海洋環境下預應力混凝土箱梁壽命分析

馮滔滔，余紅發，曾祥超，盧劍雄

(南京航空航天大學 航空宇航學院，江蘇 南京 210016)

海洋環境下預應力混凝土箱梁壽命分析

馮滔滔，余紅發，曾祥超，盧劍雄

(南京航空航天大學 航空宇航學院，江蘇 南京 210016)

海洋環境下預應力混凝土箱梁，受到大氣鹽霧中氯鹽等有害物質的侵蝕作用，導致箱梁中的鋼筋出現銹蝕現象，嚴重影響混凝土結構的耐久性能，從而混凝土箱梁難以達到100年的設計壽命要求。基于可靠度理論，分別對混凝土箱梁懸臂板、斜腹板中鋼筋以及底板主筋的服役壽命進行預測。結果表明：海洋大氣環境中預應力混凝土箱梁、懸臂板與斜腹板在短期內就會發生銹蝕，箱梁底板主筋的銹蝕時間相對較長，但是仍然無法達到100年的設計壽命要求。因此，必須對箱梁施加一定的防腐措施。

海洋環境；預應力混凝土箱梁；服役壽命；可靠度；粉煤灰

隨著施工技術的發展與科學研究的不斷深入，跨海大橋等混凝土建筑日益增多。實際工程中，由于大氣環境中存在大量海洋鹽霧，箱梁長期受到大氣鹽霧中氯鹽等有害物質的侵蝕作用，我們不得不面對因鹽霧侵蝕而造成的耐久性下降等問題，混凝土橋梁往往在幾年之內就出現鋼筋銹蝕、混凝土保護層剝落等各類耐久性問題，造成嚴重的經濟損失以及資源浪費現象。美國洲際公路網中大約有五十六萬座橋梁，其中有九萬座處于嚴重失效狀態，政府在1978年投入63億美元用于橋梁修復，而主要原因就是由于鋼筋銹蝕而導致橋面板破壞[1]；挪威Ullasunder橋在服役25年后，由于受到嚴重腐蝕，最后不得不拆除重建[2]；日本海沿岸，許多橋梁在建成10年內就發生因鋼筋銹蝕而引起的破壞[3]。我國《公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規范》(JTG D62-2004)[4]規定的橋梁設計基準期為100年，為了保證100年甚至120年的設計壽命要求，海洋環境下預應力混凝土箱梁壽命分析顯得尤為重要。

我國近年來建造的杭州灣跨海大橋、青島海灣大橋、港珠澳大橋等大型工程在世界上取得了矚目的成就[5-7]，但是這些跨海大橋在100年服役期的可靠度計算未見文獻報道。近年來，學術界開始提出、發展了基于可靠度理論體系的分析方法，有效地推動了混凝土橋梁的安全性評估工作。基于可靠度理論和修正氯離子擴散理論模型，對預應力混凝土箱梁懸臂板、斜腹板以及底板中鋼筋在5%和10%起銹概率情況下的服役壽命進行了分析計算，詳細研究了我國海洋大橋常見預應力混凝土橋梁服役壽命的可靠度分析結果，對于橋梁壽命預測以及實現100年的設計壽命要求有著重要的意義。

1 計算參數

1.1混凝土材料

選用文獻[8]的實驗數據，采用4組不同配合比的高性能混凝土。水泥用礦物摻合料等量替代，F0、F20分別表示粉煤灰摻量為0%和20%的普通混凝土和高性能混凝土，S30、S60分別表示礦渣摻量為30%與60%的高性能混凝土，混凝土標準養護28 d抗壓強度如表1所示。

表1 混凝土標準養護28 d的抗壓強度[8]Tab. 1 Compressive strength of concrete in standard curing 28 d[8]

1.2計算數據

1.2.1 自由氯離子擴散系數Da

自由氯離子擴散系數表明氯離子侵入混凝土的程度，混凝土養護后，將其暴露于已準備好的人工海水中，人工海水配合比按照美國ASTM D1141-2003的規定配制，暴露時間分別是7 d、14 d、28 d、56 d、90 d、180 d、365 d、730 d和1 095 d。得到海水浸泡條件下各混凝土在不同暴露時間的自由氯離子擴散系數，具體見表2所示[9]。

表2 不同混凝土在海水暴露條件下的自由氯離子擴散系數Tab. 2 Daof different concretes exposed to marine environment

1.2.2 時間依賴指數m

Thomas等[10]對混凝土的自由氯離子擴散系數與暴露時間之間的關系進行了研究分析，結果表明：隨著暴露時間的增長，自由氯離子擴散系數呈冪指數衰減，計算公式：

式中：D0為暴露時間為t0=28 d時混凝土的自由氯離子擴散系數；Da為暴露時間為t時混凝土的自由氯離子擴散系數；m為時間依賴性指數，決定了氯離子擴散的衰減速率。

式(1)經過數學計算轉化為式(2)，可以進行混凝土在不同暴露時間的Da數據處理：

式中：A為回歸系數，即可得出時間依賴性指數m。混凝土的氯離子擴散系數及其時間依賴性指數與結合能力R如表3所示[9]。

表3 混凝土的時間依賴性指數與結合能力Tab. 3 Analysis parameters of concrete

1.2.3 表面自由氯離子含量的時間依賴性參數k

對于實際混凝土結構中氯離子的擴散，通常采用余紅發[11]提出的基于時間相關邊界條件的修正氯離子擴散理論模型，本文所采用的各混凝土表面自由氯離子含量符合以下冪函數關系：

式中：k為表面自由氯離子含量的時間依賴性參數。混凝土的修正氯離子擴散理論模型[11]：

(4)

為了計算混凝土表面自由氯離子含量的時間依賴性參數，采用挪威Brent海洋平臺[12]為類比環境，根據該工程服役20年的實測數據，并結合課題組實驗室海水暴露3 a的氯離子擴散系數Da與時間依賴性參數m值，即可計算出箱梁在實際海洋大氣環境中，F0、F20、S30和S60混凝土的表面自由氯離子含量的時間依賴性參數k值，具體數據如表4所示。

表4 試驗混凝土在實際海洋大氣區橋梁結構中的表面自由氯離子含量cs的時間依賴性參數Tab. 4 m and k of bridge structure in the marine condition

1.2.4 模型計算參數

結構形式及結構尺寸：主梁采用單箱三室截面，梁高1.8 m。標準斷面頂板厚度22 cm，底板厚度20 cm。支點處腹板厚度70 cm，跨中處腹板厚40 cm。上部結構一般構造圖如圖1所示，其中，單位為mm。

圖1 上部結構構造圖Fig. 1 Constructional drawing of superstructure

圖2為箱梁橫斷面配筋圖。懸臂板與斜腹板選用Φ12鋼筋，保護層厚度25 mm；箱梁底板：第一排主筋選用Φ25鋼筋，凈保護層厚度為52.5 mm；第二排主筋選用Φ12鋼筋，與第一排主筋的間距為110 mm，凈保護層厚度為169 mm。圖3、4為預應力鋼束配筋圖。分為N1 、N2 、N3三類。N1頂板鋼束12根/束，共8束；N2，N3底板鋼筋17根/束，共8束。

圖2 箱梁局部橫斷面配筋圖Fig. 2 Reinforcement drawing of cross section

圖3 箱梁立面局部預應力筋配筋圖Fig. 3 Prestressed reinforcement drawing of facade

圖4 箱梁橫截面預應力筋配筋位置Fig. 4 Position of prestressed reinforcement

有關研究[13-17]表明，混凝土的有關氯離子擴散參數一般符合正態分布。計算時，表面自由氯離子含量的時間依賴性參數k、初始自由氯離子含量c0、臨界自由氯離子含量ccr和基準自由氯離子擴散系數D0的變異系數為20%，混凝土保護層厚度x0和混凝土的氯離子結合能力R的變異系數為15%。氯離子擴散系數的時間依賴性指數m的標準差σm=0.1。由于采用現場的工程數據，因此，擴散系數的劣化效應系數K為常量，并且K=1。海洋大氣環境下預應力混凝土箱梁鋼筋銹蝕分析參數如表5所示。

表5 海洋大氣環境下預應力混凝土箱梁鋼筋銹蝕分析參數Tab. 5 Analysis parameters of prestressed concrete box girder

2 海洋環境下箱梁結構的鋼筋銹蝕時間預測

2.1基于可靠度理論的計算方法

基于可靠度理論的海洋環境下預應力混凝土箱梁的壽命計算，以鋼筋表面的自由氯離子含量達到臨界氯離子含量的時間，即鋼筋起銹時間為依據。在對混凝土結構的鋼筋起銹時間進行可靠度分析時，建立功能函數：

式中：ccr是鋼筋銹蝕的臨界氯離子含量；cf為鋼筋表面(混凝土保護層厚度x0)的自由氯離子含量。

當混凝土內部鋼筋表面(混凝土保護層厚度x0)的自由氯離子含量(cf)達到臨界氯離子含量(即ccr≤cf)時，混凝土中鋼筋銹蝕概率：

式中：β為可靠度指標。

2.2預應力混凝土箱梁懸臂板與斜腹板的鋼筋起銹時間

圖5為海洋大氣環境中預應力混凝土箱梁懸臂板與斜腹板的鋼筋銹蝕概率與可靠度計算結果。由圖可知，在各混凝土中，隨著服役時間的延長，預應力混凝土箱梁懸臂板與斜腹板的鋼筋銹蝕概率逐漸增大，可靠度指標逐漸降低。此外，在鋼筋銹蝕概率分別為5%與10%情況下，F0、F20、S30和S60鋼筋起銹時的服役時間均小于5年，遠遠達不到100年的設計壽命要求，凈保護層厚度為25 mm時不足以保護鋼筋，因此，對預應力混凝土箱梁的懸臂板與斜腹板必須施加一定的附加防護措施。

圖5 海洋大氣環境預應力混凝土箱梁懸臂板與斜腹板的鋼筋銹蝕概率與可靠度計算結果Fig. 5 Corrosion probability and reliability of cantilever slab and inclined web

2.3預應力混凝土箱梁梁底第一排主筋的起銹時間

圖6為海洋大氣環境中預應力混凝土箱梁底板第一排主筋銹蝕概率與可靠度計算結果。由圖可知，隨著服役時間的延長，混凝土箱梁底板第一排主筋銹蝕概率逐漸增大，可靠度指標逐漸降低。在5%的銹蝕概率條件下，F0、F20、S30和S60混凝土的服役時間分別為14、17、55和64 a；在10%的銹蝕概率條件下，F0、F20、S30和S60的服役時間分別為19、25、90和86 a。均小于100 a。底板第一排主筋在100年之內會發生銹蝕，無法達到100年的設計壽命要求，表明箱梁底板凈保護層厚度為52.5 mm時不足以保護鋼筋。因此，對混凝土箱梁的底板必須施加一定的附加防護措施。

通過對比不同混凝土之間的鋼筋起銹概率與可靠度指標，可看出，海洋環境下預應力混凝土箱梁，F0、F20、S30及S60混凝土的防銹效果依次增強，S60混凝土耐久性最好。另外銹蝕概率為5%時，S30、S60混凝土底板主筋起銹時的服役時間均可達到50年；銹蝕概率為10%時，S30、S60混凝土底板主筋起銹時的服役時間接近90年。可見，摻加礦渣比摻加粉煤灰防銹效果好，其原因在于磨細礦渣的火山灰反應程度高于粉煤灰的反應程度，導致形成更密實的低C/S比C-S-H凝膠，進而導致摻加礦渣的混凝土氯離子擴散系數更低。

圖6 海洋大氣環境混凝土箱梁底板第一排主筋的銹蝕概率與可靠度計算結果Fig. 6 Corrosion probability and reliability of main reinforcement of the first rank

2.4預應力混凝土箱梁底板第二排主筋的起銹時間

圖7為海洋大氣環境中預應力混凝土箱梁底板第二排主筋銹蝕概率與可靠度計算結果。由圖可知，在F0、F20、S30和S60混凝土中，箱梁底板的第二排主筋在100～200年的銹蝕概率約為10-5，表明主筋在100年之內不會發生銹蝕，可以達到100年的設計壽命要求。因此，對于箱梁底板第二排主筋，不需要施加耐久性附加措施。

圖7 海洋大氣環境預應力混凝土箱梁底板第二排主筋的銹蝕概率與可靠度計算結果Fig. 7 Corrosion probability and reliability of main reinforcement of the second rank

3 結 語

1)海洋大氣環境中預應力混凝土箱梁的耐久性主要取決于懸臂板與斜腹板的鋼筋，以及底板第一排主筋的銹蝕作用，箱梁底板第二排主筋保護層較厚，鋼筋基本不會發生銹蝕現象，可不考慮其耐久性問題；

2)海洋大氣環境中，若預應力混凝土箱梁不采用高性能混凝土和其他任何附加防護措施，則其耐久性較差，不可能滿足100年，甚至50年的使用壽命要求；

3)海洋大氣環境中，不同配合比的預應力混凝土箱梁，其耐久性差異較大，摻加粉煤灰或礦渣可延長混凝土箱梁的服役壽命，且摻加礦渣比摻加粉煤灰防銹效果好，F0、F20、S30及S60混凝土的防銹效果依次增強，總體上S60混凝土效果最好。

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Service life analysis of pre-concrete box girders exposed to marine environment

FENG Taotao， YU Hongfa， ZENG Xiangchao， LU Jianxiong

(College of Aerospace Engineering， Nanjing University of Aeronautics and Astronautics， Nanjing 210016， China)

The steel bars of the pre-concrete box girders will be corroded because of the chloride or other harmful substances in the marine condition, which will cause serious damages to the structures. So the concrete box girder is hard to meet the requirement of the designed service life. Based on the reliability theory, the paper respectively predicts the service life of the cantilever slabs, inclined webs and bottom slabs’ steels. It is found that the cantilever slabs and inclined webs will be corroded in a short time and the corrosion time of the bottom slabs’ steels is relatively long. However, it still can’t reach the designed service life. So it’s necessary to take some measures to protect the pre-concrete box girders from being corroded.

marine condition; pre-stressed concrete box girder; service life; reliability; fly-ash

TV332; TU528.33

A

10.16483/j.issn.1005-9865.2015.06.010

余紅發(1964-)，男，湖北武穴人，博士，教授，博士生導師。E-mail:yuhongfa@nuaa.edu.cn

1005-9865(2015)06-075-07

2015-03-24

國家重點基礎研究發展計劃(973計劃)(2009CB623203，2015CB655100)；國家自然科學基金項目(51178221，21276264)；江蘇高校優勢學科建設工程資助項目(PAPD)

馮滔滔(1990-)，男，新疆吐魯番人，碩士生，研究方向為混凝土耐久性。E-mail:563468779@qq.com