鋼筋銹蝕對在役RC橋梁可靠性的影響

張精岳，毛偉科

(河北工業大學土木工程學院)

1 RC 構件鋼筋腐蝕的原因綜述

研究發現，RC 構件出現鋼筋銹蝕的原因有以下幾方面:(1)結構密實性差。若混凝土結構施工質量較差，導致結構密實程度不良，且在結構受荷中出現裂縫，這些均是造成構件內部鋼筋發生銹蝕的原因;(2)混凝土碳化。混凝土中的Ca(OH)2與CO2反應，使其內部環境的堿度逐漸降低，破壞了鋼筋表面的保護膜，致使鋼筋處于易氧化的狀態，從而導致鋼筋發生銹蝕反應;(3)氯離子侵蝕。橋梁結構受冬季除冰鹽與海洋環境的影響，氯離子透過混凝土構件表面的縫隙侵蝕到鋼筋表面與鋼筋發生電化學反應，使鋼筋過早的銹蝕。

2 鋼筋銹蝕的力學模型

對于RC 結構，若其內部鋼筋發生銹蝕，鋼筋有效截面減小，其力學性能發生較大改變，致使RC 結構承載能力降低。

當鋼筋混凝土梁內部鋼筋出現銹蝕后，根據文獻，鋼筋銹蝕深度的均值μδ(t)與標準差σδ(t)，隨時間的發展而逐漸變大，其銹蝕深度的時間模型如下

式中:μδ(t0)與σδ(t0)為鋼筋混凝土結構服役至第t0年時，鋼筋銹蝕實際深度的平均值與標準差t≥t0，t0=c2/k2c，kc 為混凝土的碳化系數，kc 取4.8，c 為20 cm，則t0=17.4年。

根據數學上相關量誤差的可傳遞性，鋼筋的橫截面面積因銹蝕損失的平均值μλ(t)與標準差σλ(t)可表示如下模型

式中:d0為鋼筋初始直徑值，其它量如上。鋼筋的截面積的變化引起鋼筋受力性能的變化，其屈服強度隨時間發展的平均值μFy(t)與標準值σFy(t)取如下模型

式中:μfy0為鋼筋的初始屈服強度平均值;σfy0為鋼筋的初始屈服強度標準差，取0.05。

3 可靠性評估的基本準則

3.1 構件應力、變形準則

(1)應力準則:根據材料力學中的容許應力理論，構件內一點處的最大應力達到單向應力狀態下極限應力時，則認為構件失效，如表1(采用《混凝土結構設計規范》GB50010－1989)。

表1 不同標號混凝土的抗壓強度設計值與容許應力值

(2)變形準則:根據《混凝土結構設計規范》中的鋼筋混凝土梁在汽車荷載作用下，主梁跨中最大豎向難度不應大于最大容許值，而簡支橋主梁的豎向撓度最大容許值取L/600(L 為計算跨徑)。

3.2 構件失效概率準則

在《建筑結構可靠度設計統一標準》GB50068－2001 中指出混凝土結構可靠度的評定依據為可靠指標，但此評定依據難以動態的評定混凝土結構隨時間變化的可靠度。貢金鑫、趙國藩教授指出現行的結構可靠度分析和設計方法不考慮結構抗力隨時間的降低，結構抗力降低會導致結構的可靠度降低。因此，鋼筋混凝土結構失效概率必須考慮結構構件抗力性能隨時間發展而降低的因素。

根據文獻，將0.85β 作為結構失效的臨界值，即結構構件的動態可靠度指標βt＜0.85β 時，則認為結構已處于失效狀態，不再滿足結構穩定性與適用性等性能，即t 時刻為結構的使用性能終止時間。公路橋梁設計規范指出，設計基準期為100年的目標可靠度指標如表2。

表2 公路橋梁結構承載能力極限狀態的可靠指標β

4 鋼筋銹蝕的RC 橋梁可靠度數值模擬分析

4.1 工程概述

邢臺青龍橋是一座建于1972年的在役RC 簡支T 梁橋，安全等級為－20，橋面凈寬為7 m，橋梁跨徑為16 m，混凝土采用C25，受拉區為10Φ32 的HRB335 鋼筋，此橋處于環境腐蝕較嚴重的地區。

4.2 T 梁可靠度判斷依據

(1)根據舊規范中C25混凝土的軸心抗壓強度標準值17 MPa，因此T 梁跨中上部混凝土抗壓強度小于17 MPa 時，可判斷處于可靠狀態。

(2)撓度判斷依據:L/600 =0.026 6 m，即當跨中撓度小于0.266 m 時，可判斷處于可靠狀態。

(3)失效概率準則:依據結構構件的動態可靠度指標βt＜0.85β，且本工程安全等 級 為二級，則β = 4.2，0.85，β=3.57，由此可得出Pf =0.0002，則可靠概率大于0.9998時，則認為構件處于安全范圍內。

4.3 鋼筋銹蝕RC 橋梁可靠度的計算

根據橋梁工程中主梁內力計算中的偏心壓力計算法，可知5 片梁中，邊梁的橫向分布系數最大，為0.532。因此，為減少ansys 程序計算時間，以下所有計算均取邊梁做計算。

4.3.1 鋼筋動態屈服強度

根據上式(1)－(6)式可計算出鋼筋的動態屈服強度值，見表5，初始屈服強度取fy=335 MPa。當t ＞t0=17.4年時鋼筋開始銹蝕，經在t =20年時對橋梁鋼筋檢測可知，其平均銹蝕深度μ =0.17 mm，σ =0.05 mm，則可得出鋼筋的動態屈服強度值，見表3。

表3 銹蝕鋼筋時變屈服強度值

4.3.2 T 梁有限元模型

T 梁的有限元如圖1 所示。

圖1 T 梁有限元網格模型

4.3.3 荷載作用下橋梁可靠度

由于此橋等級為－20 級，550 kN×0.532 =292.6 kN，需對T 梁的跨中施加約30t 的荷載，可得出t =20年時梁跨中撓度值UMAX1、最大應力SMAX 的概率分布圖如下，從圖2中在0.026 6 m 處劃豎線與概率為1.0 的線相交，從圖3 中在17 MPa 劃豎線與概率為1.0 的線相交，因此，可得出此時橋梁處于穩定范圍內。

重復上述計算，依次計算出t =30、40、50、60、70年的可靠度，當計算到70年時可靠度為0.98，此時小于0.999 8，則構件處于失效狀態;再計算t =65年構件的可靠度，此時可靠度為0.9998，則認為此橋的已處于失效臨界狀態，表4 為不同時間段構件的可靠度。

圖2 t=20年最大壓應力分布曲線

圖3 t=20年跨中撓度分布曲線

表4 橋梁時變可靠概率值

5 結 論

RC 橋梁內部鋼筋受運營環境、施工質量、混凝土碳化、氯離子侵蝕等因素的影響，在運營過程中鋼筋發生銹蝕，導致鋼筋的屈服強度隨銹蝕程度的增加而逐漸減小，且在運營到65年時，T 梁構件已處于失效狀態。因此，為了提高橋梁整體的可靠度，建議在運營60年時，對橋梁采取加固措施，減少橋梁危害。

［1］邢鋒.混凝土結構耐久性設計與應用［M］.北京:中國建筑工業出版社，2011:35－37.

［2］李廣慧，杜朝，蔣曉東.在役建筑結構的剩余壽命預測［J］.鄭州工業大學學報，1999，(3):6－9 .