張精岳，毛偉科

(河北工業(yè)大學(xué)土木工程學(xué)院)

1 RC 構(gòu)件鋼筋腐蝕的原因綜述

研究發(fā)現(xiàn)，RC 構(gòu)件出現(xiàn)鋼筋銹蝕的原因有以下幾方面:(1)結(jié)構(gòu)密實(shí)性差。若混凝土結(jié)構(gòu)施工質(zhì)量較差，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)密實(shí)程度不良，且在結(jié)構(gòu)受荷中出現(xiàn)裂縫，這些均是造成構(gòu)件內(nèi)部鋼筋發(fā)生銹蝕的原因;(2)混凝土碳化?；炷林械腃a(OH)2與CO2反應(yīng)，使其內(nèi)部環(huán)境的堿度逐漸降低，破壞了鋼筋表面的保護(hù)膜，致使鋼筋處于易氧化的狀態(tài)，從而導(dǎo)致鋼筋發(fā)生銹蝕反應(yīng);(3)氯離子侵蝕。橋梁結(jié)構(gòu)受冬季除冰鹽與海洋環(huán)境的影響，氯離子透過(guò)混凝土構(gòu)件表面的縫隙侵蝕到鋼筋表面與鋼筋發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)，使鋼筋過(guò)早的銹蝕。

2 鋼筋銹蝕的力學(xué)模型

對(duì)于RC 結(jié)構(gòu)，若其內(nèi)部鋼筋發(fā)生銹蝕，鋼筋有效截面減小，其力學(xué)性能發(fā)生較大改變，致使RC 結(jié)構(gòu)承載能力降低。

當(dāng)鋼筋混凝土梁內(nèi)部鋼筋出現(xiàn)銹蝕后，根據(jù)文獻(xiàn)，鋼筋銹蝕深度的均值μδ(t)與標(biāo)準(zhǔn)差σδ(t)，隨時(shí)間的發(fā)展而逐漸變大，其銹蝕深度的時(shí)間模型如下

式中:μδ(t0)與σδ(t0)為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)服役至第t0年時(shí)，鋼筋銹蝕實(shí)際深度的平均值與標(biāo)準(zhǔn)差t≥t0，t0=c2/k2c，kc 為混凝土的碳化系數(shù)，kc 取4.8，c 為20 cm，則t0=17.4年。

根據(jù)數(shù)學(xué)上相關(guān)量誤差的可傳遞性，鋼筋的橫截面面積因銹蝕損失的平均值μλ(t)與標(biāo)準(zhǔn)差σλ(t)可表示如下模型

式中:d0為鋼筋初始直徑值，其它量如上。鋼筋的截面積的變化引起鋼筋受力性能的變化，其屈服強(qiáng)度隨時(shí)間發(fā)展的平均值μFy(t)與標(biāo)準(zhǔn)值σFy(t)取如下模型

式中:μfy0為鋼筋的初始屈服強(qiáng)度平均值;σfy0為鋼筋的初始屈服強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)差，取0.05。

3 可靠性評(píng)估的基本準(zhǔn)則

3.1 構(gòu)件應(yīng)力、變形準(zhǔn)則

(1)應(yīng)力準(zhǔn)則:根據(jù)材料力學(xué)中的容許應(yīng)力理論，構(gòu)件內(nèi)一點(diǎn)處的最大應(yīng)力達(dá)到單向應(yīng)力狀態(tài)下極限應(yīng)力時(shí)，則認(rèn)為構(gòu)件失效，如表1(采用《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》GB50010－1989)。

表1 不同標(biāo)號(hào)混凝土的抗壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值與容許應(yīng)力值

(2)變形準(zhǔn)則:根據(jù)《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》中的鋼筋混凝土梁在汽車(chē)荷載作用下，主梁跨中最大豎向難度不應(yīng)大于最大容許值，而簡(jiǎn)支橋主梁的豎向撓度最大容許值取L/600(L 為計(jì)算跨徑)。

3.2 構(gòu)件失效概率準(zhǔn)則

在《建筑結(jié)構(gòu)可靠度設(shè)計(jì)統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)》GB50068－2001 中指出混凝土結(jié)構(gòu)可靠度的評(píng)定依據(jù)為可靠指標(biāo)，但此評(píng)定依據(jù)難以動(dòng)態(tài)的評(píng)定混凝土結(jié)構(gòu)隨時(shí)間變化的可靠度。貢金鑫、趙國(guó)藩教授指出現(xiàn)行的結(jié)構(gòu)可靠度分析和設(shè)計(jì)方法不考慮結(jié)構(gòu)抗力隨時(shí)間的降低，結(jié)構(gòu)抗力降低會(huì)導(dǎo)致結(jié)構(gòu)的可靠度降低。因此，鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)失效概率必須考慮結(jié)構(gòu)構(gòu)件抗力性能隨時(shí)間發(fā)展而降低的因素。

根據(jù)文獻(xiàn)，將0.85β 作為結(jié)構(gòu)失效的臨界值，即結(jié)構(gòu)構(gòu)件的動(dòng)態(tài)可靠度指標(biāo)βt＜0.85β 時(shí)，則認(rèn)為結(jié)構(gòu)已處于失效狀態(tài)，不再滿足結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性與適用性等性能，即t 時(shí)刻為結(jié)構(gòu)的使用性能終止時(shí)間。公路橋梁設(shè)計(jì)規(guī)范指出，設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期為100年的目標(biāo)可靠度指標(biāo)如表2。

表2 公路橋梁結(jié)構(gòu)承載能力極限狀態(tài)的可靠指標(biāo)β

4 鋼筋銹蝕的RC 橋梁可靠度數(shù)值模擬分析

4.1 工程概述

邢臺(tái)青龍橋是一座建于1972年的在役RC 簡(jiǎn)支T 梁橋，安全等級(jí)為－20，橋面凈寬為7 m，橋梁跨徑為16 m，混凝土采用C25，受拉區(qū)為10Φ32 的HRB335 鋼筋，此橋處于環(huán)境腐蝕較嚴(yán)重的地區(qū)。

4.2 T 梁可靠度判斷依據(jù)

(1)根據(jù)舊規(guī)范中C25混凝土的軸心抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值17 MPa，因此T 梁跨中上部混凝土抗壓強(qiáng)度小于17 MPa 時(shí)，可判斷處于可靠狀態(tài)。

(2)撓度判斷依據(jù):L/600 =0.026 6 m，即當(dāng)跨中撓度小于0.266 m 時(shí)，可判斷處于可靠狀態(tài)。

(3)失效概率準(zhǔn)則:依據(jù)結(jié)構(gòu)構(gòu)件的動(dòng)態(tài)可靠度指標(biāo)βt＜0.85β，且本工程安全等 級(jí) 為二級(jí)，則β = 4.2，0.85，β=3.57，由此可得出Pf =0.0002，則可靠概率大于0.9998時(shí)，則認(rèn)為構(gòu)件處于安全范圍內(nèi)。

4.3 鋼筋銹蝕RC 橋梁可靠度的計(jì)算

根據(jù)橋梁工程中主梁內(nèi)力計(jì)算中的偏心壓力計(jì)算法，可知5 片梁中，邊梁的橫向分布系數(shù)最大，為0.532。因此，為減少ansys 程序計(jì)算時(shí)間，以下所有計(jì)算均取邊梁做計(jì)算。

4.3.1 鋼筋動(dòng)態(tài)屈服強(qiáng)度

根據(jù)上式(1)－(6)式可計(jì)算出鋼筋的動(dòng)態(tài)屈服強(qiáng)度值，見(jiàn)表5，初始屈服強(qiáng)度取fy=335 MPa。當(dāng)t ＞t0=17.4年時(shí)鋼筋開(kāi)始銹蝕，經(jīng)在t =20年時(shí)對(duì)橋梁鋼筋檢測(cè)可知，其平均銹蝕深度μ =0.17 mm，σ =0.05 mm，則可得出鋼筋的動(dòng)態(tài)屈服強(qiáng)度值，見(jiàn)表3。

表3 銹蝕鋼筋時(shí)變屈服強(qiáng)度值

4.3.2 T 梁有限元模型

T 梁的有限元如圖1 所示。

圖1 T 梁有限元網(wǎng)格模型

4.3.3 荷載作用下橋梁可靠度

由于此橋等級(jí)為－20 級(jí)，550 kN×0.532 =292.6 kN，需對(duì)T 梁的跨中施加約30t 的荷載，可得出t =20年時(shí)梁跨中撓度值UMAX1、最大應(yīng)力SMAX 的概率分布圖如下，從圖2中在0.026 6 m 處劃豎線與概率為1.0 的線相交，從圖3 中在17 MPa 劃豎線與概率為1.0 的線相交，因此，可得出此時(shí)橋梁處于穩(wěn)定范圍內(nèi)。

重復(fù)上述計(jì)算，依次計(jì)算出t =30、40、50、60、70年的可靠度，當(dāng)計(jì)算到70年時(shí)可靠度為0.98，此時(shí)小于0.999 8，則構(gòu)件處于失效狀態(tài);再計(jì)算t =65年構(gòu)件的可靠度，此時(shí)可靠度為0.9998，則認(rèn)為此橋的已處于失效臨界狀態(tài)，表4 為不同時(shí)間段構(gòu)件的可靠度。

圖2 t=20年最大壓應(yīng)力分布曲線

圖3 t=20年跨中撓度分布曲線

表4 橋梁時(shí)變可靠概率值

5 結(jié) 論

RC 橋梁內(nèi)部鋼筋受運(yùn)營(yíng)環(huán)境、施工質(zhì)量、混凝土碳化、氯離子侵蝕等因素的影響，在運(yùn)營(yíng)過(guò)程中鋼筋發(fā)生銹蝕，導(dǎo)致鋼筋的屈服強(qiáng)度隨銹蝕程度的增加而逐漸減小，且在運(yùn)營(yíng)到65年時(shí)，T 梁構(gòu)件已處于失效狀態(tài)。因此，為了提高橋梁整體的可靠度，建議在運(yùn)營(yíng)60年時(shí)，對(duì)橋梁采取加固措施，減少橋梁危害。

［1］邢鋒.混凝土結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計(jì)與應(yīng)用［M］.北京:中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2011:35－37.

［2］李廣慧，杜朝，蔣曉東.在役建筑結(jié)構(gòu)的剩余壽命預(yù)測(cè)［J］.鄭州工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，1999，(3):6－9 .