曹 茜

1 概述

混凝土橋梁結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計(jì)問題實(shí)質(zhì)上是環(huán)境和荷載共同作用下的混凝土材料乃至構(gòu)件、結(jié)構(gòu)性能退化問題。大量工程實(shí)踐證明,在鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)中,鋼筋的銹蝕是影響服役結(jié)構(gòu)耐久性的主要因素。

隨著混凝土中鋼筋銹蝕的發(fā)生與發(fā)展,鋼筋銹蝕對(duì)受彎構(gòu)件承載能力的影響程度不同,可以分為三類:

1)當(dāng)保護(hù)層銹脹開裂前,鋼筋的銹蝕率一般較小,在承載力計(jì)算時(shí)可不考慮鋼筋銹蝕的影響;

2)銹脹裂縫出現(xiàn)后,當(dāng)鋼筋銹蝕率小于10%時(shí),隨著鋼筋銹蝕發(fā)展,由于銹蝕鋼筋力學(xué)性能的降低和鋼筋與混凝土之間的粘結(jié)力退化,受彎構(gòu)件的承載力明顯降低;

3)當(dāng)鋼筋銹蝕率大于10%,混凝土保護(hù)層未脫落時(shí),受彎構(gòu)件可能發(fā)生適筋梁彎曲破壞,也可能發(fā)生超筋、少筋破壞,甚至發(fā)生粘結(jié)破壞和剪切破壞。

下面僅對(duì)第二類情況作進(jìn)一步地分析。當(dāng)鋼筋銹蝕率小于10%時(shí),銹后鋼筋混凝土受彎構(gòu)件截面的平均應(yīng)變分布仍基本符合平截面假定。因此,仍可按照J(rèn)DG D62-2004公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范中正截面抗彎承載力計(jì)算公式計(jì)算。計(jì)算時(shí),需考慮鋼筋力學(xué)性能退化影響及鋼筋與混凝土間粘結(jié)性能退化對(duì)承載能力的影響。

銹后鋼筋混凝土受彎構(gòu)件的正截面抗彎承載力計(jì)算公式為:

其中,RM′(t)為銹蝕梁在 t時(shí)刻的正截面抗彎承載力,kN;(t)為銹蝕鋼筋在 t時(shí)刻的截面面積,mm2為銹蝕鋼筋的屈服強(qiáng)度,MPa為腐蝕混凝土的軸心抗壓強(qiáng)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(gòu)件承載力退化計(jì)算

2.1 橋梁概況

本橋?yàn)槿绾喼Я簶?跨徑組合為8 m+13 m+8 m,設(shè)計(jì)荷載為城市B級(jí),設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期100年。其中8 m板梁采用鋼筋混凝土空心板梁,混凝土標(biāo)號(hào)C30?，F(xiàn)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(jì)算模型,來分析鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)耐久性能退化規(guī)律。

中板橫斷面配筋見圖1。

為了更好地說明不同環(huán)境對(duì)結(jié)構(gòu)耐久性的影響,特將該橋理論上移至近海區(qū)域,距海岸距離小于1 km。即分析同一座橋梁處于不同環(huán)境下耐久性退化規(guī)律,對(duì)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(yīng)計(jì)算

通過計(jì)算,得到中板自重效應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)值為 MGK=83 kN·m,取汽車荷載橫向分布系數(shù)為0.152,沖擊系數(shù)1+μ=1.227。簡支梁截面耐久性計(jì)算選擇彎矩最大的跨中截面進(jìn)行?？紤]沖擊系數(shù)影響,經(jīng)計(jì)算,汽車荷載效應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)值為:

于是,按照規(guī)范承載能力極限狀態(tài)設(shè)計(jì)時(shí)的作用組合設(shè)計(jì)值為:

2.3 抗力效應(yīng)計(jì)算

參照GB/T 50283-1999公路工程結(jié)構(gòu)可靠度統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn),根據(jù)相應(yīng)的計(jì)算公式,通過Monte Carlo模擬來計(jì)算各耐久性設(shè)計(jì)參數(shù)。

由于人類在抗炎癥疾病和農(nóng)漁牧業(yè)養(yǎng)殖中不合理使用抗生素，導(dǎo)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?fàn)幨分?，中草藥用于炎癥的治療有明確記載。從中草藥中發(fā)現(xiàn)新的抗菌藥成為很多醫(yī)藥學(xué)者研究的目標(biāo)。

2.3.1 鋼筋開始銹蝕時(shí)間

由碳化系數(shù)和碳化殘量的均值和標(biāo)準(zhǔn)差可以看到,角部碳化系數(shù)的均值是非角部碳化系數(shù)的1.4倍。碳化系數(shù)越大,完全碳化區(qū)長度就越長,相反碳化殘量越小。

圖2為平均碳化深度隨時(shí)間的變化趨勢(shì)。當(dāng)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(dú)作用下,混凝土的完全碳化還未到達(dá)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(dá)鋼筋表面,鋼筋亦開始銹蝕。且氯離子侵蝕對(duì)結(jié)構(gòu)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(shí)間的19%(見表1)。

2.3.2 混凝土保護(hù)層銹脹開裂時(shí)間

混凝土碳化下的銹脹開裂時(shí)間計(jì)算結(jié)果見表2。隨著鋼筋銹蝕的發(fā)展,角區(qū)的銹蝕程度要比非角區(qū)的銹蝕程度越來越嚴(yán)重。氯離子侵蝕下的銹脹開裂時(shí)間僅為混凝土碳化下保護(hù)層銹脹開裂時(shí)間的29%,為混凝土碳化下鋼筋開始銹蝕時(shí)間的47%。即結(jié)構(gòu)在混凝土碳化下鋼筋還未開始銹蝕時(shí),結(jié)構(gòu)在氯離子侵蝕下混凝土的保護(hù)層早已銹脹開裂有十幾年。

表1 鋼筋開始銹蝕時(shí)間 年

表2 混凝土保護(hù)層的銹脹開裂時(shí)間 年

2.3.3 鋼筋截面積

隨著鋼筋銹蝕的發(fā)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(shí)間變化的對(duì)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(yán)重。鋼筋一旦開始銹蝕,由于銹蝕過程中Cl-的循環(huán)利用,Cl-對(duì)鋼筋的侵蝕就一直持續(xù),銹蝕量不斷增加,鋼筋剩余面積不斷減小。當(dāng)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(huán)境及海洋環(huán)境下混凝土強(qiáng)度平均值和標(biāo)準(zhǔn)差的經(jīng)時(shí)變化數(shù)學(xué)模型來考慮混凝土強(qiáng)度的經(jīng)時(shí)變化。同時(shí)選用送審稿提出的混凝土脹裂前、脹裂時(shí)、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(xié)同工作降低系數(shù),并選用牛荻濤給出的銹蝕鋼筋強(qiáng)度降低系數(shù),來考慮銹后結(jié)構(gòu)承載力的經(jīng)時(shí)變化。

表4給出了50年后混凝土碳化、氯離子侵蝕下結(jié)構(gòu)剩余承載力(考慮混凝土強(qiáng)度經(jīng)時(shí)變化)。50年后氯離子侵蝕下結(jié)構(gòu)平均剩余承載力是混凝土碳化結(jié)構(gòu)平均剩余承載力的63%。

表4 50年后構(gòu)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(qiáng)度的經(jīng)時(shí)變化)結(jié)構(gòu)剩余承載力隨時(shí)間變化的對(duì)比圖?？梢钥吹?考慮與不考慮混凝土強(qiáng)度的經(jīng)時(shí)變化對(duì)承載能力的影響很小,考慮值比不考慮值略高,實(shí)際工程中常不考慮混凝土強(qiáng)度的經(jīng)時(shí)變化,而是將其作為結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度儲(chǔ)備。

碳化下結(jié)構(gòu)剩余承載力在70年后才開始有下降趨勢(shì),100年后承載力下降了20%。氯離子侵蝕下的結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)承載力下降趨勢(shì)有所減弱,到100年,結(jié)構(gòu)剩余承載力僅為原承載力的36%,略大于作用效應(yīng)值。但實(shí)際情況要比理論計(jì)算的條件復(fù)雜,橋梁實(shí)際應(yīng)用中還會(huì)受到各種因素的影響,如橋梁建設(shè)施工質(zhì)量、使用中的沖撞、實(shí)際車輛荷載的增長等,將使得橋梁實(shí)際服役情況更不理想,難以達(dá)到設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期的要求。

2.4 計(jì)算結(jié)果分析

混凝土碳化下,截面角部位置碳化系數(shù)、平均碳化深度均比非角部位置碳化系數(shù)、平均碳化深度要大,相反碳化殘量要小。且隨著時(shí)間的增加,角區(qū)鋼筋銹蝕程度要比非角區(qū)越來越嚴(yán)重。但是相比碳化作用,氯離子侵蝕引起的鋼筋銹蝕程度嚴(yán)重得多。氯離子侵蝕引起的鋼筋開始銹蝕時(shí)間僅為混凝土碳化下的19%;氯離子侵蝕引起的混凝土保護(hù)層銹脹開裂時(shí)間僅為混凝土碳化下的29%,是碳化引起的鋼筋開始銹蝕時(shí)間的47%。氯離子侵蝕下的鋼筋面積損失嚴(yán)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(jié)構(gòu)所需抗彎承載力。

2.5 結(jié)論和建議

混凝土橋梁結(jié)構(gòu)耐久性退化問題是環(huán)境和荷載共同作用下的退化問題。不同的環(huán)境下橋梁有著不一樣的退化機(jī)理。一般大氣環(huán)境,混凝土無明顯腐蝕效應(yīng),不存在凍融損失和化學(xué)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(huán)境下橋梁退化的主要機(jī)理。

近海地區(qū)可能造成氯離子腐蝕的大氣環(huán)境,沿海地帶的潮汐區(qū)、浪濺區(qū)以及除冰鹽、摻加氯鹽的環(huán)境,混凝土橋梁結(jié)構(gòu)耐久性退化的主要機(jī)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(huán)境條件差異非常明顯,應(yīng)根據(jù)環(huán)境作用的區(qū)劃圖來指導(dǎo)我國混凝土橋梁的耐久性設(shè)計(jì)。

[1]標(biāo)準(zhǔn)編制組.混凝土結(jié)構(gòu)耐久性評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)(送審稿).2005.

[2]張 譽(yù),蔣利學(xué).混凝土結(jié)構(gòu)耐久性概論[M].上海:上海科學(xué)技術(shù)出版社,2003.

[3]金偉良,趙羽習(xí).混凝土結(jié)構(gòu)耐久性[M].北京:科學(xué)出版社,2002.

[4]牛荻濤.混凝土結(jié)構(gòu)耐久性與壽命預(yù)測(cè)[M].北京:科學(xué)出版社,2003.

[5]吳年超,徐一卓.鋼筋混凝土受彎構(gòu)件恢復(fù)力模型研究[J].山西建筑,2009,35(1):106-107.