考虑氯离子侵蚀的桥梁时变可靠度分析.pdf
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1、第 卷 第 期 年 月湖南交通科技 ,收稿日期:?作者简介:欧阳京亚(),男,工程师,主要从事公路养护与检测管理工作。文章编号:?()?考虑氯离子侵蚀的桥梁时变可靠度分析欧阳京亚(长沙理工检测咨询有限责任公司,湖南 长沙 )摘要:氯离子侵蚀下的钢筋锈蚀严重影响桥梁结构的耐久性,极端情况下甚至会导致桥梁结构的失效。利用菲克第二定律,推导了氯离子侵蚀下的钢筋锈蚀开始时间,并据此推导了不同锈蚀模式下的钢筋屈服荷载以及桥梁结构的抗力,得到了氯离子侵蚀下的桥梁时变可靠度计算方法。基于蒙特卡洛模拟法,利用 ,对受氯离子侵蚀影响的某钢筋混凝土桥进行了研究。结果表明:随着桥梁服役时间增加,钢筋的截面面积不断减
2、小,并且非均匀锈蚀下的钢筋截面面积较均匀锈蚀减小得更快;在氯离子侵蚀的环境下,桥梁构件和系统可靠度均在不断下降,当锈胀导致混凝土开裂后,桥梁可靠度下降较快,并且将导致各构件失效;非均匀锈蚀模式下的桥梁可靠度较均匀锈蚀模式下的可靠度下降更快,并且非均匀锈蚀模式下的桥梁失效更早。关键词:桥梁;氯离子侵蚀;可靠度;钢筋中图分类号:文献标志码:引言在钢筋混凝土桥梁服役期间,外界环境中的氯离子会通过混凝土保护层侵入混凝土内部并产生电化学反应,导致钢筋锈蚀。钢筋锈蚀不仅会消耗原钢筋,还会在钢筋与混凝土之间的界面产生锈胀物。随着锈蚀的进行,锈蚀产物不断积累终将导致混凝土开裂,开裂后氯离子侵入混凝土内变得更加
3、容易,钢筋锈蚀加速,严重影响桥梁结构的可靠度。氯离子侵蚀下的钢筋锈蚀是导致桥梁结构抗力以及可靠度下降的最主要原因之一 。因此,对氯离子侵蚀下的桥梁可靠度研究是十分有必要的。目前,对于氯离子侵蚀下的钢筋锈蚀问题,国内外研究人员主要是从材料层次上对其进行研究 ,对氯离子侵蚀下的桥梁可靠度研究较少。为此,本文基于菲克第二定律提出了一种氯离子侵蚀下的桥梁时变可靠度计算方法,运用蒙特卡洛模拟法,利用 软件,对受氯离子侵蚀影响的某钢筋混凝土梁桥进行了实例研究。氯离子侵蚀下的钢筋锈蚀引起桥梁结构中钢筋锈蚀的 种主要机制是:混凝土碳化和氯离子侵蚀。其中,氯离子侵蚀引起的钢筋锈蚀相较于混凝土碳化引起的锈蚀更严重
4、,并且对桥梁结构的破坏也更大 。因此,本文主要研究氯离子的侵蚀对桥梁结构时变可靠度的影响。氯离子侵入混凝土内导致钢筋锈蚀是一个十分复杂的过程,是渗透、吸入以及扩散等形式的结合体。其中,扩散过程可将其简化为一维扩散,该过程应符合菲克第二定律 ,即:(,)(,)()式中:表示桥梁结构的服役时间;表示混凝土内某位置与混凝土表面之间的距离,即氯离子的扩散深度;(,)表示 时刻距离混凝土表面 处的氯离子浓度;表示氯离子的扩散系数。假定桥梁结构服役初期,其混凝土内的氯离子浓度为 ,即初始条件可表示为:(,)()期欧阳京亚:考虑氯离子侵蚀的桥梁时变可靠度分析根据边界条件可得:(,)()式中:表示混凝土表面氯
5、离子浓度,与桥梁结构所处环境中的氯离子浓度相等。将式()、式()代入式()可得 时刻、锈蚀深度为 处的氯离子浓度为:(,)(槡)()式中:()表示误差函数。那么,时刻钢筋表面的氯离子浓度可以表示为:(,)(槡)()式中:表示混凝土保护层厚度。因此,若已知钢筋即将锈蚀时的氯离子浓度,即临界氯离子浓度,则桥梁结构中钢筋锈蚀开始的时间可以表示为:()()式中:表示初始氯离子浓度。不同锈蚀模式下的钢筋屈服荷载当桥梁结构中混凝土内的氯离子浓度大于临界氯离子浓度时,混凝土内的钢筋就会发生锈蚀。目前,国内外学者将钢筋的锈蚀模式主要分为均匀锈蚀和非均匀锈蚀。对于锈蚀后钢筋屈服荷载的分析,首先需要得到钢筋的锈蚀
6、速率。目前,通常是基于法拉第锈蚀定律,通过非破坏性试验中的锈蚀电流密度来表征钢筋锈蚀速率,它们之间的关系可以表示为 :()式中:表示氯离子侵蚀下的钢筋平均锈蚀速率;表示钢筋锈蚀电流密度。锈蚀电流密度可根据文献 中的经验公式得到,可表示为:()()()式中:表示水灰比,(),表示混凝土强度。那么在 时刻,氯离子侵蚀下的钢筋锈蚀深度可以表示为:()(),()均匀锈蚀模式下的钢筋屈服荷载对于均匀锈蚀模式下的钢筋屈服荷载,本文采用袁迎曙等 提出的钢筋均匀锈蚀模型,均匀锈蚀模式下的钢筋截面面积计算模型如图 所示,则均匀锈蚀模式下的钢筋截面面积可以表示为:()()()式中:为未发生锈蚀时的钢筋直径。那么,
7、均匀锈蚀模式下钢筋的屈服荷载为:()()()式中:为钢筋未锈蚀时的屈服强度;为均匀锈蚀模式下钢筋的屈服荷载。图 均匀锈蚀模式下的钢筋截面面积计算模型 非均匀锈蚀模式下的钢筋屈服荷载本文根据文献 中钢筋非均匀锈蚀的局部锈蚀模型,得到了锈蚀后钢筋截面面积的计算模型,如图 所示。图 非均匀锈蚀模式下的钢筋截面面积计算模型根据图 ,再通过几何关系可得锈蚀后钢筋的截面面积为:湖南交通科技 卷()()()()(),()槡()()()(),槡()()式中:()、()以及 ()均可由几何关系得到,如式()所示。()()()槡()()()()()()则非均匀锈蚀模式下的钢筋屈服荷载可以表示为:()()()式中:
8、为非均匀锈蚀模式下钢筋的屈服荷载。锈蚀后钢筋混凝土梁时变可靠度分析 锈蚀后钢筋混凝土梁的抗弯承载力未发生锈蚀时,钢筋混凝土 型梁的抗弯承载力可以表示为:()()式中:为锈蚀前钢筋截面面积;为 型梁翼缘宽度;为形心至梁顶之间的距离;为混凝土抗压强度。那么锈蚀后,时刻 梁的抗力为:()()()()式中:()为钢筋与混凝土之间的协同系数,可根据文献 计算得到。桥梁的恒载与活载分析桥梁结构中的恒载通常指桥梁各构件以及桥面系的自重,文献 对恒载进行了组合统计,指出恒载随机变量服从正态分布,其中变异系数取 ,均值取 。本文对于桥梁活载的分析,主要采用文献 给出的概率密度函数,如式()所示:()槡 ()()
9、锈蚀后钢筋混凝土桥梁的时变可靠度 时刻,第 根梁的钢筋发生锈蚀后的时变可靠度可表示为:()(,)()式中:、分别为恒载作用下的概率密度函数和活载的泊松率,(,)计算如式()所示。(,)()()()式中:()为活载的分布函数,可根据式()求得。桥梁是由多个构件组成,通常桥梁中的某根梁失效,就会导致整个桥梁结构的失效,因此可以将桥梁视为有 根 梁串联而成,则桥梁的整体可靠度可表示为:()()()算例分析 工程概况本文选取湖南省内某钢筋混凝土简支梁桥,该桥的横截面如图 所示,该桥共有 跨。梁的横截面如图 所示,梁底部配有 根钢筋,包括 根直径为 的钢筋和 根直径为 的钢筋,其中梁的混凝土强度等级为
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