混凝土桥梁结构的等耐久性设计.pdf
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1、第 2 7卷 第 1 期 2 0 1 O年 3月 建筑科 学与 工程 学报 J o u r n a l 0 f Ar c h i t e c t u r e a n d C i v i l E n g i n e e r i n g Vo 1 2 7 No 1 M a r 2 01 O 文章编号 : 1 6 7 3 2 0 4 9 ( 2 0 1 0 ) 0 卜0 1 1 7 - 0 5 0 混凝土桥梁 结构 的等 耐久性设计 郭 猛 , 刘 洪 , 白文静 。 ( 1 北京交通大学 土木建筑工程学 院 , 北京1 0 0 0 4 4 ; 2 陕西省公路局 , 陕西 西安7 1 0 0 6 8
2、 ; 3 中国人 民解放军总装备部工程设计研究 总院 , 北京 1 0 0 0 2 8 ) 摘要 : 在对 6个矩形、 2个 T型、 2个 型混凝土梁进行风加速碳化试验的基础上, 结合已有工程检 测数 据 , 对 自然风环 境 下混凝 土桥 梁结构 的 等耐 久性设 计提 出了初 步 建议 。分析 结 果表 明 : 在 实 际 桥梁耐久性设计 中, 考虑风加速混凝土碳化具有重要 意义和 实用价值 ; 考虑风加速混凝土碳化的桥 梁结构等 耐久性 设计 方 法较传 统耐 久性设 计 方法 更加 科 学合 理 , 理 论上 避 免 了梁体 各 表 面耐 久 性 不等 的弊病 , 延 长 了桥 梁 结
3、构 的使 用年 限。 关键词 : 桥 梁结 构 ; 碳化 ; 混凝 土保 护 层厚度 ; 自然风 环境 ; 等耐 久性设 计 中图分 类 号 : TU3 7 5 1 文献标 志码 : A Eq u a l Du r a b i l i t y De s i g n o f Co n c r e t e Br i dg e S t r u c t u r e GUO Me n g ,L I U Ho n g 。 ,BAI W e n j i n g 。 ( 1 S c h o o l o f Ci v i l En g i n e e r i n g ,B e i j i n g J i a o
4、 t o n g Un i v e r s i t y,Be ij i n g 1 0 0 0 4 4,Ch i n a ;2 Hi g h wa y Bu r e a u o f Sh a a nxi Pr o vi n c e,Xi a n 71 00 6 8,Sha a nx i ,Chi n a;3 Ce n t e r f or Engi ne e r i ng De s i gn a n d Re s e a r c h Un d e r t h e He a d q u a r t e r s o f Ge n e r a l Eq u i p me n t ,PI A,Be i
5、j i n g 1 0 O O 2 8,Ch i n a ) Ab s t r a c t :Ba s e d o n c a r bo n i z a t i o n e x pe r i m e nt s o f 6 r e c t a ng ul a r,2 T t yp e a nd 2 1I t yp e c on c r e t e be a ms a c c e l e r a t e d by wi n d, c o m b i n i ng e x i s t i n g t e s t i n g da t a, s o m e p r i m a r y a d vi c
6、 e s we r e pu t f or wa r d a bo ut e qu a l d ur a b i l i t y de s i gn of c o nc r e t e b r i d ge s t r uc t u r e i nf l u e n c e d by wi n d i n na t u r a l wi nd e n v i r o nme nt Ana l yt i c a l r e s ul t s s ho w t ha t t h e c o nc r e t e c a r bo ni z a t i on a c c e l e r a t e
7、d b y wi n d wh i c h h a s i m p or t a nt s i g ni f i c a nc e a nd u s e v a l ue i s c o ns i de r e d Con c r e t e c a r b on i z a t i o n o f b r i dg e s t r uc t u r e a c c e l e r a t e d by wi nd whi c h i s m o r e r e a s on a bl e t ha n t r a d i t i on a l me t h o d i s c o ns i
8、de r e d The d e s i gn me t ho d c an a v oi d t he s h o r t a ge o f du r a bi l i t y u ne qu a l o n b e a m s e c t i o ns i n t h e o r y,a n d e xt e nd u s i ng t i m e o f br i d ge s t r uc t ur e Ke y wo r d s:b r i dg e s t r u c t ur e; c a r b o ni z a t i on;t h i c k ne s s o f c on
9、 c r e t e c o v e r ; n a t u r a l wi n d e nv i r on me nt ;e qu a l d ur a bi l i t y d e s i g n 引 目 通过 对 既有 混 凝 土结 构 的 耐久 性 检测 发 现 , 受 风影响不同的混凝土碳化情况不一样 : 前苏联学者 古谢诺夫对 巴库地区数 1 0座混凝土高压输 电塔碳 化情况 的调 查资 料表 明 , 长期 受 强 风 作用 的迎 风 面 混凝 土 和背 风 面 的混 凝 土碳 化 深 度 是 其 他 各 面 的 1 5 2 O 倍口 ; 笔者所在的课题组对中国川黔铁路 线 上使
10、 用 3 0余 年 的混 凝 土 桥 梁 耐久 性 检 测结 果 显 示 , 直接受风作用的迎风面碳化深度是不受风面的 1 1 5倍 J 。这 些 实 例 说 明 了裸 露 的混 凝 土 构 筑 物 长期受 风作 用其 各表 面碳 化速度 不一 致 的现象是 客 收稿 日期 : 2 0 0 9 1 1 1 0 作者简介 : 郭猛( 1 9 8 2 一 ) , 男 , 内蒙古赤峰人, 工学博士研究生 , E ma i l : g u o me n g 6 7 3 1 6 3 c o rn。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 1 1 8 建 筑科 学与 工程 学报 2
11、 0 1 0血 观存 在 的。 文献 3 中根 据 达 西定 律 和传 质 学 质 量传 递 原 理推导出了迎风面风加速混凝土碳化的数学模型, 将风压导致 C O 在混凝土 中渗透 引起的碳化转化 为求解混凝土中 C O 的质量浓度分布, 从而再确定 渗透碳化深度。文献 4 中进一步提 出了适用 于该 模 型 的 t 关 系式 , 即假设 混凝 土介 质 内的风压 P 与渗透碳化深度 z 、 外界风压 P 。和碳化时间 t 符合 某 一具 体 的函数 关 系 , 得 出介 质 内渗 透 碳 化深 度 -z 处酸性气体的浓度分布 , 最后求 出在外界给定风压 作用下 , 渗透引起的碳化深度与时间
12、的关系式。 为 了验 证 风 对混 凝 土碳 化 的影 响程度 , 观 察 结 构 不 同表面 ( 迎风 面 、 侧 风 面 、 背风 面及 间接 受 风 面 等) 的碳化差异, 在同济大学耐候实验室进行 了风加 速混凝 土碳 化 的试 验研 究 5 , 基本 掌握 了风 环境 下 不 同表 面混凝 土碳 化速 度受风 影响 的规律 以及 风加 速混凝土碳化的作用机理。笔者在试验研究和理论 分析的基础上, 结合混凝土高压输 电塔及铁路桥梁 的耐久性检测数据 , 以混凝土桥梁结构为研究对象, 对风环境下混凝土桥梁结构的等耐久性设计提出了 初 步建议 。 1 风加速混凝土碳化试 验 行风加速碳化试
13、验 , 分别测量风作用和无风作用混 凝 土试件 的碳 化深 度 , 观 察试 件 不 同受 风 作 用 面碳 化深度的差异。试件设计 以常见铁路、 公路桥梁截 面为原型 , 以影响混凝土碳化的主要因素为依据, 根 据耐 候实 验 室 的 风洞 条 件设 计 了 6个 矩形 、 2个 T 型 、 2 个 型 混凝 土 梁试 件 , 如 图 1所 示 , 括 号 内 的 数值为风压力系数。各试件混凝土试验参数如表 1 所示 。 目昌 ( a ) 截 面 ! H; l ( b ) T型梁 一 I c ( 一0 7 ) ! ! ! X三; 3 ( c ) I i 型梁 口 ( 一0 5 ) 图 1 梁
14、试件的形状及尺寸f 单位 : ram) Fi g 1 Sha pe a n d Di me n s i o n o f Be a m S p e c i me n s( Un i t : mm) 碳化试 验结 束 后 取 出混 凝 土 梁试 件 , 按 照 2 3 c m间距 切成 薄 片 , 用 质量 分 数 为 1 的酒 精 酚 酞 试 剂测 定试 件新 切 面 的碳化 深 度 , 整 理 试 验数 据得 无风作 用下 的混 凝 土平 均碳 化深 度 分别 为 : 矩 形 梁 2 6 9 4 mr f l 、 T型梁 7 7 5 1T i m、 型 梁 2 1 2 2 r n l T l
15、。以 无风作用下的混凝土碳化深度为基准值 , 计算得出 在 温度 、 相 对 湿 度 、 C O。 质 量 浓 度 相 同 的 条 件 风作用 下梁 体各 表面 的混凝 土碳化 深度 和无风作用 下 , 对相同材料配合 比、 相同尺寸的混凝土梁试件进 下碳化深度的比值。 表 1 风加速混凝土梁试件碳化的试验设计参数 Ta b 1 Exp e r i m e nt De s i g n Pa r a m e t e o f Co nc r e t e Ca r b o ni z a t i on f o r Be a m S p e c i m e n s Ac c e l e r a t e
16、d b y W i n d 梁试件类 型 矩形 T型 型 混凝土强度 等级 C1 5 C 3 5 C 1 5 水灰比 0 7 3 0 4 5 0 7 0 水 泥用 量 ( k g r l l - 。 ) 3 0 0 3 6 5 3 0 0 渗透系数 ( 1 0 。 m s ) 1 2 3 2 0 0 1 6 3 5 6 1 2 0 周期 d 3 5 1 6 2 1 风作用时间与总时间比 3 5 0 5 2 0 4 9 2 实验室条件 空气相对湿度( 6 5 5 ) , 室内温度 2 5。C3 o, C O2 质量分数( 1 5 2 ) 风的作用情况 3 4级风 , 采用间歇式对混凝土梁施加风作
17、用 矩 形梁各 表面 混凝 土碳化 深度 比值 为 xf -z 。z b: z 一 1 1 1:1 0 3:0 9 5:1( 1 ) T型梁各表面混凝土碳化深度比值为 X A: E: lz c: X B: X D: Z nw 1 1 8:1 0 5:1 5 1:1 3 2:1 4 0:1 ( 2 ) 型梁各表面混凝土碳化深度比值为 X A: X B: X C: X D: X E: Z F: Z n w 1 1 3:1 0 2:1 1 1:1 2 3 :1 2 5:1 2 7:1 ( 3 ) 式 中 : z 、 z 、 、 z 分别 为 迎风 面 、 侧 风 面 、 背 风 面 、 无风作用下的
18、碳化深度; A 、 、 z c 、 2 7 。 、 z 、 分别 为试 件相 应表 面 A、 B、 C、 D、 E、 F 的碳 化深度 。 分析风加速混凝土碳化试验现象及试验结果 , 并结合工程检测结论, 得出以下反映风作用对混凝 土碳 化影 响程度 的基本 规律 : ( 1 ) 风作用下 的混 凝 土碳 化 深度 大 于 无 风作 用 下的混凝土碳化深度。这是很多既有混凝土结构实 际碳 化速 度大 于预期碳 化速 度 的原 因之一 。实验 室 按 现行标 准进行 混 凝 土碳 化 试 验 时 , 应 该施 加 风 的 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 1期
19、郭猛 , 等 : 混 凝土桥 梁 结构 的等 耐久性 设计 1 1 9 作用 , 使其更加符合 自然界碳化的过程。 ( 2 ) 风 作用 到结 构 表 面形 成 的漩 涡 是 混凝 土碳 化加 速 的主要 因素之 一 。当风漩 涡作 用 到混凝 土表 面 时 , 由于 其杂乱 无 规则 的运动 特点 , 将不 断进 入混 凝 土孔 隙 中 , 在变 化 的风压作 用 下 , 混 凝土 表层 内部 的气体与外界大气的交换速度加 快, 酸性气体浓度 的补充 速度 加快 , 可 以 维持 在 一 个 相 对稳 定 且 接 近 外 界 大气 的浓度值 , 使 得碳化 加速 进行 。 ( 3 ) 风作
20、用到 结 构 表 面形 成 的 壕 沟效 应 是 混 凝 土碳化 加速 的另一 个 主要 因素 。不 管结 构 的尺 寸大 小如何 , 壕沟 内的混凝土由于受到壕 沟效应和二次 风 流场作 用 , 其 碳化 深度 都 将 大 于外 部 混 凝 土 表 面 的 , 这就从 另一 个方 面解 释 了风 环境 下 构 件 各 表 面 的混凝土 碳 化 深 度 都 大 于 无 风 状 态 下碳 化 深 度 的 原 因 。 ( 4 ) 混 凝土 的渗 透碳化 深度 由风 的压力 、 风 的漩 涡 、 构件壕 沟效应 3种 因素 共 同作 用 所致 , 而这 3种 加速碳 化 机制 的加速 效果均 与结
21、构表 面形状 的复杂 程度 有关 , 因此混 凝 土结构 表面形 状越 复杂 , 风对 其 碳化 的加速 作用越 大 。 ( 5 ) 风加速高强度混凝 土碳 化的效果更 明显。 随着混凝 土 强度等 级 的提 高 和 密实 度 的增 加 , 受 风 影 响而增 加 的碳化 深 度 绝对 数 值 减 小 , 但 所 占总碳 化 深度 的 比重 增加 , 风对 混 凝 土碳 化 的影 响 形 式 由 风 压加速 混凝 土碳 化为 主转 向风 的漩 涡加 速 混凝 土 碳化 为主 。 2 等 耐久性设计 2 1 传 统混凝 土结 构保 护层设 计 的缺点 实 际铁 路 、 公 路桥梁 中混凝土 梁体
22、 截面 以矩形 、 T型和工 字型 为 主 , 其 耐久 性 失 效 多首 先 表 现 在 截 面角 区( 易受 风吹雨 淋 的上翼缘 板 角 区 , 以及 直接受 风 吹作用 的梁截 面受 拉部 位角 区) , 即混凝 土 因锈胀 裂 常发生 在构件 截 面的角 区 。 对 于混凝土 保护 层 的取值 , 混凝 土结 构设 计规 范 ( GB 5 0 0 1 0 - 2 0 0 2 ) l 7 的规 定 略 显 得 简 单 , 工 程 调查 和耐久 性分 析 均表 明现 行 规 范 中对 复 杂 、 恶 劣 环境下 保护层 的取 值 偏 小 , 导 致 结 构 耐久 性 的可 靠 度 偏低
23、。就本 文 中所研 究 的风 对 混凝土 碳化 的影 响 而言, 在非严寒 ( 或严寒) 地 区, 因地理位置、 地形地 貌及 环境 不 同 , 风 的分布 规律 大不相 同 , 导致 在其他 条件 相 同的情 况下 , 混凝 土碳化 速度 也必 然不 一致 , 会 出现风 分布较 强地 区 的结构混 凝 土碳化 速度 过快 而导致钢筋发生提前脱钝锈蚀现象。具体到同一地 区同样的风环境下 , 也可能存在因结构形状各异而 导致 受风 影 响较大 的混凝 土结 构 的耐久 性提 前失 效 的现 象 。 2 2 设计 建 议 钢 筋 混 凝 土桥 梁 表 面很 少 进 行覆 盖 , 其 保 护层 受
24、风 吹 日晒雨淋 , 碳 化 速 度 加快 而易 导 致 耐 久性 的 破 坏 , 梁 体表 面 耐久 性不 等 的现 象 十 分 明显 。由于 桥 梁在 交通 中的重 要性 , 耐久 性 的破 坏 对其 影 响远 大于一般 民用建筑, 如位于繁忙铁路线上的桥梁更 换 , 除 旧桥 的拆 除费 用 、 新 桥 的 建 设 费用 外 , 中断 交 通 还带来 巨大 的间 接损 失 , 因此 混 凝 土 桥梁 耐 久 性 设计 实 际上是 既考 虑 眼前利 益又兼 顾 长远利 益 的耐 久性 优化 设计 。 对既 有混凝 土 结构及 混凝 土桥 梁结 构保 护层 的 设计 问题 , 部分 学 者
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- 混凝土 桥梁 结构 耐久性 设计
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