雷艷麗，施小明

（黃河水利職業(yè)技術(shù)學(xué)院，河南 開封 475004）

0 引言

鋼筋混凝土T 型簡支梁是鋼筋混凝土簡支梁橋常用的主梁形式，主梁耐久性直接影響橋梁結(jié)構(gòu)的耐久性。 橋梁結(jié)構(gòu)耐久性問題已引起了國內(nèi)外業(yè)界越來越多的關(guān)注，相關(guān)的研究已經(jīng)取得較多成果，但大多數(shù)研究僅僅關(guān)注材料本身的耐久性問題，有些研究成果還不易量化，實(shí)際應(yīng)用受到限制。 關(guān)于橋梁這種多種構(gòu)件結(jié)構(gòu)體系的耐久性研究還較欠缺，這對結(jié)構(gòu)耐久性的評(píng)定十分不利。針對我國存在的大量混凝土橋梁的現(xiàn)狀，開展橋梁結(jié)構(gòu)耐久性評(píng)定研究已勢在必行。 本文試針對鋼筋混凝土簡支梁橋的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，基于現(xiàn)有的鋼筋混凝土耐久性研究成果，采用多指標(biāo)分級(jí)加權(quán)法為其受力主梁——T型梁建立耐久性指標(biāo)。

1 鋼筋混凝土簡支梁橋耐久性劣化的機(jī)理分析及其相關(guān)的預(yù)測模型

通過對有關(guān)橋梁耐久性的分析和調(diào)查可知，影響鋼筋混凝土簡支梁橋耐久性的最主要因素是混凝土的碳化以及鋼筋的銹蝕。

1.1 混凝土碳化

混凝土碳化會(huì)降低混凝土的堿度（完全碳化的混凝土pH 值約為8.5～9.0）,引起混凝土中的鋼筋脫鈍，給混凝土中鋼筋銹蝕帶來不利的影響。 而且，隨著年份的增長，混凝土的碳化速度也會(huì)加快[1]。 因此，碳化與混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性密切相關(guān)，是衡量鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)物可靠度與耐久性的重要指標(biāo)。 朱安民[2]采用經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ徒o出了預(yù)測混凝土碳化深度的公式，如公式（1）所示。

式中：X 為碳化深度，mm；K 為混凝土碳化速度系數(shù)；t 為碳化時(shí)間，年；為混凝土的水灰比；r1為水泥品種影響系數(shù)，礦渣水泥取1.0，普通水泥取0.5～0.7；r2為粉煤灰影響系數(shù)，取代水泥量小于15%時(shí)取1.1；r3為氣象條件影響系數(shù)，中部一般地區(qū)取1.0，南方潮濕地區(qū)取0.5～0.8，北方干燥地區(qū)取1.1～1.2。

1.2 鋼筋銹蝕

鋼筋腐蝕的直接結(jié)果是鋼筋的截面面積減小。不均勻銹蝕導(dǎo)致鋼筋表面凸凹不平，產(chǎn)生應(yīng)力集中現(xiàn)象，使鋼筋的力學(xué)性能退化（如強(qiáng)度降低、脆性增大、延性變差），導(dǎo)致構(gòu)件的承載能力、結(jié)構(gòu)的耐久性降低。 一般用混凝土保護(hù)層銹脹開裂的時(shí)間來表征鋼筋銹蝕情況。

鋼筋銹蝕后，銹蝕產(chǎn)物的體積是原來體積的3～4 倍。從而使鋼筋周邊混凝土受到膨脹壓力，造成混凝土保護(hù)層沿鋼筋開裂。 混凝土保護(hù)層銹脹開裂時(shí)間可由公式（2）確定[3]：

式中： δcr為混凝土保護(hù)層銹脹開裂時(shí)鋼筋銹蝕深度，mm； λel為保護(hù)層銹脹開裂前的鋼筋銹蝕速度，mm/年；tcr為鋼筋開始銹蝕到銹脹開裂的時(shí)間，年。

混凝土保護(hù)層銹脹開裂時(shí)變形鋼筋銹蝕深度計(jì)算公式[3]為：

式中：c 為混凝土保護(hù)層厚度，mm；d 為鋼筋直徑，mm；fcu 為混凝土立方體抗壓強(qiáng)度，MPa；kcrs為鋼筋位置影響系數(shù)，角部鋼筋取1.0，非角部鋼筋取1.35。

混凝土保護(hù)層開裂前鋼筋銹蝕速度計(jì)算公式[3]為

式中： λel為銹脹開裂前的鋼筋銹蝕速度，mm/年；kcr為鋼筋位置修正系數(shù)，角部鋼筋取1.6，中部鋼筋取1.0；kce為小環(huán)境條件修正系數(shù)，建議潮濕地區(qū)室外環(huán)境kce取3.0～4.0，潮濕地區(qū)室外環(huán)境kce取1.0～1.5，干燥地區(qū)室外環(huán)境kce取2.5～3.5，干燥地區(qū)室內(nèi)環(huán)境kce取1.0；c 為混凝土保護(hù)層厚度，mm；fcu為混凝土立方體抗壓強(qiáng)度，MPa；T 為環(huán)境溫度，℃；RH 為環(huán)境濕度，%。

2 鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)壽命評(píng)估的準(zhǔn)則

結(jié)構(gòu)的壽命準(zhǔn)則是判斷結(jié)構(gòu)壽命的依據(jù)。 在進(jìn)行結(jié)構(gòu)耐久性壽命預(yù)測或評(píng)估之前，要用結(jié)構(gòu)的壽命準(zhǔn)則來判斷結(jié)構(gòu)的功能是否失效。 目前，在鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)耐久性評(píng)估中，主要有以下幾種壽命準(zhǔn)則。

2.1 碳化壽命準(zhǔn)則

碳化壽命準(zhǔn)則是以保護(hù)層混凝土碳化、失去對鋼筋的保護(hù)作用、使鋼筋開始產(chǎn)生銹蝕的時(shí)間作為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的壽命。 到目前為止，基本上是以混凝土碳化深度達(dá)到鋼筋表面作為鋼筋開始銹蝕的標(biāo)志。 這一準(zhǔn)則比較適合不允許鋼筋銹蝕的鋼筋混凝土構(gòu)件（如預(yù)應(yīng)力構(gòu)件等）。 但對于大多數(shù)混凝土結(jié)構(gòu)來說，以鋼筋開始銹蝕作為結(jié)構(gòu)使用壽命終止的標(biāo)志，顯然過于保守，也不太現(xiàn)實(shí)。

2.2 裂縫寬度與鋼筋銹蝕量限制壽命準(zhǔn)則

這一準(zhǔn)則認(rèn)為，銹脹裂縫寬度或鋼筋銹蝕量達(dá)到某一界限值時(shí)，壽命終止。 參照國內(nèi)中國建筑科學(xué)研究院、同濟(jì)大學(xué)，以及日本、德國和歐洲規(guī)范的部分研究成果，鋼筋混凝土使用壽命可偏保守地采用T=ta+tb（年）[4]來表示。 其中，ta為混凝土碳化深度達(dá)到鋼筋表面的銹蝕初始時(shí)間，年；tb為鋼筋開始銹蝕到引起混凝土開裂的時(shí)間，年。

2.3 銹脹開裂壽命準(zhǔn)則

銹脹開裂壽命準(zhǔn)則是以混凝土表面出現(xiàn)沿鋼筋的銹脹裂縫所需時(shí)間作為結(jié)構(gòu)的使用壽命。 這一準(zhǔn)則認(rèn)為，混凝土中的鋼筋銹蝕使混凝土產(chǎn)生縱向裂紋以后，鋼筋銹蝕速度明顯加快。 于是，將這一界限視為危及結(jié)構(gòu)安全，需要維修加固的前兆。 早在20 世紀(jì)80 年代初，Tuutti[5]就提出基于鋼筋銹蝕的結(jié)構(gòu)構(gòu)件使用壽命兩階段預(yù)測模型，對于一般大氣環(huán)境而言，結(jié)構(gòu)使用壽命T=tc+td。 其中，tc為混凝土保護(hù)層完全碳化、鋼筋脫鈍開始銹蝕的時(shí)間；td為因鋼筋銹蝕發(fā)展導(dǎo)致結(jié)構(gòu)構(gòu)件達(dá)到耐久性極限狀態(tài)的時(shí)間。

3 鋼筋混凝土T型簡支梁耐久性指標(biāo)

鋼筋混凝土T 型簡支梁作為一個(gè)建筑實(shí)體，影響其耐久性的因素很多。 以上3 種壽命評(píng)估準(zhǔn)則都有其不足。 為此，本文把這3 種壽命準(zhǔn)則結(jié)合起來，給出耐久性指標(biāo)，即用碳化深度等于保護(hù)層厚度的時(shí)間t1作為反映結(jié)構(gòu)耐久性的指標(biāo)；用混凝土保護(hù)層銹脹開裂的時(shí)間t2作為反應(yīng)結(jié)構(gòu)耐久性的指標(biāo)。各指標(biāo)對T 型簡支梁耐久性的影響用權(quán)重來表示，權(quán)重用層次分析法來確定，各指標(biāo)在各自的壽命準(zhǔn)則下又是獨(dú)立的，故本文采用加權(quán)法給出T 型簡支梁耐久性指標(biāo)。

3.1 T型梁耐久性指標(biāo)

T 型簡支梁耐久性指標(biāo)表達(dá)式為

式中：β 為簡支T 型梁的耐久性指標(biāo)，年；t1為碳化深度等于混凝土保護(hù)層厚度所用的時(shí)間，年，可由公式（1）得出；t2為混凝土保護(hù)層銹脹開裂的時(shí)間，年，可由公式（2）得出； 1、 2 為權(quán)重，用層次分析法計(jì)算。

3.2 層次分析模型及權(quán)重確定

層次分析法 （Analytic Hierarchy Process 簡記AHP）[6～8]是一種層次權(quán)重決策分析方法。本文建立的層次結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

采用圖1 所示的層次結(jié)構(gòu)圖，通過對T 型梁耐久性指標(biāo)各影響因素的分析，并參考其他資料，給出主梁判斷矩陣：

通過一致性檢驗(yàn)，可用其歸一化特征向量w 作為權(quán)向量。

4 結(jié)語

圖1 遞階層次結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Hierarchy structure

綜上所述，通過對有關(guān)橋梁耐久性的分析和調(diào)查，認(rèn)為影響鋼筋混凝土簡支T 型梁耐久性的最主要因素是混凝土碳化和鋼筋銹蝕。 根據(jù)現(xiàn)有研究成果，給出碳化深度和鋼筋銹蝕時(shí)間的計(jì)算方法，并綜合考慮鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)壽命評(píng)估的準(zhǔn)則，提出反映結(jié)構(gòu)耐久性的指標(biāo)t1、t2，用層次分析法計(jì)算各指標(biāo)對T 型梁耐久性影響的權(quán)重，從而采用多指標(biāo)分級(jí)加權(quán)法，給出T 型梁的耐久性指標(biāo)。 本研究從理論角度為橋梁耐久性設(shè)計(jì)和評(píng)估提供了依據(jù)。

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