预应力桥梁结构耐久性研究.doc

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1、预应力桥梁结构耐久性研究【摘 要】预应力桥梁有良好的使用性能和较好的跨越能力，在桥梁建设中广泛应用，本文以可靠度基本理论应用到桥梁结构耐久性为出发点，介绍了预应力桥梁结构耐久性的影响因素，并提出了耐久性极限状态的基本含义及其在结构耐久性研究中的应用。【关键词】预应力桥梁；耐久性；可靠度；极限状态引言混凝土的耐久性最早开始于海工结构的腐蚀问题，随着配筋混凝土结构的大量使用，耐久性腐蚀问题逐渐频繁的出现，近年来在预应力混凝土耐久性研究方面，刘荣桂等针对现代预应力混凝土的失效特点和结构耐久性的具体要求，提出了耐久性设计的主要内容，并给出了结构构件耐久性极限状态的定义形式。陈妤等以氯盐循环为出发点分析

2、了影响预应力混凝土结构耐久性的主要因素，将可靠度理论作为结构耐久性设计方法。预应力混凝土结构耐久性分析的主要内容包括两类问题，一类是结构内在制约因素包括结构混凝土的保护层、混凝土标准强度、水胶比、配合比、水泥标号及用量、混凝土内部含水量、外加剂、构件类型、钢筋型号和位置、结构的应力状态以及结构开裂情况等。另一类为结构外部环境条件，包括温度、湿度、二氧化碳浓度、氯离子浓度、酸雨、土壤条件、冻融情况等。混凝土结构耐久性分析可以从环境层次、材料层次、构件层次以及结构层次上进行分析。1 基于可靠度的桥梁结构耐久性及影响因素分析1.1 可靠度的基本概念和原理结构可靠度是限定时间和规定约束条件下，结构的安

3、全、适用和耐久性等能够达到预定功能。结构的可靠度是对结构功能的定性描述，可以通过可靠度指标进行概率度量，结构可靠度限定的时间即代表耐久性寿命，在设计上为设计基准期。结构的可靠度可以简化为结构的作用效应S和结构抗力效应R之间的逻辑关系，结构抗力表示桥梁结构抵抗破坏和变形的能力，包括极限弯矩、最大挠度、最大应力限值等，作用效应代表外荷载产生的内力和变形。当作用效应S大于抗力R时，结构功能就不能正常完成，此时可以用结构功能失效概率来表示，反之为可靠概率。1.2 可靠度分析方法一次二阶矩法将结构功能函数作为变量的线性函数，变量的一阶矩和二阶矩为概率特征，非线性的功能函数可以在设计点做泰勒展开，近似得到

4、一次式线性函数。二次二阶矩法则主要应用于非线性较高的功能函数，其实质是采用数值逼近的原理，运用拉普拉斯变换解决功能函数中非线性影响的二次项，目前工程中常运用的方法为一次二阶矩法，二次二阶矩法还没能普遍使用。蒙特卡罗法是以数理统计为基础，采用抽样理论近似求解数学或物理问题，这种方法随着计算机的进步而发展起来，首先建立相似性的概率模型，然后通过特征和数学问题联系起来，通过计算机进行随机模拟和抽样统计，利用得到的结果统计估计值作为数学的近似数解。优势在于不需要对功能函数进行线性处理，没有大量反复的计算工作，能够直接求解结构可靠度指标，容易控制产生的模拟误差，常用于复杂结构的可靠度指标分析中。1.3

5、时变可靠度寿命预测方法结构的可靠度是在一定时期内的动态问题，功能函数中包含的作用效应和抗力效应都和时间有关，例如结构使用期内，设计荷载时一个随机过程当作用荷载对应的时间域发生变化时，设计基准期也就相应变化了。结构荷载和抗力在偶然因素的影响下，都会随着时间成为随机函数，所以采用时变可靠度来分析结构的耐久性更为符合实际情况。 这样静态的可靠度模型就转化为时变可靠度模型问题。那么，只要求解出失效概率沿时间轴变化的规律，就能明确失效概率对应的时间域，预测桥梁结构的使用寿命问题也就简单了。由于时变可靠度的基准期是不断变化的，可以采用时变综合法将整个服役期的基准期作为一个整体参考时间段，在整个服役期内考虑

6、结构抗力和荷载变化情况。2 预应力混凝土桥梁结构耐久性影响因素2.1 混凝土碳化腐蚀空气中的二氧化碳会逐渐进入到表面混凝土材料，和其中的碱性化合物发生化学反应生成碳酸钙，也即是混凝土的碳化反应。碳化反应主要受混凝土自身的密实度和碱性强弱的影响，环境的温度和湿度等则会影响反应的速率。碳化反应初期会使混凝土材料的密实度和表面强度有所增加，但随着时间的增长，强度会逐渐减弱，反应消耗碱性材料，钢筋会因为失去碱性材料的保护出现失钝问题，对于高应力状态下的钢筋更为不利，碳化反应还会加剧混凝土的收缩变形，在钢筋锈胀的作用下出现开裂现象，钢筋和混凝土的粘结力降低，保护层剥落。2.2 氯离子的扩散侵蚀氯离子主要

7、通过混入和扩散两种方式进入到混凝土结构中，包括混凝土外加剂、海砂以及含氯离子的水等，在近海、盐湖等外界环境中含有的氯离子也会逐步进入材料内部，造成钢筋表面的腐蚀。氯离子对混凝土的破坏主要变现在钢筋表面的钝化膜会遭到破坏，失去保护作用，在混凝土内部形成腐蚀电池，导致钢筋表面因电化学作用形成局部腐蚀坑。具有去极化作用，在造成钢筋锈蚀作用的前提下本身数量不会减少，腐蚀作用不停的进行下去。2.3 钢筋锈蚀作用钢筋锈蚀问题是结构耐久性的主要问题，按照作用机理的不同钢筋表面的腐蚀可以分为化学腐蚀和电化学腐蚀。混凝土内部具有碱性材料，当碱性环境发生变化时，对钢筋起到保护作用的钝化膜就会遭到破坏，化学腐蚀是由

8、氧化作用或非电解质溶液引发的具有化学性质的腐蚀，在较高温度下这种反应速度较快。电化学腐蚀则产生腐蚀电流，钢筋腐蚀对结构耐久性的破坏不仅表现在钢筋的有效面积上，而且会引起受力钢筋的应力集中现象，进一步加剧结构的衰减破坏。2.4 预应力钢筋的应力腐蚀预应力钢筋的应力腐蚀可以分为三个阶段，第一阶段应力腐蚀发生初期，钢筋局部发生腐蚀，在拉应力的作用下出现金属裂纹；第二阶段裂纹开始发展，局部微小的裂纹逐步发育扩展，发展为小的裂缝；第三阶段为破坏阶段，拉应力作用下，细小裂纹急剧增长，最终导致钢筋材料的整体强度下降而破坏。3 预应力桥梁耐久性极限状态分析3.1 耐久性极限状态的概念预应力桥梁的耐久性极限状态

9、为构件达到使用功能允许的限值状态，桥梁的耐久性要求和正常使用功能要求是相一致的，结构耐久性极限状态的制定可以参考正常使用极限状态的方法和内容。当构件出现下列条件就可以认为达到了耐久性极限状态。外观变形影响了正常使用，过大的变形可能导致桥梁结构的开裂，桥面积水等，给人的心理上造成不安全感；局部破坏影响了桥梁使用的耐久性，例如结构开裂，裂缝宽度达到了限值规定；出现较大的振动或其他特定状态。3.2 预应力桥梁耐久性极限状态混凝土结构构件的耐久性极限状态有三种：当钢筋开始发生锈蚀的极限状态；钢筋发生适量锈蚀的极限状态；混凝土表面有轻微损伤的极限状态。预应力钢筋处于高应力状态下，一旦发生应力腐蚀，后续的

10、应力失效会给结构耐久性带来巨大的隐患，普通钢筋的锈蚀导致外观损坏也会造成耐久性的下降，所以耐久性的极限状态为预应力钢筋初锈、普通钢筋保护层开裂和预应力腐蚀导致截面受力开裂三个阶段。3.3 耐久性设计和评定的可靠指标结构耐久使用功能指标要反映结构在生命过程中的基本工程特性要求，并符合人们对风险的承受能力，满足经济投资等条件，耐久性可靠指标还能够为结构的维修、加固、拆除等提供依据。耐久性的指标可以通过可靠度和风险分析两方面来确定。【参考文献】1张德峰，吕志涛.现代预应力混凝土结构耐久性的研究现状及其特点J.工业建筑，2000，30（11）：1-4.2刘荣桂，陆春华.大气环境下预应力结构的耐久性设计理论J.江苏大学学报：自然科学版，2006，l（27）：4-6.3薛鹏飞.预应力混凝土连续刚构桥结构.性能退化预测评估研究D.杭州：浙江大学，2009.4刘海，姚继涛，牛荻涛.一般大气环境下既有混凝土结构的耐久性评定与剩余寿命预测J.建筑结构学报，2009，30（2）：20-23.6