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在役钢筋混凝土桥梁耐久性的可靠度分析

(1. 辽宁工程技术大学 桥梁与隧道专业，阜新 )
摘要：桥梁的安全性、耐久性评估是桥梁管理的前提和基础。桥梁的可靠性预测主要为桥梁的加固、维修提供决策依据。借助专门的理论、技术和科研成果，全面提升桥梁的科学管理，进一步加快桥梁结构可靠性性和耐久性技术的研究和应用步伐。
关键词：可靠度；耐久性；桥梁检测

DURABILITY OF REINFORCED CONCRETE BRIDGE IN SERVICE RELIABILITY ANALYSIS

Ma Yanjiao1
(1. Liaoning Technical University Professional bridges and tunnels ,FuXin)

Abstract：Bridge safety, durability assessment of bridge management is the prerequisite and foundation. The reliability of prediction are mainly bridge bridge reinforcement, maintenance of decision-making basis. With the special theory, technology and scientific research, to enhance the scientific management of the bridge, the bridge structure to further speed up the reliability and durability, the pace of technological research and application.
Key words：reliability; durability; bridge inspection

1 引 言
桥梁的耐久性，就是指桥梁结构在自然环境、荷载及材料内部因素的作用下，在设计要求的目标使用期内，不需要花费大量资金加固处理而保持其安全、使用功能和外观要求的能力。混凝土结构的耐久性是指在正常设计、正常施工正常使用和正常维护条件下，在规定的时间内，虽然构件性能随时间逐渐劣化，但全桥仍能满足预定功能的能力。但由于劣化和荷载的增加也导致了桥梁可靠度的降低，许多在役桥梁已不能满足未来的要求，桥梁的可靠度最终可能降低到规定的水平之下。因此迫切需要对既有桥梁的安全性、耐久性进行正确的评定，以便决策者根据桥梁结构的检测及寿命预测结果确定何时及如何维修、修复、替换或关闭劣化设施，并在此基础上制定最优维修加固策略。
2 在役钢筋混凝土桥梁耐久性的研究现状与影响因素
2.1 研究现状
为了解决混凝土的耐久性，从20世纪80年代中期起，发达国家掀起了以耐久性为基本要求的高性能混凝土的发展研究。这种混凝土有可能为基础设施工程提供100年以上的使用寿命，更适合工业化、自动化生产并且有更高的施工质量可靠度。高性能混凝土是在现代高强混凝土的基础上发展起来的，其在原材料配比上的特点是通过采用较低的水泥用量、较大的矿物掺和料用量和较少的拌和水用量，来增强混凝土的密实性、抗裂性、抗化学腐蚀性和工作性，既能提高混凝土的耐久性，又能充分利用工业废料(粉煤灰和矿渣等矿物掺合料)和减少水泥生产的能源消耗与污染。
目前，结构设计由定值安全系数法向概率极限状态设计法的转变在国际标准中很受重视。为了顺应这种转变，利用结构可靠度理论对己有结构进行评估是一个重要的发展方向。结构可靠性是指结构在规定的时间内，在规定的条件下，完成预定功能的特性。《建筑结构设计统一标准》规定，建筑结构必须满足以下功能要求：能承受在正常施工和正常使用时可能会出现的各种作用；在正常使用下具有良好的工作性能；在正常维护下具有足够的耐久性；在偶然事件发生时及发生后，仍能保持必需的整体性能。
可靠度是一个与时间密切相关的量，对在役结构而言，结构在剩余寿命期内的可靠度不仅与结构性能退化的状态有关，而且还与结构在剩余寿命期内所要经受的荷载、生存环境、维护条件及使用要求等因素有关。如何根据结构当前的状态推测结构的未来使用寿命尚需要从预测方法、环境特性、材料特征、退化机制等方面做进一步研究。
2.2 影响耐久性的因素
影响混凝土桥梁耐久性的主要因素有混凝土的碳化、氯离子侵蚀、碱－集料反应、钢筋锈蚀，冻害等。前4种为化学作用，冻害为物理作用。
1.混凝土的碳化
混凝土在空气中的碳化是中性化最常见的一种形式，它是空气中与水泥石中的碱性物质相互作用，使其成分、组织和性能发生变化，使用机能下降的一种很复杂的物理化学过程。碳化会降低混凝土的碱性，破坏钢筋表面的钝化膜，使混凝土对钢筋失去保护作用，给混凝土中钢筋的锈蚀带来不利的影响。同时，混凝土中的碳化还会加剧混凝土的收缩，这些都有可能导致混凝土的裂缝和结构的破坏。所以，碳化与混凝土结构的耐久性密切相关，是衡量钢筋混凝土结构可靠度的重要指标。随着空气中浓度逐渐增加，工厂排泄废气不断增加，混凝土的碳化作用也越来越厉害。因此，混凝土的碳化作为一个不可忽视的问题，正受到人们越来越多的关注。
2.混凝土的渗透性
混凝土是一种具有多孔结构的材料，其自身的特点决定了混凝土的抗渗性较差，容易受到CL等有害物质的侵蚀。混凝土的密实性越高，混凝土的抗腐蚀性能越好。而混凝土的冻害主要是由于混凝土中的毛细孔中存在着自由水，当水遇冷冻结冰会发生体积膨胀，引起混凝土内部结构的破坏。这种破坏形式在我国北方地区非常普遍，是混凝土结构老化病害的主要问题之一。混凝土的抗渗性和混凝土的抗碳化能力，与抵抗外界有害物质的耐腐蚀性及抗冻性，钢筋锈蚀都有着直接的关系。一般来说，抗渗性好的混凝土耐久性也就好。混凝土的抗渗性主要取决于水泥石的孔结构和集料的性能。改善混凝土的抗渗性对于提高混凝土的耐久性是非常重要的，主要可以从提高混凝土自身的抗渗能力和在混凝土表面喷涂覆盖层着手解决。

3 在役桥梁可靠性分析理论
3.1 结构可靠度的度量
结构可靠度是可靠性的度量，即可靠性的度量概率指标，表示为Ps。相反，如果结构不能完成预定的功能的概率为结构的失效概率，用Pf表示。结构的可靠与失效是两个不相容事件，即有：
Ps+Pf＝1 (2.1)
为了计算和表达上的方便，结构可靠度分析中也常用结构的失效概率来度量结构的可靠度。结构可靠度分析的核心问题是根据随机变量的统计特性和结构的极限状态方程计算结构的失效概率。根据运用概率理论处理结构可靠度问题的广度和深度，可将概率分析方法划分为三个级别：
1.分别在荷载效应和结构抗力的设计上考虑了概率原则，而设计安全系数或分项系数主要是根据经验确定的，这种方法也称半概率法。
2.将极限状态函数中有关荷载效应和结构抗力的基本变量均视为随机变量，并考虑了两者的联合分布，以此建立与结构失效概率抗力与荷载有内在联系的安全指标，作为衡量结构安全度的尺。
3.将各种基本变量分别采用随机变量或随机过程的概率模型来描述，使其具有的最大的可靠度，这种方法称全概率法。
3.2 在役桥梁可靠度分析
图5-1 结构抗力、荷载随时间的变化示意图
对在役桥梁进行可靠度分析时，应考虑结构的后续使用期，它是根据业主的使用计划、桥梁的技术状况、桥梁所需服务水平等综合确定的。本文着重以混凝土桥梁中大量存在的以受弯为主的简支梁为耐久性研究的对象。图3-1给出了现有结构抗力与荷载随时间变化的示意图，可见在役桥梁的可靠度是一个随抗力和作用两项变化的动态可靠度问题。
1.在役桥梁可靠度的特点
在役桥梁是已投入使用的桥梁，对现有桥梁来说，人们关心的问题是：桥梁在既定的工作条件和正常养护条件下，使用若干年后的总体可靠度水平如何根据人们对现有桥梁的这一要求，在役桥梁的可靠度必然与桥梁的使用时间有关。在役桥梁的可靠度具有如下特点：1.规定条件不同。可靠度原来定义中的规定条件为正常设计、正常施工、正常使用、正常维护，但对现有桥梁来说，设计、施工已经成为历史与现实。
2.规定时间不同。可靠度设计中的规定时间是桥梁的“设计基准期”(一般为100年)，是固定不变的。对现有桥梁来说，后续使用期则主要取决于桥梁的使和桥梁当前的技术状况，它是变化的。
3.预定功能不同。桥梁的预定功能具体以桥梁的极限状态表示，但当桥梁的使用目的或工作条件有较大改变时，它们也有可能发生变化。例如；计划在近期对桥梁进行维修时，则可放宽对桥梁适用性的要求；当桥位水文环境的改变时，人们对构件最大裂缝宽度的接受程度也会发生变化；在役桥梁的实际荷载水平在很多时候与设计时亦是不同的。
在役桥梁构件的抗力确定依然取决于材料性能几何参数和计算模式。桥梁在使用过程中，由于混凝土腐蚀和钢筋锈蚀将导致混凝土强度与钢筋强度的降低、截的材料性能和几何参数都将随时间劣化，结构的抗力随时间衰减。

3.3 在役混凝土桥梁构件和结构层次耐久性研究
1．构件层次
桥梁构件耐久性研究是混凝土桥梁结构耐久性研究的前提和基础。主要包括锈胀裂缝宽度、锈后钢筋混凝土粘结锚固性能、锈后构件承载能力评估及构件使用寿命的预测。
目前国内外研究者已对锈蚀后的钢筋混凝土构件的力学性能进行了大量试验，试验采用的构件大部分是实验室快速钢筋锈蚀试件，也有结构拆除的自然锈蚀的钢筋混凝土构件，包括钢筋混凝土受弯、轴心受压、大偏心受压、小偏心受压、冷弯性能试验及钢筋抗拔试验构件。试验表明，钢筋锈蚀后影响承载力的主要因素有三个方面：(1)混凝土有效截面的变化。由于钢筋锈蚀产生纵向裂缝，乃至保护层脱落，将外围混凝土分割成未能连接良好的几个部分，造成参与受力的混凝土有效截面减少。(2)钢筋截面损失和材料强度的变化。(3)钢筋和混凝土的粘结性能的影响。
2．结构层次
混凝土桥梁结构体系的耐久性包括两个部分：对新建桥梁进行耐久性设计和对在役混凝土桥梁的耐久性评估。由于混凝土结构耐久性失效的类型很多，如何界定混凝土结构耐久性失效是一个复杂的综合性问题。目前国内外针对混凝土耐久性设计都是从耐久性计算或构造措施入手的。对目前世界上已存在大量服役几十年的桥梁，进行耐久性评估，就是根据结构当前的状况，如混凝土强度、钢筋锈蚀情况来推断桥梁的剩余承载力或剩余使用寿命，以确定结构能否继续使用或是否需要维修加固。由于工程问题的复杂性，评估过程中会遇到大量的模糊信息，所以长期以来，对在役役桥梁耐久性的评估－直依赖有经验的技术人员用传统的经验法来完成。随着基础科学和计算机技术的发展，混凝土桥梁耐久性评估方法和手段也有很大的进展。但是迄今为止，尚未有较为理想的评估模式。在实际工程应用中，还是以经验评判为基础，运用层次分析法来进行混凝土结构的耐久性评估为多。
3.4 在役桥梁抗力衰减规律的研究
在役桥梁是已经建成并使用一个时期的桥梁，是客观存在的实体。原则上说，结构当前的几何特征、材料特性等可以通过设计资料和现场检测综合确定，构件抗力除可按规范方法计算外，还可通过对具体构件的试验进行更准确的分析。
荷载是影响桥梁结构可靠度计算的一个重要因素，过大的验算荷载将会得到可靠度的偏低估计，而过小的验算荷载则会得到不安全的可靠度评价，因此，合理估计在役桥梁的荷载对于其可靠度分析具有十分重要的意义。长期以来，我国在这一方面的研究主要是为结构设计服务的，有关在役桥梁荷载随机过程统计的研究还较少，在实际工程中人们经常还是按照结构设计的荷载规范来验算在役桥梁的承载力或简单的以系数值予以修正。
4 结论
桥梁耐久性方面关键的问题就在于影响桥梁的耐久性因素众多，而对桥梁的耐久性评价还没有形成的规范与可操作的定量分析手段。而混凝土桥梁的耐久性研究是一个十分重要而又迫切需要解决的问题。需要努力将耐久性的研究从定性分析向定量分析发展。同时对己有桥梁进行科学的耐久性评定和剩余寿命预测，以进行合理的维修决策，是在役桥梁结构耐久性研究课题最主要的背景，其主要内容包括桥梁的耐久性评定和使用寿命预测，本文在国内外学者研究的基础上，对影响混凝土桥梁耐久性的主要因素作了系统的研究，结合混凝土碳化和钢筋锈蚀这两个混凝土耐久性的最主要影响因素的机理研究，根据工程结构可靠度理论与方法，得到了在役钢筋混凝土桥梁耐久性的可靠度分析评定方法。并根据钢筋混凝土桥梁构件不同的耐久性寿命终结标准和目前已有的工程结构可靠度评定指标，用可靠度方法建立了在役钢筋混凝土桥梁构件寿命预测办法，并将其应用于实际桥梁检测数据的计算，方法简便，具有一定的实用价值。
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