梁道盛

(三明永寧高速公路有限責(zé)任公司，福建三明 365000)

0 引言

近幾十年來(lái)，各國(guó)學(xué)者對(duì)橋梁混凝土結(jié)構(gòu)耐久性能展開(kāi)大量研究，提出了耐久性失效概率和可靠指標(biāo)概念，以此來(lái)分析橋梁混凝土結(jié)構(gòu)耐久壽命，并提出提高耐久性的方法。研究時(shí)主要用到碳化壽命準(zhǔn)則、銹脹開(kāi)裂壽命準(zhǔn)則和承載力壽命準(zhǔn)則［1］，但主要偏重于單一破壞因素的研究。

本文在福建山區(qū)(以三明為例)高速公路橋梁實(shí)際檢測(cè)的基礎(chǔ)上，充分考慮環(huán)境溫濕度和混凝土強(qiáng)度等內(nèi)外因素影響，引用文獻(xiàn)對(duì)福建山區(qū)高速公路橋梁混凝土的耐久壽命進(jìn)行分析，并對(duì)裂縫和凍融存在情況下橋梁混凝土的碳化壽命進(jìn)行比較研究，最后分析山區(qū)高速公路橋梁混凝土抗風(fēng)化養(yǎng)護(hù)應(yīng)當(dāng)采取的措施。

1 基于可靠度的混凝土碳化壽命預(yù)測(cè)模型

1．1 耐久性極限狀態(tài)與可靠指標(biāo)

混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性極限狀態(tài)是指整個(gè)結(jié)構(gòu)或結(jié)構(gòu)的一部分超過(guò)某一特定狀態(tài)就不能滿(mǎn)足設(shè)計(jì)規(guī)定的耐久性要求。

混凝土碳化與鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性密切相關(guān)，其關(guān)系到混凝土保護(hù)層的銹脹、開(kāi)裂、脫落，關(guān)系到與鋼筋的粘結(jié)力、鋼筋面積的損失、構(gòu)件材料物理力學(xué)性能及其剛度承載力的不斷下降乃至喪失，從而影響結(jié)構(gòu)的安全性、適用性和耐久性。因此以鋼筋開(kāi)始銹蝕作為耐久性極限狀態(tài)標(biāo)志是合適的。

可靠指標(biāo)β的計(jì)算，考慮一種比較簡(jiǎn)單的情況，對(duì)于結(jié)構(gòu)功能函數(shù)Z=R－S，假設(shè)抗力R和荷載效應(yīng)S均服從正態(tài)分布，由于Z是R和S的線(xiàn)性函數(shù)，則Z也服從正態(tài)分布，其平均值μz=μR－μs，標(biāo)準(zhǔn)差，則可靠指標(biāo):

綜合國(guó)際上可靠指標(biāo)的建議以及我國(guó)現(xiàn)行規(guī)范設(shè)計(jì)規(guī)定，本文取耐久性可靠指標(biāo)βc=1．5。

1．2 混凝土碳化壽命失效概率方程

為了反映環(huán)境溫濕度和混凝土強(qiáng)度等內(nèi)外因素影響，本文引用徐善華的碳化模型［2］:

其中，X(t)為碳化深度;kj為腳部修正系數(shù)，腳部取kj=1．5，非腳部取kj=1．0;kCO2為CO2濃度影響系數(shù)，無(wú)CO2深度 c0時(shí)，可根據(jù)結(jié)構(gòu)物所處小環(huán)境估計(jì)，本文取c0=0．128［2］，則 kCO2=1．4;kp為澆筑面修正系數(shù)，對(duì)澆筑面取 kp=1．3;ks為工作應(yīng)力影響系數(shù)，受壓時(shí)取1，受拉時(shí)取1．2;RH為環(huán)境濕度，%，根據(jù)福建山區(qū)氣象站氣候資料，三明境域的年平均相對(duì)濕度為79%～84%;fcu，k為混凝土強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值，MPa;t為結(jié)構(gòu)使用年限，y;K為碳化系數(shù)。

采用該碳化模型計(jì)算的碳化深度與福建省三明地區(qū)10座大橋上的20個(gè)測(cè)點(diǎn)實(shí)際檢測(cè)結(jié)果比較，如圖1所示。實(shí)際檢測(cè)結(jié)果比模型計(jì)算普遍偏大1．95倍左右，說(shuō)明該模型可用作預(yù)測(cè)福建山區(qū)高速公路橋梁混凝土碳化時(shí)變模型，但是應(yīng)當(dāng)乘以一個(gè)反映碳化模型計(jì)算結(jié)果與實(shí)際測(cè)試結(jié)果之間差異的修正系數(shù)Kmc，令Kmc=1．95。

圖1 碳化時(shí)變模型與實(shí)際檢測(cè)結(jié)果比較

碳化深度的概率模型可用正態(tài)分布表征［3］，其碳化深度的一維概率密度函數(shù)可以表示為:

其中，μk，σk分別為混凝土碳化系數(shù)的平均值、標(biāo)準(zhǔn)差。

假設(shè)混凝土保護(hù)層厚度為d(隨機(jī)變量)，較好服從正態(tài)分布N(μd，σd)［4］，其概率密度函數(shù)為:

預(yù)測(cè)的混凝土碳化深度為X(t)(為隨機(jī)過(guò)程)，簡(jiǎn)化認(rèn)為混凝土碳化殘量為0(即認(rèn)為碳化達(dá)到鋼筋表面時(shí)，鋼筋發(fā)生銹蝕)，則鋼筋發(fā)生銹蝕的極限狀態(tài)方程可表示為:

Z(t)=0時(shí)，結(jié)構(gòu)處于碳化耐久性極限狀態(tài);Z(t)＜0時(shí)，結(jié)構(gòu)處于碳化耐久性失效狀態(tài);Z(t)＞0時(shí)，為結(jié)構(gòu)的安全狀態(tài)。

則鋼筋發(fā)生銹蝕的概率為:

要預(yù)測(cè)構(gòu)件的使用壽命，β 可以取 βc=1．5，若 β ＜ βc，則必須對(duì)結(jié)構(gòu)維修加固。

1．3 裂縫和凍融對(duì)混凝土碳化深度的影響

1．3．1 裂縫對(duì)混凝土碳化深度的影響

高速公路橋梁混凝土在收縮，溫差，外力作用下，容易產(chǎn)生裂縫，裂縫存在處CO2能較快的滲透到混凝土內(nèi)部，從而增加該處的碳化深度。

圖2 裂縫寬度對(duì)混凝土碳化的影響

以收縮裂縫對(duì)混凝土碳化的影響為例，文獻(xiàn)［5］通過(guò)對(duì)實(shí)驗(yàn)混凝土構(gòu)件在不同寬度裂縫下碳化深度的測(cè)試(構(gòu)件碳化時(shí)間均相同)，得出結(jié)論如圖2所示。

1．3．2 凍融對(duì)混凝土碳化深度的影響

國(guó)內(nèi)學(xué)者周建民［6］通過(guò)引入凍融影響系數(shù)，對(duì)碳化深度計(jì)算公式進(jìn)行修正，提出了基于變碳化系數(shù)的碳化深度計(jì)算方法，并從穩(wěn)流滲透的狀態(tài)方程出發(fā)，得到修正后的碳化深度計(jì)算公式:

其中，K為未考慮凍融影響時(shí)的碳化系數(shù);kn為凍融影響系數(shù)，與混凝土的強(qiáng)度、水膠比、凍融循環(huán)次數(shù)有關(guān)。水膠比0．35，標(biāo)準(zhǔn)強(qiáng)度30 MPa，凍融循環(huán)150次時(shí)kn可以取經(jīng)驗(yàn)值2。

2 山區(qū)高速公路橋梁混凝土碳化壽命預(yù)測(cè)

2．1 工程背景

本文以三明市永寧高速公路和建泰高速公路橋梁為例，基于碳化壽命準(zhǔn)則和可靠度對(duì)福建山區(qū)高速公路橋梁混凝土的耐久壽命進(jìn)行分析，并對(duì)裂縫和凍融存在情況下橋梁混凝土的碳化壽命進(jìn)行比較研究。

為了使橋梁混凝土壽命預(yù)測(cè)具有代表性，并通過(guò)分析結(jié)果指導(dǎo)橋梁混凝土抗風(fēng)化養(yǎng)護(hù)實(shí)踐，本文選取橋梁有關(guān)部位混凝土的碳化壽命進(jìn)行分析。具體情況如表1所示。

表1 高速公路橋梁混凝土碳化壽命分析數(shù)據(jù)

由表1可知，所選取的部位在橋梁結(jié)構(gòu)中是碳化薄弱位置，這樣可以較為全面的反映橋梁混凝土碳化耐久壽命。

2．2 正態(tài)分布隨機(jī)變量的參數(shù)取值

由式(3)，碳化深度的平均值和標(biāo)準(zhǔn)差函數(shù)分別為μx(t)=μk，σx(t)= σk。結(jié)合文獻(xiàn)［4］和修正后的式(2)可以推出:

其中，RH，T分別為年平均相對(duì)濕度、年平均氣溫，可采用表1數(shù)據(jù);混凝土強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值fcu，k按表1設(shè)計(jì)取值;薄壁墩與承臺(tái)銜接處 kj=1．5，kp=1．0，ks=1．2;橋梁防撞護(hù)欄上部澆筑面 kj=1．0，kp=1．3，ks=1．2;預(yù)應(yīng)力 T 梁馬蹄及腹板和馬蹄倒角處 kj=1．5，kp=1．0，ks=1．2;柱間系梁與墩身銜接處 kj=1．5，kp=1．0，ks=1．2;kCO2按上文分析取 1．4;Kmc=1．95。

而碳化系數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)差σk可以根據(jù)福建省高速公路養(yǎng)護(hù)公司和科研所檢測(cè)數(shù)據(jù)匯總，利用Matlab程序中std求標(biāo)準(zhǔn)差函數(shù)對(duì)大量樣本求標(biāo)準(zhǔn)差，作為碳化系數(shù)標(biāo)準(zhǔn)差σk的極大似然估計(jì)值，根據(jù)計(jì)算結(jié)果和檢測(cè)經(jīng)驗(yàn)，當(dāng) fcu，k=30 MPa，σk可以取0．047 8，當(dāng)fcu，k=40 MPa 時(shí)，σk可以取 0．045 3，當(dāng) fcu，k=50 MPa 時(shí)，σk可以取 0．042 7。

保護(hù)層厚度d的平均值μd可以取表1中的設(shè)計(jì)值，標(biāo)準(zhǔn)差σd則根據(jù)中心實(shí)驗(yàn)室對(duì)這四座橋梁相應(yīng)部位保護(hù)層檢測(cè)數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)Matlab程序中std求標(biāo)準(zhǔn)差函數(shù)分析獲得，具體結(jié)果如表2所示。

表2 高速公路橋梁保護(hù)層厚度平均值及標(biāo)準(zhǔn)差

2．3 基于可靠度的橋梁混凝土碳化壽命計(jì)算結(jié)果

用Tc來(lái)表示橋梁混凝土碳化壽命，根據(jù)1．2節(jié)分析推論，令，則可以求出橋梁混凝土碳化壽命Tc，計(jì)算結(jié)果如表3所示。

表3 高速公路橋梁混凝土碳化壽命計(jì)算表

由式(5)可得，當(dāng)鋼筋初銹時(shí)，初銹時(shí)間t0可以表示為:

通過(guò)Matlab程序hist函數(shù)直方圖模擬可以得到t0的分布情況。模擬后的直方圖數(shù)據(jù)比較接近正態(tài)分布(如圖3所示)。從圖3可以看出，t0的分布呈現(xiàn)中間高，兩頭低的分布特征，通過(guò)normplot概率值檢驗(yàn)函數(shù)求得分布檢驗(yàn)圖，如圖4所示，作出的圖形基本上位于一條直線(xiàn)上，表明t0不拒絕正態(tài)分布。當(dāng)可靠度取1．5 時(shí)，失效概率Pf=1－ Φ(1．5)=0．066 8，對(duì)應(yīng)圖4 可得耐久使用壽命取22年，和表3計(jì)算的理論值22．8接近。

2．4 裂縫和凍融影響下橋梁混凝土碳化壽命比較分析

根據(jù)1．3節(jié)的分析，假設(shè)收縮裂縫或凍融影響下混凝土碳化深度是正常情況下的2倍，則比較結(jié)果如表4所示。

由表4對(duì)比結(jié)果可知，在裂縫或凍融存在下(假設(shè)碳化深度是正常情況下2倍)，橋梁混凝土碳化壽命將大大減少。

圖3 t0分布情況

圖4 normplot概率值檢驗(yàn)結(jié)果

表4 裂縫或凍融影響下橋梁混凝土碳化壽命比較分析

3 山區(qū)高速公路橋梁混凝土抗風(fēng)化養(yǎng)護(hù)研究

由本文引用的碳化深度模型及對(duì)橋梁混凝土碳化壽命分析結(jié)果可知，保護(hù)層厚度，環(huán)境溫濕度，橋梁混凝土強(qiáng)度，是否存在裂縫或凍融是決定山區(qū)高速公路橋梁混凝土耐久壽命的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。

3．1 橋梁混凝土施工養(yǎng)護(hù)措施

橋梁混凝土澆筑完畢后應(yīng)時(shí)刻關(guān)注外界環(huán)境與混凝土內(nèi)外溫度變化，控制好混凝土降溫梯度，避免出現(xiàn)裂紋;拆模前應(yīng)防止陽(yáng)光直射模板，外露混凝土表面應(yīng)覆蓋清潔的塑料膜，初凝后撤去塑料膜，用浸濕的土工布覆蓋，經(jīng)常灑水;混凝土強(qiáng)度滿(mǎn)足要求后方可拆除模板，為防止氣溫驟然變化混凝土產(chǎn)生過(guò)大溫度應(yīng)力，混凝土內(nèi)部開(kāi)始降溫以前以及混凝土內(nèi)部溫度最高時(shí)不得拆除模板，拆模后繼續(xù)進(jìn)行保濕，保持潮濕狀態(tài)總時(shí)間至少7 d;混凝土養(yǎng)護(hù)時(shí)應(yīng)嚴(yán)格控制水溫，當(dāng)混凝土表面溫度較高時(shí)嚴(yán)禁用冷水直接澆灑混凝土表面?；炷翉?qiáng)度未達(dá)到規(guī)定值時(shí)不得承受外荷載，以免破壞。不同混凝土濕養(yǎng)最低期限如表5所示，圖5為三明建泰高速公路T梁自動(dòng)噴淋系統(tǒng)及防曬遮雨棚。

圖5 三明建泰高速公路T梁自動(dòng)噴淋系統(tǒng)及防曬遮雨棚

3．2 橋梁混凝土裂縫控制措施

裂縫的存在對(duì)橋梁混凝土耐久壽命產(chǎn)生不利影響，而裂縫形成的原因很多，且相互交叉作用。如荷載裂縫、溫度裂縫、收縮裂縫、地基形變裂縫、鋼筋腐蝕裂縫、施工質(zhì)量裂縫等，橋梁混凝土養(yǎng)護(hù)過(guò)程中應(yīng)當(dāng)嚴(yán)格控制混凝土溫度、濕度，防止強(qiáng)度未達(dá)到規(guī)定值的外荷載影響，同時(shí)運(yùn)營(yíng)過(guò)程要加強(qiáng)交通車(chē)輛管理，禁止車(chē)輛超載超速，加強(qiáng)橋梁檢測(cè)，及時(shí)修復(fù)病害，這樣才能有效的提高橋梁混凝土耐久壽命。

表5 混凝土濕養(yǎng)最低期限表

3．3 橋梁混凝土防凍融措施

橋梁混凝土澆筑完畢找平抹面后，應(yīng)立即用塑料薄膜及保溫材料(如毛毯、草氈)覆蓋，加強(qiáng)裸露混凝土表面的保濕覆蓋，對(duì)邊、棱角的保溫厚度應(yīng)增大到面部位的2倍～3倍;可采用蒸汽加熱法使混凝土在濕熱條件下硬化。

4 結(jié)語(yǔ)

1)徐善華的碳化模型可用作預(yù)測(cè)福建山區(qū)高速公路橋梁混凝土碳化時(shí)變模型，但是應(yīng)當(dāng)乘以一個(gè)反映碳化模型計(jì)算結(jié)果與實(shí)際測(cè)試結(jié)果之間差異的修正系數(shù)Kmc。

2)橋梁混凝土在碳化的作用下鋼筋初銹的時(shí)間不拒絕正態(tài)分布。

3)在裂縫或凍融存在下，橋梁混凝土碳化深度將明顯增加，增加幅度與裂縫寬度和凍融循環(huán)次數(shù)有關(guān)，混凝土碳化壽命將大大減少。

4)加強(qiáng)橋梁混凝土施工養(yǎng)護(hù)應(yīng)注意控制溫濕度，保證足夠的濕養(yǎng)時(shí)間，同時(shí)盡量采用遮光和擋風(fēng)措施;應(yīng)加強(qiáng)橋梁混凝土裂縫控制，采取有效修復(fù)措施，制定合理的冬季養(yǎng)護(hù)方案，提高橋梁混凝土耐久性。

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