考虑氯离子侵蚀的钢筋混凝土桥梁疲劳时变可靠度.pdf

2 0 1 1 年第 1 2期 铁道建筑 Ra i l wa y En g i n e e r i n g l 9 文章 编 号 ： 1 0 0 3 — 1 9 9 5 ( 2 0 1 1 ) 1 2 — 0 0 1 9 - 0 4 考虑氯离子侵蚀 的钢 筋混凝土桥梁疲劳 时变可靠度 张丽华， 贾金青 ， 余 芳 ( 大连理工大学 海岸和近海工程国家重点实验室 ， 辽 宁 大连1 1 6 0 2 4 ) 摘 要 ： 基 于混凝 土 中氯 离子扩散 及其 引起 钢 筋锈 蚀 的机 理 ， 提 出 了钢筋 面积 随时 间变化 的公 式。根据锈 蚀钢 筋疲 劳试验 ， 提 出了反 映钢 筋疲 劳性 能 的疲 劳强度 时 变模 型 。基 于上述模 型 ， 运 用线性 累积损伤 法 则和蒙特卡 罗方法， 对钢筋混凝土桥梁进行疲 劳可靠性分析 ， 计算其 时变疲劳可靠度。结果表 明： 氯 离 子侵蚀作用下， 钢筋有效截面减小和疲劳性能衰减显著降低桥 梁结构的疲 劳可靠指标。本文建立的计 算模型能够为结构疲 劳可靠性的鉴定以及结构构件 的维修决策提供有效参考。 关键词： 氯离子侵蚀 钢筋锈蚀 疲劳损伤 时变可靠度 中图 分类 号 ： T U 3 7 5 ． 1 文 献标识 码 ： A 钢筋混凝土桥梁结构常常会在低于材料的强度极 限或屈服极限的反复荷载的作用下发生突然的疲劳破 坏 。其服役过程 中腐蚀介质引起的钢筋锈蚀不仅减小 钢筋有效截面和增大钢筋疲劳应力幅 ， 同时降低钢筋 疲劳强度 ， 严重地影 响结构使用 寿命。曹建安等⋯在 实际桥梁退换下的老化构件 中截取锈蚀钢筋进行疲劳 强度试验。结果表明 ， 锈蚀不仅使钢筋有效截面、 屈服 强度和变形能力减小 ， 而且 明显降低其疲劳强度 。金 伟 良等 的调查结果表明， 沿海地区氯离子侵蚀造成 钢筋混凝土结构中钢筋锈蚀 十分严重 ， 锈蚀速度远高 于碳化引起的钢筋锈蚀 。因此 ， 在桥梁结构老龄化 以 及交通流量 日益增加 、 车载增大 、 使用环境逐渐恶化的 情况下 ， 计算氯离子腐蚀环境下钢筋混凝土桥梁疲劳 时变可靠指标具有重要意义 。 实际工程中， 桥梁结构 的材料强度及结构上作用 的荷载都具有随机性 ， 并且反复荷载作用下结 构是否 发生疲劳破坏是不确定 的， 因此应该采用可靠 度理论 分析疲劳过程。由于服役过程 中抗力随时间衰减 ， 结 构 的失效概率随时问变化 ， 其疲劳可靠度具有时变性。 贡金鑫等 对腐蚀 环境下钢筋混凝土构件 的疲劳 可 靠度分析方法进行了研究 ， 提出考虑疲劳性能降低的 结构疲劳可靠度计算方法 。 从现有钢筋混凝土梁的疲劳腐蚀试验和工程实例 来看 ， 几乎所有破坏均 以受拉钢筋 突然断裂为破坏 标志。据此 ， 氯离子腐蚀环境下钢筋混凝土梁的疲 劳 收稿 日期 ： 2 0 1 1 — 0 5 - 1 5 ； 修 回日期 ： 2 0 1 1 - 0 9 ． 1 5 基金项目 ： 国家 8 6 3计划课题 ( 2 0 0 7 AA 1 1 Z 1 3 3 ) 作者简介 ： 张丽华( 1 9 8 7 一) ， 女 ， 安徽 凤阳人 ， 博 士研究生 。 计算应作如下假设 ： 不考虑混凝土的疲劳影响， 以钢筋 疲劳破坏作为钢筋混凝土梁的疲劳计算依据。本文针 对氯离子腐蚀环境中的钢筋混凝土桥梁结构的疲劳破 坏问题， 考虑钢筋的截面特性时变和疲劳强度时变 ， 运 用线性 累积损伤法则和蒙特卡罗方法 ， 对钢筋混凝土 桥梁进行疲劳可靠度分析 ， 计算结构的时变疲劳可靠 指标 。 1 疲劳抗 力衰减 由于钢筋锈蚀是腐蚀环境 中钢筋混凝土结构的主 要病害 ， 其中氯离子侵蚀环境下钢筋锈蚀包括 由氯离 子侵蚀导致的均匀锈蚀和裂缝处局部不均匀锈坑 ， 前 者主要减小钢筋有效截面， 后者则 主要降低钢筋材料 本身的疲劳性能。因此 ， 钢筋混凝 土桥梁构件疲劳性 能衰减的关键因素是有效钢筋截面和钢筋疲劳强度。 1 ． 1 钢筋截面锈蚀率 尽管氯离子在混凝土结构中的传输机理很复杂 ， 但扩散被认为是一个主要的传输方式 。这个过程一般 采用 F i c k第二定律描述氯离子的扩散浓度 、 扩散系数 与扩散时间的关系 ， 认为混凝土中的孔隙均匀分布， 氯 离子在混凝土中扩散是一维扩散行为， 浓度梯度仅沿 着暴露表面到钢筋表面的方向变化。由于混凝土表面 氯离子质量浓度与解冻盐饱和溶液的氯离子浓度保持 平衡 ， 假定 C 为钢筋开始锈蚀的临界氯离子浓度值， d 为混凝土保护层厚度， 则钢筋开始锈蚀时间 。 。 ， 为： = [ e rf ( 1 专) 】 ( 1 ) 其中， c 为平衡后的混凝土表面氯离子质量浓度 ， D 为氯离子扩散系数 ， 误差函数 e r f为 2 0 铁道建筑 e rf ( z )={ I e x p ( 一 ) d z ( 2 ) √订J U 式 中 ， 为氯离 子渗 透深度 。 根据 K I M等人研究 结果 ， 计算时选取 D 的平均 值为 2 ． 01 0 c n l ／ s ， C 的平均值为 3 ． 5 k g ／ m ， C 。 的 平均值为 0 ． 9 k g ／ m ， 则 可以算 出构件 中钢筋 开始 锈 蚀 的 时间 。 通 常腐 蚀环境 中的钢筋 有效 截面减 小仅 考虑 钢筋 整个外 露表 面 的均匀锈 蚀 。通过 非破 坏性试 验 中所 采 用的参数 ， 锈蚀 电流密度 i ( I~ A ／ c m ) ， 根据法拉第 定律 ： 当产生单位锈蚀 电流密度即 i ， =1 I x A ／ c m 时 ， 相应钢筋的平均锈蚀速度 A为 0 ． 0 1 1 6 ra m ／ 年 。因 此 ， 钢筋开始锈蚀后 ， t 时刻钢筋直径 D( t ) 计算公式为 D ( t )：D 0 — 2 0 ． 0 1 1 6 f L’co rr d t ( 3 ) 其中， t 以年为单位 ； D 为钢筋初始直径 ( m m) 。 关于锈蚀电流密度 i ⋯ ， 目前国际上一般认为低速 锈 蚀时 服从 [ 2 ． 0 ， 3 ． 0] 均 匀分 布 ， 中速 锈蚀 时服从 [ 3 ． 0 ， 4 ． 0 ] 均匀分布， 高速锈蚀时服从[ 4 ． 0 ， 5 ． 0 ] 均匀 分 布 。正常情 况钢 筋 为低 速 锈 蚀 ， 因此 ， 本 文假 设 i 不 随时 间变化 ， 取 i = 2 ． 0 tx A ／ c m ， 则 有 t ≤T 时 ， D( t )= D o 。 T ⋯+D 0 ／ ( 2 A ) 时 ， D( t )= 0 其 中 ， A ：0 ． 0 2 3 2 i 钢 筋直径 减小 导致 钢筋 的截 面积 A 减 小 ， 由此 引 起 的钢筋锈蚀率 ( 即截面损失率 ) ， 7 计算式为 删： 1一 ( 5 ) 其 中， 为钢筋根数 ； D ( t ) 为第 i 根钢筋 t 时刻直径。 1 ． 2锈 蚀钢 筋疲 劳性 能 通常情况下 ， 材料疲劳极限强度与疲劳循环 次数 的关系可以用 s N函数表示为 ( △ ) N ： C ( 6 ) 其中， A o - 为材料的应力变程 ； Ⅳ为应力变程 △ 下 ， 材 料可经受的应力循环次数 ； m和 C为材料的疲劳性能 常数。如果不考虑材料 的疲劳性能变化 ， 对于确定 的 目标疲劳次数 Ⅳ， 可 由 s — N函数得到钢筋 的疲劳极限 强度 △ 。 由于氯离子腐蚀环境 中， 钢筋锈蚀率不断增大 ， 局 部锈坑的产生使钢筋表面结构变化 ， 产生应力集 中。 这时在疲劳荷载作用下会加速腐蚀介质 的渗透 ， 加剧 钢筋损伤 ， 降低钢筋抗疲劳性能， 所以服役期内必须考 虑材料疲劳强度时变。同时结构疲劳分析时 ， 常使用 对数形式表示材料的高周期疲劳段函数 ， 则采用随机 过程反 应疲 劳 性 能 随 时 间 变 化 的疲 劳 函数 对 数 表 达 式为 l g N +m( ) l g ( △ )=l g [ C 。 ( ) ] ( 7 ) 其中， C 为规定的疲劳循 环次数 ( 常取 21 0 。 次 ) 对 应钢筋试件的疲劳性能常数， 函数 m( t ) ， ( t ) 为反映 结构服役过程 中材料疲劳性能 降低 的系数 。由于 m 的变异性很小 ， 本文将其视为确定值 ； 函数 ( t ) 有待 通 过试验 和工 程调查 确定 。 根据不同锈蚀状态下的钢筋疲劳性能劣化规律试 验 ， 通过分析试验数据可以得 出锈坑深度和钢筋疲劳 强度系数降低关系 ] ， 从疲劳荷载循环次数 Ⅳ的下降 来研究参数 c的劣化规律， 建立钢筋疲劳强度系数 ( t ) 的时变模 型 ( f )： 』 0 △ 6 ( ) D， ) ( 1 5 ) 其 中， P为概 率 函数 ； D s为 随机 变 量 ， 平 均 值 介 于 0 ． 8 3 6—1 ． 7 2 0之 间 ， 变异 系数 6介 于 0 ． 1 6 1～ 0 ． 9 8 0之 间。通常 ， 应力变程逐步增大时，D s >1 ； 应力变程逐 步减小 时 ， D ， < 1 。 3 计算实例 图 2所示为一 T形截面钢筋混凝土公路桥梁。梁 的计算跨度为 1 5 I n 。采用 C 2 5混凝土 ， 梁底配有 1 0 根 Ⅱ级 钢筋 ， 其 中 8根 直 径 为 3 2 m m， 2根 直 径 为 2 0 mm。钢筋混凝土保护层厚度为 3 0 m m。 图 2 T梁横断 面( 单位 ： m m) 按公路工程技术标准 ， 活荷载服从极值I 型分 布， 考虑冲击系数影响， 在梁跨中截面产生疲劳弯矩 ．s 。 平均值 = 5 0 5 ． 9 7 k N n l ， 变异系数 6 。 = 0 ． 0 8 6 2 。根 据钢筋疲劳试验结果 ， 取梁内钢筋 的疲劳 S - N方程 ( △ ) N=C 。 ， 其 中疲劳性能参数 m= 4 ． 3 8 2 7 ， C 。服 从对数正态分布 ， 平均值 。 =1 ． 3 71 0 ”， 变异系数 6c 。 =0 ． 4。 由式( 1 ) 计算钢筋初始锈蚀时间 。 ， 为 5 ． 5年 ， 结 构设计基准期内， 氯离子侵蚀作用引起 的随时间变化 的钢筋截面锈蚀率由式( 5 ) 计算 。同时可以计算出钢 筋锈蚀量时变函数 ， 从而得到钢筋疲劳强度时变系数 ( ￡ ) ， 见 图 3 。 由于几乎所有的钢筋混凝土梁结构疲劳破坏均以 图 3 钢筋锈蚀 率及疲 劳强度降低系数 曲线 2 2 铁道建筑 受拉钢筋疲劳破坏为标志 ， 所 以计算腐蚀环境下钢筋 混凝土桥梁疲劳可靠度时， 以钢筋疲劳破坏作为疲劳 计算依据。同时为了简化计算， ， 作为确定量取值为 1 。可靠 指标 计算 时采用 M o n t e — C a r l o方法 ， 借 助 Ma t l a b软件编制程序 ， 分别计算考虑钢筋有效截面时 变和疲劳性能衰减情况下 ， 设计基准期 内结构疲劳累 积损伤随使用时间变化的可靠度指标 ， 结果见图 4 。 ： 可 靠 都 ＼ 减 0 1 0 2 0 3 0 4 0 5 0 6 0 7 0 8 0 9 0 1 0 0 服役时 间／ 年 图 4 时变疲劳可靠 度指标 曲线 结果表明： 氯离子侵蚀 引起 的钢筋有效截面减小 会降低桥梁疲劳可靠指标 ； 在钢筋出现局部锈坑后 ， 由 于钢筋疲劳强度发生衰减 ， 氯离子侵蚀对桥梁 的疲劳 可靠指标有更显著的降低作用。 通过上述计算可知 ， 氯离子侵蚀作用下该桥服役 5 ． 5年后钢筋锈蚀 ， 导致疲劳可靠度降低速度增加， 此 时应对桥梁进行维修检测 ， 采取有效保护措施 ， 控制钢 筋锈 蚀 ； 同时考 虑钢 筋有 效 面 积减 小 和 钢筋 疲 劳 性 能 衰减的情况下 ， 结构服役超过 8 0年时桥梁的疲劳可靠 指标小于目标值 4 ． 2 ， 失效概率高于可接受水平 ， 此时 必须采取维修措施， 对桥梁结构进行加固或改造， 以保 证桥梁结构满足安全性要求 。 4 结 论 1 ) 基于混凝土 中氯离 子扩散及其引起 的钢筋锈 蚀的机理， 提出了钢筋面积随时间变化的公式 。并结 合钢筋疲劳强度时变模型， 运用线性累积损伤法则 和 蒙特卡罗方法 ， 对钢筋混凝土桥梁进行疲劳可靠度分 析， 计算了桥梁结构时变疲劳可靠指标。计算结果表 明， 氯离子侵蚀作用下钢筋有效截面减小和疲劳性能 衰减显著降低桥梁结构的疲劳可靠指标 。 2 ) 本文建立的计算模型， 可用于对氯离子侵蚀环 境中钢筋混凝土桥梁服役期 内的疲劳可靠度分析 ， 计 算能够对结构的可靠性进行动态的评估 ， 为结构的可 靠性鉴定 、 耐久性评估 以及结构构件的维修决策提供 参 考 。 参 考 文 献 [ 1 ] 曹建 安 ， 文雨 松． 锈蚀钢筋的疲劳试验研究 [ J ] ． 长沙铁道学 院学报 ， 1 9 9 8 ， 1 6 ( 4 ) ： 1 5 1 8 ． [ 2 ] 金伟 良， 张 苑竹 ． 浙 东 沿 海 高桩 码 头 耐 久 性 调 查 与 对策 [ c ] ／ ／ 混凝土结构 耐久 性及耐 久性 设计 会议文 集． 北京 ： 清华 大学 ， 2 0 0 2 ． [ 3 ] 贡金 鑫 ， 赵国藩． 腐蚀环境下钢筋混凝土结构疲劳 可靠度 的 分析方法[ J ] ． 土木工程学报 ， 2 0 0 0 ( 6 ) ： 5 0 — 5 6 ． [ 4 ] 李鹏． 腐 蚀环境 下钢 筋混 凝土结 构疲 劳性 能研 究 [ D] ． 长 沙 ： 中南大学 ， 2 0 0 9 ． [ 5 ] S T E WA R T M G， ME L C H E R S R E ． R e l i a b i l i t y o f d e t e r i o r a t i n g R C s l a b b r i d g e s[ J ] ． S t r u c t u r e E n g i n e e r i n g ， 1 9 9 7 ， 1 2 3 ( 1 2 ) ： 1 6 3 8 — 1 6 44． [ 6 ] 彭修 宁． 锈损 后 钢筋 混凝 土 疲劳 耐 久性 若干 问题 的研究 [ D ] ． 南 宁 ： 广西大学 ， 2 0 0 4 ． [ 7 ] 中华人 民共和 国交通部 ． G B ／ T 5 0 2 8 3 --1 9 9 9公路 工程结 构可靠 度设计统一标准 [ s ] ． 北 京 ： 中国计 划出版社 ， 1 9 9 9 ． [ 8 ] 中华人 民共 和国建设 部． G B 5 0 0 1 0 --2 0 0 2 混凝 土结构设 计 规范[ S ] ． 北京 ： 中国建筑工业出版社 ， 2 0 0 2 ． [ 9 ] 李永 强 ， 车惠民． 混凝土弯曲疲劳累积损伤性能研究 [ J ] ． 中 国铁道科学 ， 1 9 9 8 ， 1 9 ( 4 ) ： 5 2 — 5 9 ． [ 1 O ] 中华人民共和 国交 通部． J T G B 0 1 --2 0 0 3 公路 工程技术 标准[ s ] ． 北京 ： 人 民交通 出版社 ， 2 0 0 3 ． [ 1 1 ] 曾志斌 ， 李之 榕． 普通混 凝 土梁用 钢筋 的疲劳 s 一Ⅳ 曲线 研究 [ J ] ． 土木工程学报 ， 1 9 9 9 ， 3 2 ( 5 ) ： 1 0 — 1 4 ． [ 1 2 ] 赵 国藩． 工程结构可靠性理论与应用 [ M] ． 大连 ： 大连理工 大学 出版社 ， 1 9 9 6 ． ( 责任审编 白敏华) 关于论文《 砂质泥岩的剪切蠕变特性和本构模型探究》 的声明 《 砂质泥岩的剪切蠕变特性和本构模型探究》 发表于《 铁道建筑》 2 0 1 1年 2期， 经笔者后期 审查及验证后， 发 现因试验过程 中稳压器故障造成试验数据存在 问题 ， 不能被其他 学者所引用， 特此声明!另外， 笔者未能及 时发 现仪器故障， 在此致歉 ， 文章 中所 出现的错误全部由第一作者 负责。 李 男 O 6 2 8 4 0 6 2 6 5 5 4 4 4 3 3 q 骧 擗