受SO2腐蚀的钢筋混凝土结构的服役特征.pdf
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1、2 0 1 1年 第 3期 (总 第 2 5 7 期 ) Nu mb e r 3 i n2 01 1 ( T o t a l No 25 7) 混 凝 土 Co nc r e t e 理论研究 THE0RE TI CAL RES EARCH d o i : 1 0 3 9 6 9 i s s n 1 0 0 2 3 5 5 0 2 0 1 1 0 3 0 1 1 受 S O 2 腐蚀的钢筋混凝土结构的服役特征 闫运起 ,尹一涵 。周佳俊 2 ( 1 辽宁省建筑标 准设计研究院 ,辽 宁 沈 阳 1 1 0 0 0 3 ;2 东北大学 资源与土木工程学院 ,辽宁 沈 阳 l 1 0 0 0 4
2、) 摘要: 鉴于现阶段酸性气体作用对受力混凝土工作性能影 响研究 的匮乏 , 分 析了酸性侵蚀气体对服役钢筋混凝土结构可靠度的影响 , 给出了混凝土中和高度 、 混凝土损伤高度 和截面尺寸的时变规律及其与时变可靠度指标的关系。 并与一般大气环境条件对 比, 得到了酸性 侵蚀介质对受力混凝土结构产生加剧腐蚀 的定量结论。 对侵蚀介质环境下的建筑结构可靠性设计提供 了建设性理论指导 。 关键词 i 酸性气体 ;钢筋混凝土结构 ;时变 ;可靠度 中图分类号 : T U5 2 8 0 1 文献标 志码: A 文章编号 : 1 0 0 2 3 5 5 0 ( 2 0 1 1 ) 0 3 0 0 3 5
3、0 3 Se r vi c e c ha r ac t e r o f r e i nf or c ed c on c r e t e s t r uctur e i n a ci d g as e s SO2 Y AN 一 , Y I N Y i - h a n2 , Z HOUJ i a -j u n ( 1 L i a o n i n g I n s t i t u t e o f B u i l d i n g S t a n d a r d De s i g n a n d R e s e a r c h , S h e n y a n g 1 1 0 0 0 3 , C h i n
4、 a ; 2 S c h o o l o f R e s o u r c e a n dC i v i l E n g i n e e r i n g , No r t h e a s t e rnUn i v e r s i t y , S h e n y a n g 1 1 0 0 0 4 , C h i n a ) Abs t r a ct: Co ns i d e rin g s h o r t o f wo r k i n g p e r f o r ma n c e r e s e a r c h o f l o a d i n g c o n c r e t e s t r u
5、c t u r e u n d e r t h e i n flu e n c e o f a c i d g a s e s I n flu e n c e o f the a c i d c o r r o s i o n g a s e s o nthe r e l i a b i l i t y o fEx i s t i n gRC s t r u c tur ewa s a n a l y z e d Ti me - d e p e n de n t r u l e s o ft h e c o n c r e t e Sn e u t r a l i z i n gh e i t
6、 , d a ma g i ng h e i g h t , s e c t i o n a l d i me n s i o n a n d the r e l a t i o n s hip b e t we e n t i me d e pe n d e n t r e l i a b i l i t y i n d e x we r e g i v e n T he q u a n t i t a t i v e c o n c l u s i o n s wh a t a c i d c o r - r o s i o n me d i u m b r i n g s e r o s
7、 i v e d e t e r i o r a t i o n f o r l o a d i n g c o n c r e t e s t r u c t u r e we r e o b t a i n e d b y c o n tr a s t wi th th e g e n e r a l a i r e n v i r o n m e n t I t p r o v i d e s t h e c o n s t r u c t iv e t h e o r e t i c d i r e c t i o n for r e l i a b i l i ty d e s i
8、g n o f s t r u c tur e s in c o r r o s i o n me d i u m e n v i r o n me n t Key wor d s: a c i d g a s e s ; r e i nf o r c e d c o n c ret e s t r u c tur e; t i me de p e n d e n t ; r e l i a b i l i ty 0 引言 与般大气环境条件相比, 处于侵蚀介质使用环境中的服 役结构 , 其结构抗力随服役时间的推移而明显衰减 , 动态可 靠度显著下降, 使其在确定的设计基准期内难以完成预期设 计
9、使用功能。 G B 5 0 2 1 2 9 l 建筑防腐蚀工程施工及验收规范 和 G B 5 0 0 4 6 -9 5 ( 业建筑防腐蚀设计规范 主要是从被动 的防腐蚀和增加钢筋保护层厚度等构造要求方面来处理腐 蚀问题, 而受腐蚀结构与普通建筑结构在设计理论上却没有 本质 区别 , 这 显然 是不 科 学 的【 】 。 我 国是 酸雨 比较 严 重 的 国 家 , 由于酸雨 或酸性 气体对 混凝土腐 蚀所造 成 的损 失 的严 重 性 , 使得混凝土结构的腐蚀问题已引起了世界范围内的广泛 关注。 但令人遗憾的是, 迄今在国内外与混凝土耐久性研究有 关 的报道 中, 主要关注的是氯化物 对混凝土
10、 的腐蚀 问题 , 而对 于酸雨或酸性气体的影响较少涉及I 2 _ , 相关文献仅局限于数 学预测模型( Me h t a整体模型【 3 J 、 S a e t t a有限元模型4 j ) 、 试验研 究方 法I 】 、 以及 测试 手段 ( A u t o c l a m 法 _7 _ 、 Ul t r a s o n i c p u l s e v e l o c i t y me a s u r e me n t ) 等方面的研究, 而酸性气体与受力混凝 土作用的报道几近空白。 基于此, 本研究针对酸性侵蚀气体( S O : ) 作用下服役钢筋混凝土结构可靠度随时间的变化规律( 即时 变
11、可靠度) 进行了有益的探讨。 1 理 论 与 方 法 1 1 钢 筋特 性的 改 变 文献 9 通过试验研究了铜一 镍冶炼厂钢筋混凝 土构件在酸 性气体侵蚀介质( S O : 含量为 1 5 - 2 0 0 MF M。 ) 影响下, 混凝土和 钢筋的力学性能及材料强度损伤规律如下所述 : ( 1 ) 钢筋在腐蚀介质中锈蚀深度6由式( 1 ) 确定 : = 。 ( 。 ) + a ( I c - I 1 ) ete - tt ( 1 ) 式 中: n 经验系数 , a - t g a, 钢构件 a = 0 2 5 ; O - t 从开始使用到锈蚀开始时间; t c - t 混凝土中和的时间。 (
12、 2 ) 时变钢筋截面面积可表示 为 : A ( ) = 1( d - 2 8 ) 。 ( 2 ) ( 3 ) 受腐蚀钢筋不仅截面面积发生变化, 而且其机械及力 学性能也发生了变化 , 影响构件的承载力 。 钢筋屈服强度的损失 率为f : v = l 一 ) ( 3 ) 式中: 、 s 试验常数 , k = 1 0 9 , s 一0 1 ; d 钢筋的设计直径; d 。 锈蚀钢筋除锈后 的实际直径。 收稿 日期 :2 0 1 0 1 0 2 2 基金项目:国家自然科学基金资助项目( 5 1 0 7 8 0 6 5 ) ; 中央高校基本科研业务费项目( N 0 9 0 4 0 1 0 0 9 )
13、 ; 国家大学生创新性实验计划项目( 1 0 0 1 2 2 ) 35 ( 4 ) 当最大混凝土中和高度等于保护层厚度时, 钢筋开始 锈蚀 。 钢筋锈蚀开始 时间为 : 1 5 4 式 中: c 保护层厚度 。 1 2 混凝 土特 性 的改 变【 q ( 1 ) 二氧化硫等腐蚀性气体对混凝土强度的影响则比二氧 化碳大的多, 易造成混凝土剥落。 混凝土受腐蚀的过程是侵蚀介 质与混凝土的中性化过程。 中和高度随时间以指数变化 : h U - 1 2 0 e ( 5 ) 式中: 跨中混凝土中和高度, mm; f 服役时间。 ( 2 ) 混凝土损伤高度的变化规律为 : 8 = 8 5 e 一 ( 6
14、) 混凝土损伤高度和中和高度有如下关系式: 1 4 h p ( 7) ( 3 ) 当混凝土破坏高度 8 时, 混凝土开始破坏。 则混凝土 开始破坏的时间为 : 等 ( 8 )I n 1 3 时变可靠度 考虑时间因素在内的可靠度分析模型为结构的时变可靠 度分析模型, 求得的可靠指标为时变可靠指标, 可表示为: 式 中: ( ) 、 ( ) 结构构件时变抗力的平均值和标准差 ; Z s 、 o r 结构构件荷载效应的平均值和标准差。 当R, S 两个基本变量不按正态分布时, 应首先将其当量正态化。 2 算例 与分析 处于酸性气体侵蚀介质中的钢筋混凝土轴心受压柱 , 截 面 初始宽度和高度均为 1
15、0 0 0 mi n , 混凝土等级为 C 3 0 , 保护层厚度 为 2 5 I I U l I , 受力纵筋 1 6 + 2 5 。 恒载、 活载均值和标准差分别为: t z N - 9 4 5 0 k N , x y L =1 6 0 0 k N ; c r N o = 6 6 0 k N , O N L = 4 8 0 k N 。 试对其进行时变可靠性分析 。 2 1 时变计算抗力 轴心受压构件 的时变计算抗力表达式为 : R ( ) = 6 ( ) h ( t ( f ) 。 ( E( t ) ( 1 ) 材料强度和截面尺寸的统计参数。 C 3 0混凝 土: 1 4 1 , 6 =
16、0 1 9 ; 2 0 Mn S i 钢筋: = 1 1 4 , 6 = O 0 7 ; 钢筋截面面积 : x n A 1 0 , 6 A = O 0 8 ; 计算模式 : 1 0 , 8 a p = 0 0 5 。 ( 2 ) 材料强度和截面尺寸 的标准值。 f = 2 0 MP a f y k = 3 3 5 MP a b k =hk =l 0 0 0 r nlT l A 7 8 56 i nll l 2 2 时变计算抗力的统计参数 ( 1 ) 时变计算抗力 的均值 。 x R ( t ) ( t ( ) ( ( t ) = f a ( t ) b k ( ) h k ( ) + t z
17、n ( f ) A sI( ( t ) 3 6 ( 2 ) 时变计算抗力 的方差。 i ( ) ( ) ( ) R2 2 ( ) ( ) ( f ) ( f ) ( ) 6 l ( ) ( t ) ( 3 ) 时变计算抗力 的变异系数 。 今 : ! 2 出 ( f ) - z h ( t ) p 4 ( t ) 强( f ) = 坠 2 2 2 2 2 盟2 2 3 时变抗力的统计参数 ( 1 ) 时变抗力 的均值。 丽 ( 2 ) 时变抗力 的方差。 6 ( ) = 、 6 1 s 。 ( ) b k ( t ) = k ( ) = b k - 2 h A sk ( t ) = 1 4 n
18、 n ( d k 一 ) 式 中: n 纵筋根数。 2 4 计算结果分析 通过上述分析, 分别计算了处于一般大气环境下和酸生气体 中的钢筋混凝土轴心受压构件的时变可靠度, 见图 1 。 由计算可 得: 钢筋锈蚀开始时间t o = 2 2年; 混凝土开始破坏的时间t c = 2 8 年。 混凝土中和高度及混凝土损伤高度与时变可靠度的关系, 见图2 , 3 所示 。 构件截面尺寸 、 可靠度与服役时间的变化规律见图 4 所示。 服 役 时 间 年 图 1 时变可靠指标对比 ( 1 ) 从图 1 可知 : 与一般大气环境下对比, 在侵蚀介质作用 下, 构件受腐蚀导致损伤程度加剧, 其抗力水平 、 时
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