,在鋼筋混凝土結構中,鋼筋的銹蝕是影響服役結構耐久性的主要因素。

隨著混凝土中鋼筋銹蝕的發生與發展,鋼筋銹蝕對受彎構件承載能力的影響程度不同,可以分為三類:

1)當保護層銹脹開裂前,鋼筋的銹蝕率一般較小,在承載力計算時可不考慮鋼筋銹蝕的影響;

2)銹脹裂縫出現后,當鋼筋銹蝕率小于10%時,隨著鋼筋銹蝕發展,由于銹蝕鋼筋力學性能的降低和鋼筋與混凝土之間的粘結力退化,受彎構件的承載力明顯降低;

3)當鋼筋銹蝕率大于10%,混凝土保護層未脫落時,受彎構件可能發生適筋梁彎曲破壞,也可能發生超筋、少筋破壞,甚至發生粘結破壞和剪切破壞。

下面僅對第二類情況作進一步地分析。當鋼筋銹蝕率小于10%時,銹后鋼筋混凝土受彎構件截面的平均應變分布仍基本符合平截面假定。因此,仍可按照JDG D62-2004公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規范中正截面抗彎承載力計算公式計算。計算時,需考慮鋼筋力學性能退化影響及鋼筋與混凝土間粘結性能退化對承載能力的影響。

銹后鋼筋混凝土受彎構件的正截面抗彎承載力計算公式為:

其中,RM′(t)為銹蝕梁在 t時刻的正截面抗彎承載力,kN;(t)為銹蝕鋼筋在 t時刻的截面面積,mm2為銹蝕鋼筋的屈服強度,MPa為腐蝕混凝土的軸心抗壓強度,MPa;h0為截面有效高度,mm;b為截面寬度,mm。

2 鋼筋混凝土受彎構件承載力退化計算

2.1 橋梁概況

本橋為三跨簡支梁橋,跨徑組合為8 m+13 m+8 m,設計荷載為城市B級,設計基準期100年。其中8 m板梁采用鋼筋混凝土空心板梁,混凝土標號C30?，F選取8 m鋼筋混凝土空心板梁(梁高 h=0.52 m,梁底寬0.99 m的中板)作為計算模型,來分析鋼筋混凝土結構耐久性能退化規律。

中板橫斷面配筋見圖1。

為了更好地說明不同環境對結構耐久性的影響,特將該橋理論上移至近海區域,距海岸距離小于1 km。即分析同一座橋梁處于不同環境下耐久性退化規律,對比混凝土碳化影響下和氯離子侵蝕下的橋梁耐久性退化的差異。

2.2 作用效應計算

通過計算,得到中板自重效應標準值為 MGK=83 kN·m,取汽車荷載橫向分布系數為0.152,沖擊系數1+μ=1.227。簡支梁截面耐久性計算選擇彎矩最大的跨中截面進行?？紤]沖擊系數影響,經計算,汽車荷載效應標準值為:

于是,按照規范承載能力極限狀態設計時的作用組合設計值為:

2.3 抗力效應計算

參照GB/T 50283-1999公路工程結構可靠度統一標準,根據相應的計算公式,通過Monte Carlo模擬來計算各耐久性設計參數。

由于人類在抗炎癥疾病和農漁牧業養殖中不合理使用抗生素，導致耐藥菌株不斷增加。目前，臨床上可供選擇的抗菌素越來越少。在人類與疾病的抗爭史中，中草藥用于炎癥的治療有明確記載。從中草藥中發現新的抗菌藥成為很多醫藥學者研究的目標。

2.3.1 鋼筋開始銹蝕時間

由碳化系數和碳化殘量的均值和標準差可以看到,角部碳化系數的均值是非角部碳化系數的1.4倍。碳化系數越大,完全碳化區長度就越長,相反碳化殘量越小。

圖2為平均碳化深度隨時間的變化趨勢。當t=100年,非角部最大平均碳化深度為16.738 mm;角部最大平均碳化深度為23.433 mm。即在混凝土碳化的單獨作用下,混凝土的完全碳化還未到達鋼筋表面。

由于碳化殘量的存在,即使混凝土的完全碳化還未到達鋼筋表面,鋼筋亦開始銹蝕。且氯離子侵蝕對結構鋼筋的銹蝕影響要比混凝土碳化顯著得多,僅為混凝土碳化下鋼筋開始銹蝕時間的19%(見表1)。

2.3.2 混凝土保護層銹脹開裂時間

混凝土碳化下的銹脹開裂時間計算結果見表2。隨著鋼筋銹蝕的發展,角區的銹蝕程度要比非角區的銹蝕程度越來越嚴重。氯離子侵蝕下的銹脹開裂時間僅為混凝土碳化下保護層銹脹開裂時間的29%,為混凝土碳化下鋼筋開始銹蝕時間的47%。即結構在混凝土碳化下鋼筋還未開始銹蝕時,結構在氯離子侵蝕下混凝土的保護層早已銹脹開裂有十幾年。

表1 鋼筋開始銹蝕時間 年

表2 混凝土保護層的銹脹開裂時間 年

2.3.3 鋼筋截面積

隨著鋼筋銹蝕的發展,鋼筋剩余面積不斷減小(見表3)。

表3 50年后單根鋼筋剩余面積 mm2

圖3則給出了混凝土碳化下(非角部、角部)和氯離子侵蝕下的單根鋼筋剩余面積隨時間變化的對比圖。可以看到,碳化下的鋼筋面積變化微弱,但氯離子侵蝕下的鋼筋腐蝕嚴重。鋼筋一旦開始銹蝕,由于銹蝕過程中Cl-的循環利用,Cl-對鋼筋的侵蝕就一直持續,銹蝕量不斷增加,鋼筋剩余面積不斷減小。當t=100年,剩余鋼筋面積約為原鋼筋面積的1/2。

2.3.4 承載力退化

選用牛荻濤給出的一般大氣環境及海洋環境下混凝土強度平均值和標準差的經時變化數學模型來考慮混凝土強度的經時變化。同時選用送審稿提出的混凝土脹裂前、脹裂時、脹裂后的鋼筋銹蝕速率和銹蝕深度公式、銹后鋼筋混凝土協同工作降低系數,并選用牛荻濤給出的銹蝕鋼筋強度降低系數,來考慮銹后結構承載力的經時變化。

表4給出了50年后混凝土碳化、氯離子侵蝕下結構剩余承載力(考慮混凝土強度經時變化)。50年后氯離子侵蝕下結構平均剩余承載力是混凝土碳化結構平均剩余承載力的63%。

表4 50年后構件剩余承載力 mm2

圖4給出了混凝土碳化、氯離子侵蝕下(考慮與不考慮混凝土強度的經時變化)結構剩余承載力隨時間變化的對比圖?？梢钥吹?考慮與不考慮混凝土強度的經時變化對承載能力的影響很小,考慮值比不考慮值略高,實際工程中常不考慮混凝土強度的經時變化,而是將其作為結構的強度儲備。

碳化下結構剩余承載力在70年后才開始有下降趨勢,100年后承載力下降了20%。氯離子侵蝕下的結構承載力在約前10年未有變化,10年后則快速下降,到約55年已下降了40%,隨后結構承載力下降趨勢有所減弱,到100年,結構剩余承載力僅為原承載力的36%,略大于作用效應值。但實際情況要比理論計算的條件復雜,橋梁實際應用中還會受到各種因素的影響,如橋梁建設施工質量、使用中的沖撞、實際車輛荷載的增長等,將使得橋梁實際服役情況更不理想,難以達到設計基準期的要求。

2.4 計算結果分析

混凝土碳化下,截面角部位置碳化系數、平均碳化深度均比非角部位置碳化系數、平均碳化深度要大,相反碳化殘量要小。且隨著時間的增加,角區鋼筋銹蝕程度要比非角區越來越嚴重。但是相比碳化作用,氯離子侵蝕引起的鋼筋銹蝕程度嚴重得多。氯離子侵蝕引起的鋼筋開始銹蝕時間僅為混凝土碳化下的19%;氯離子侵蝕引起的混凝土保護層銹脹開裂時間僅為混凝土碳化下的29%,是碳化引起的鋼筋開始銹蝕時間的47%。氯離子侵蝕下的鋼筋面積損失嚴重,相比之下可忽略混凝土碳化下的鋼筋面積變化。100年后,橋梁跨中截面抗彎承載力在混凝土碳化下僅下降了20%,仍舊能夠很好地滿足抗彎承載力要求;但在氯離子侵蝕下,截面抗彎承載力下降64%,無法滿足100年后結構所需抗彎承載力。

2.5 結論和建議

混凝土橋梁結構耐久性退化問題是環境和荷載共同作用下的退化問題。不同的環境下橋梁有著不一樣的退化機理。一般大氣環境,混凝土無明顯腐蝕效應,不存在凍融損失和化學腐蝕,但可因碳化引起鋼筋銹蝕。因此混凝土碳化是一般大氣環境下橋梁退化的主要機理。

近海地區可能造成氯離子腐蝕的大氣環境,沿海地帶的潮汐區、浪濺區以及除冰鹽、摻加氯鹽的環境,混凝土橋梁結構耐久性退化的主要機理在于氯離子侵蝕。氯離子侵蝕引起的鋼筋銹蝕,其銹蝕速度要比碳化引起的鋼筋銹蝕快得多。

我國地域遼闊,各地環境條件差異非常明顯,應根據環境作用的區劃圖來指導我國混凝土橋梁的耐久性設計。

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