預(yù)應(yīng)力橋梁結(jié)構(gòu)耐久性研究

李康

【摘 要】預(yù)應(yīng)力橋梁有良好的使用性能和較好的跨越能力，在橋梁建設(shè)中廣泛應(yīng)用，本文以可靠度基本理論應(yīng)用到橋梁結(jié)構(gòu)耐久性為出發(fā)點，介紹了預(yù)應(yīng)力橋梁結(jié)構(gòu)耐久性的影響因素，并提出了耐久性極限狀態(tài)的基本含義及其在結(jié)構(gòu)耐久性研究中的應(yīng)用。

【關(guān)鍵詞】預(yù)應(yīng)力橋梁；耐久性；可靠度；極限狀態(tài)

0 引言

混凝土的耐久性最早開始于海工結(jié)構(gòu)的腐蝕問題，隨著配筋混凝土結(jié)構(gòu)的大量使用，耐久性腐蝕問題逐漸頻繁的出現(xiàn)，近年來在預(yù)應(yīng)力混凝土耐久性研究方面，劉榮桂等針對現(xiàn)代預(yù)應(yīng)力混凝土的失效特點和結(jié)構(gòu)耐久性的具體要求，提出了耐久性設(shè)計的主要內(nèi)容，并給出了結(jié)構(gòu)構(gòu)件耐久性極限狀態(tài)的定義形式。陳妤等以氯鹽循環(huán)為出發(fā)點分析了影響預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)耐久性的主要因素，將可靠度理論作為結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計方法。

預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)耐久性分析的主要內(nèi)容包括兩類問題，一類是結(jié)構(gòu)內(nèi)在制約因素包括結(jié)構(gòu)混凝土的保護(hù)層、混凝土標(biāo)準(zhǔn)強(qiáng)度、水膠比、配合比、水泥標(biāo)號及用量、混凝土內(nèi)部含水量、外加劑、構(gòu)件類型、鋼筋型號和位置、結(jié)構(gòu)的應(yīng)力狀態(tài)以及結(jié)構(gòu)開裂情況等。另一類為結(jié)構(gòu)外部環(huán)境條件，包括溫度、濕度、二氧化碳濃度、氯離子濃度、酸雨、土壤條件、凍融情況等。混凝土結(jié)構(gòu)耐久性分析可以從環(huán)境層次、材料層次、構(gòu)件層次以及結(jié)構(gòu)層次上進(jìn)行分析。

1 基于可靠度的橋梁結(jié)構(gòu)耐久性及影響因素分析

1.1 可靠度的基本概念和原理

結(jié)構(gòu)可靠度是限定時間和規(guī)定約束條件下，結(jié)構(gòu)的安全、適用和耐久性等能夠達(dá)到預(yù)定功能。結(jié)構(gòu)的可靠度是對結(jié)構(gòu)功能的定性描述，可以通過可靠度指標(biāo)進(jìn)行概率度量，結(jié)構(gòu)可靠度限定的時間即代表耐久性壽命，在設(shè)計上為設(shè)計基準(zhǔn)期。

結(jié)構(gòu)的可靠度可以簡化為結(jié)構(gòu)的作用效應(yīng)S和結(jié)構(gòu)抗力效應(yīng)R之間的邏輯關(guān)系，結(jié)構(gòu)抗力表示橋梁結(jié)構(gòu)抵抗破壞和變形的能力，包括極限彎矩、最大撓度、最大應(yīng)力限值等，作用效應(yīng)代表外荷載產(chǎn)生的內(nèi)力和變形。當(dāng)作用效應(yīng)S大于抗力R時，結(jié)構(gòu)功能就不能正常完成，此時可以用結(jié)構(gòu)功能失效概率來表示，反之為可靠概率。

1.2 可靠度分析方法

一次二階矩法將結(jié)構(gòu)功能函數(shù)作為變量的線性函數(shù)，變量的一階矩和二階矩為概率特征，非線性的功能函數(shù)可以在設(shè)計點做泰勒展開，近似得到一次式線性函數(shù)。二次二階矩法則主要應(yīng)用于非線性較高的功能函數(shù)，其實質(zhì)是采用數(shù)值逼近的原理，運用拉普拉斯變換解決功能函數(shù)中非線性影響的二次項，目前工程中常運用的方法為一次二階矩法，二次二階矩法還沒能普遍使用。

蒙特卡羅法是以數(shù)理統(tǒng)計為基礎(chǔ)，采用抽樣理論近似求解數(shù)學(xué)或物理問題，這種方法隨著計算機(jī)的進(jìn)步而發(fā)展起來，首先建立相似性的概率模型，然后通過特征和數(shù)學(xué)問題聯(lián)系起來，通過計算機(jī)進(jìn)行隨機(jī)模擬和抽樣統(tǒng)計，利用得到的結(jié)果統(tǒng)計估計值作為數(shù)學(xué)的近似數(shù)解。優(yōu)勢在于不需要對功能函數(shù)進(jìn)行線性處理，沒有大量反復(fù)的計算工作，能夠直接求解結(jié)構(gòu)可靠度指標(biāo)，容易控制產(chǎn)生的模擬誤差，常用于復(fù)雜結(jié)構(gòu)的可靠度指標(biāo)分析中。

1.3 時變可靠度壽命預(yù)測方法

結(jié)構(gòu)的可靠度是在一定時期內(nèi)的動態(tài)問題，功能函數(shù)中包含的作用效應(yīng)和抗力效應(yīng)都和時間有關(guān)，例如結(jié)構(gòu)使用期內(nèi)，設(shè)計荷載時一個隨機(jī)過程當(dāng)作用荷載對應(yīng)的時間域發(fā)生變化時，設(shè)計基準(zhǔn)期也就相應(yīng)變化了。結(jié)構(gòu)荷載和抗力在偶然因素的影響下，都會隨著時間成為隨機(jī)函數(shù)，所以采用時變可靠度來分析結(jié)構(gòu)的耐久性更為符合實際情況。 這樣靜態(tài)的可靠度模型就轉(zhuǎn)化為時變可靠度模型問題。

那么，只要求解出失效概率沿時間軸變化的規(guī)律，就能明確失效概率對應(yīng)的時間域，預(yù)測橋梁結(jié)構(gòu)的使用壽命問題也就簡單了。由于時變可靠度的基準(zhǔn)期是不斷變化的，可以采用時變綜合法將整個服役期的基準(zhǔn)期作為一個整體參考時間段，在整個服役期內(nèi)考慮結(jié)構(gòu)抗力和荷載變化情況。

2 預(yù)應(yīng)力混凝土橋梁結(jié)構(gòu)耐久性影響因素

2.1 混凝土碳化腐蝕

空氣中的二氧化碳會逐漸進(jìn)入到表面混凝土材料，和其中的堿性化合物發(fā)生化學(xué)反應(yīng)生成碳酸鈣，也即是混凝土的碳化反應(yīng)。碳化反應(yīng)主要受混凝土自身的密實度和堿性強(qiáng)弱的影響，環(huán)境的溫度和濕度等則會影響反應(yīng)的速率。

碳化反應(yīng)初期會使混凝土材料的密實度和表面強(qiáng)度有所增加，但隨著時間的增長，強(qiáng)度會逐漸減弱，反應(yīng)消耗堿性材料，鋼筋會因為失去堿性材料的保護(hù)出現(xiàn)失鈍問題，對于高應(yīng)力狀態(tài)下的鋼筋更為不利，碳化反應(yīng)還會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。

2.2 氯離子的擴(kuò)散侵蝕

氯離子主要通過混入和擴(kuò)散兩種方式進(jìn)入到混凝土結(jié)構(gòu)中，包括混凝土外加劑、海砂以及含氯離子的水等，在近海、鹽湖等外界環(huán)境中含有的氯離子也會逐步進(jìn)入材料內(nèi)部，造成鋼筋表面的腐蝕。

氯離子對混凝土的破壞主要變現(xiàn)在鋼筋表面的鈍化膜會遭到破壞，失去保護(hù)作用，在混凝土內(nèi)部形成腐蝕電池，導(dǎo)致鋼筋表面因電化學(xué)作用形成局部腐蝕坑。具有去極化作用，在造成鋼筋銹蝕作用的前提下本身數(shù)量不會減少，腐蝕作用不停的進(jìn)行下去。

2.3 鋼筋銹蝕作用

鋼筋銹蝕問題是結(jié)構(gòu)耐久性的主要問題，按照作用機(jī)理的不同鋼筋表面的腐蝕可以分為化學(xué)腐蝕和電化學(xué)腐蝕。混凝土內(nèi)部具有堿性材料，當(dāng)堿性環(huán)境發(fā)生變化時，對鋼筋起到保護(hù)作用的鈍化膜就會遭到破壞，化學(xué)腐蝕是由氧化作用或非電解質(zhì)溶液引發(fā)的具有化學(xué)性質(zhì)的腐蝕，在較高溫度下這種反應(yīng)速度較快。電化學(xué)腐蝕則產(chǎn)生腐蝕電流，鋼筋腐蝕對結(jié)構(gòu)耐久性的破壞不僅表現(xiàn)在鋼筋的有效面積上，而且會引起受力鋼筋的應(yīng)力集中現(xiàn)象，進(jìn)一步加劇結(jié)構(gòu)的衰減破壞。

2.4 預(yù)應(yīng)力鋼筋的應(yīng)力腐蝕

預(yù)應(yīng)力鋼筋的應(yīng)力腐蝕可以分為三個階段，第一階段應(yīng)力腐蝕發(fā)生初期，鋼筋局部發(fā)生腐蝕，在拉應(yīng)力的作用下出現(xiàn)金屬裂紋；第二階段裂紋開始發(fā)展，局部微小的裂紋逐步發(fā)育擴(kuò)展，發(fā)展為小的裂縫；第三階段為破壞階段，拉應(yīng)力作用下，細(xì)小裂紋急劇增長，最終導(dǎo)致鋼筋材料的整體強(qiáng)度下降而破壞。

3 預(yù)應(yīng)力橋梁耐久性極限狀態(tài)分析

3.1 耐久性極限狀態(tài)的概念

預(yù)應(yīng)力橋梁的耐久性極限狀態(tài)為構(gòu)件達(dá)到使用功能允許的限值狀態(tài)，橋梁的耐久性要求和正常使用功能要求是相一致的，結(jié)構(gòu)耐久性極限狀態(tài)的制定可以參考正常使用極限狀態(tài)的方法和內(nèi)容。當(dāng)構(gòu)件出現(xiàn)下列條件就可以認(rèn)為達(dá)到了耐久性極限狀態(tài)。

外觀變形影響了正常使用，過大的變形可能導(dǎo)致橋梁結(jié)構(gòu)的開裂，橋面積水等，給人的心理上造成不安全感；局部破壞影響了橋梁使用的耐久性，例如結(jié)構(gòu)開裂，裂縫寬度達(dá)到了限值規(guī)定；出現(xiàn)較大的振動或其他特定狀態(tài)。

3.2 預(yù)應(yīng)力橋梁耐久性極限狀態(tài)

混凝土結(jié)構(gòu)構(gòu)件的耐久性極限狀態(tài)有三種：當(dāng)鋼筋開始發(fā)生銹蝕的極限狀態(tài)；鋼筋發(fā)生適量銹蝕的極限狀態(tài)；混凝土表面有輕微損傷的極限狀態(tài)。預(yù)應(yīng)力鋼筋處于高應(yīng)力狀態(tài)下，一旦發(fā)生應(yīng)力腐蝕，后續(xù)的應(yīng)力失效會給結(jié)構(gòu)耐久性帶來巨大的隱患，普通鋼筋的銹蝕導(dǎo)致外觀損壞也會造成耐久性的下降，所以耐久性的極限狀態(tài)為預(yù)應(yīng)力鋼筋初銹、普通鋼筋保護(hù)層開裂和預(yù)應(yīng)力腐蝕導(dǎo)致截面受力開裂三個階段。

3.3 耐久性設(shè)計和評定的可靠指標(biāo)

結(jié)構(gòu)耐久使用功能指標(biāo)要反映結(jié)構(gòu)在生命過程中的基本工程特性要求，并符合人們對風(fēng)險的承受能力，滿足經(jīng)濟(jì)投資等條件，耐久性可靠指標(biāo)還能夠為結(jié)構(gòu)的維修、加固、拆除等提供依據(jù)。耐久性的指標(biāo)可以通過可靠度和風(fēng)險分析兩方面來確定。

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[責(zé)任編輯：薛俊歌]