既有钢筋混凝土T梁时变可靠度分析.pdf

1 9 0 科技研究 城 市道桥与 防洪 2 0 1 1 年 4 月第4 期 既有钢筋混凝土T梁时变可靠度分析 周 鸱， 邹锦 华， 刘洪瑞 ( 广东 工业大学 土木 与交通 工程学 院 ，广东广 州 5 1 0 0 0 6) 摘要： 我国现有大量钢筋混凝土T 梁结构 ， 随着服役时间不断延长， 在大气环境的作用下均存在不同程度的老化和破坏问 题 。 该文 根据混 凝土碳 化及钢 筋锈蚀 的机 理 ， 考 虑抗力 随时 间变化 ， 对 一座 桥梁进 行时变 可靠度 分析 ， 同时对 比分析 各种破 坏 因素对结 果 的影响 ， 发现在 结构抗 力衰减 的作用 下 ， 该 桥在服 役基准 期5 0 a 时已经 不能达 到可靠度 指标 为4 2 的要 求 。分 析结 果 表明 ， 钢筋锈 蚀对 可靠度影 响最 大 ， 可 为桥梁 工程耐 久性评 价提供 有意义 的参考 。 关 键词 ： 钢筋混 凝土T 梁 ； 耐久 性 ； 时 变可靠 度 中图分类 号 ： U 4 4 8 3 4 文献标 识码 ： A文章 编号 ： 1 0 0 9 7 7 1 6 ( 2 0 1 1 ) 0 4 0 1 9 0 0 4 0 前言 既有桥梁承载能力评估是桥梁管理 中的主要 任务之一。 建立有效 、 经济 的桥梁承载能力评估方 法并使之规 范化一直是管理部 门和工程界所关注 的重要 问题 。然 而 ， 目前 ， 无论是 国内还是 国外 ， 将结构可靠度理论用于桥梁结构安全性评估还处 于研究阶段 ，尚未有成熟 的方法来精确计算 随机 变量对结 构 可靠度 的影响 l l _ ， 同时 可靠度 分析模 型尚未充分考虑时间变化 因素 ，视结构抗力 和荷 载为静态 ， 与实 际情况不符 。在大气环境下 ， 由于 混凝土碳化和钢筋锈蚀 ，钢筋混凝 土结构 的性能 会逐步劣化 ， 其结果是结构在规定 的时间内 、 规定 的条件下完成 预定功能的能力 降低 。钢筋混凝土 结构 因钢筋锈蚀 引起混凝 土顺筋胀裂而造成 的损 伤被认为是 当今影响混凝 土结构耐久性 的首要原 因【 2 】 。基于此 ， 本文综合考虑上述各种 时变因素 ， 选取广东省道高广线( S 1 1 3 ) 电白县石旦桥水毁工 程 ， 针对在大气环境 的腐蚀作用下 ， 讨论既有桥梁 可靠度的动态变化， 对比分析混凝土碳化， 钢筋锈 蚀等各种 因素对桥梁可靠度的影响状 况。为科研 项 目 水泥混凝 土桥面铺装耐久性技术研究 ( 粤 公研2 0 0 9 1 6 ) 中混凝土耐久性分析提供一种可行 的方法 。 1 抗力衰 减 时变分析 在 目前钢筋混凝土结构 的损害 中，影响混凝 土结构耐久性 的因素十分复杂 ，其所处的外界环 境条件和 防护 措施是影响耐久性 的主要外 因 ， 主 要就是混凝土的碳化 以及其引起的钢筋锈蚀 。这 些都是随着时间的变化不断加剧 的 ，结构 的抗力 收稿 日期： 2 0 1 0 1 1 - 1 0 作者简介 ： 周 鹛 ( 1 9 8 6 一) ， 男 ， 湖南衡 阳人 ， 硕 士在读 ， 研究 方 向为桥 梁加 固与检 测。 也随时间不断衰减 ，可靠度降低直到无法达到要 求 ， 因此在抗力衰减模型 中， 对于混凝 土和钢筋 的 种种损害是计算中必须考虑的。 1 1混凝土强度在一般大气条件下的变化 一 般大气条件下混凝 土性能劣化 主要是其碳 化腐蚀 ， 碳化使混凝土失去碱性 ， 并逐渐失去对钢 筋 的保护能力 ， 此外其强度 随时间也有所改变 。 在 役 钢筋混 凝土 结构 的强度 仍然 假定服 从 正态 分 布 ， 其平均值和标准差可表示为时间的函数 3 ： f ) ： 1 4 5 2 9 e 。 。 。 ， ( 1 ) o f f ( t ) = ( 0 0 3 0 5 t + 1 2 3 6 8 ) ( 2 ) 式( 1 ) 、 式 ( 2 ) 中 ： x , 1 1 o 分别为混凝土2 8 d 强 度的平均值和标准差 。 1 2 钢筋锈蚀 引起的截面损失 钢 筋锈 蚀对 结构 可靠 性 的影 响 主要 有两 方 面 ： 一是锈蚀 引起的钢筋截 面积减小 ； 二是因为锈 蚀 引起体积增 大、 顺筋裂缝 、 保护层剥落而导致钢 筋与混凝土之间粘结力下降。钢筋锈蚀引起的截 面损失与锈蚀开始时间有显著关系 ，将其描述为 时间的分段 函数【 】 ： 2 _3 5 托 - K jr ) R + c - V 一 - i - a ( 3 ) I C 0S I I W c r + 1 1 7 3 P R 一 t o ) l c t c ) 式( 3 ) 中： 混凝土碳化系数 ； t 锈蚀 开始时间 ；D 混凝土保护层开裂时间 ； c 混凝土保护层厚度 ； 空气相对湿度大于6 5 的概率 ； 一 混凝土保护层开裂时的锈蚀量； 。 钢筋在t 时刻的锈蚀量 ； 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 2 0 1 1 年 4 月第 4 期 城 市道桥 与防洪 科技研究 1 9 1 氧气在混凝土 中的扩散系数 。 1 3 锈蚀引起的钢筋力学性能变化 钢筋在锈蚀过程 中， 不仅 受力面积减小 ， 而且 其力学性能也将 发生改变 ， 钢筋塑性 、 伸长率均随 着锈损量 的增大而降低 。其变化可 以表示为 ： 厶- f y ( O 9 8 6 1 1 9 9 2 r l ) ( 4 ) 式( 4) 中： 锈蚀钢筋名义屈服强度标 准值 ； ， 规范提供 的钢筋强度标准值 ； 叼 钢筋截面锈蚀 率。 1 4 钢筋与混凝土协同工作 性能的改变 钢筋锈 蚀不可避免会影响其与混凝土之 间的 粘结能力 ，对损伤严重 的构件需要计入 由于钢筋 锈损而引起 的两者之间的共同工作能力下降 而导 致的抗力 降低 5 J ： Ii ： 1 0 3 ( 5 ) 1 T d 式 ( 5 ) 中 ： 协 同工作 系数 ； 钢筋截面裸露周长 ； 钢筋直径 。 2时变 可靠 度计算 在实际应用 中影响结构性能衰减 的因素非 常 的多， 可 以把影响结构这些因素 当成随时间变化的 随机变量来处理 ， 通过建立这些影响因素的时变规 律得到整个结构的时变规律 ， 来预测结构的剩余寿 命。考虑环境作用下 时变效应的结构功能函数 ： Z ( ) = g l 尺0 ) ， s ( t ) J ： 尺( ) 一 s ( t ) ( 6) 式 ( 6 ) 中 ： ) 结构抗力随机过程 ； 5 结构荷载 随机过程 ， 为结构 中一 个 荷载 或多个 荷 载 的线 性或 非 线性 函数 ， 可以简单划 分为恒载 S ( f ) 和活载S ( ) 。 荷载是桥梁结构上 的主要作用之一 ，主要包 括恒载 、 车辆 荷载r 静力及 动力) 、 环 境荷载 r 温度 、 风及地震) 和其 他荷载r 冲击及制 动J 等 。在考虑荷 载作用效应随时 问变化的情况下 ，按实际情况建 立荷载 的概率模型 ， 确定其概率分布及统计参数 ， 并在此基础上找 出作用效应的概率分布。 将设计基准期分 为若 干个时段 ，在考虑钢筋 混凝土构件钢筋及混凝 土劣化情况 下 ，计 算出各 个时段抗力均 值和标 准差 ， 同时根据荷载模型 ， 计 算 出各个 时段恒 载和活载 的均值 和标准差 ，就可 以根据结构功 能函数 ， 采用可靠度计算 方法( 一次 二 阶矩法 、 J c 法 、 Mo n t e C a r l o 法 )计算 出各个 时段 的可靠度指标 。 3 算例 广东省道 高广线 ( S 1 1 3 ) 电白县石旦桥水毁工 程 ， 采用 1 6 1 T I 普通 钢筋 混凝土 简支T 梁桥设计 。其 基本 资料 如下 ： 主梁横 断面布置 ， 如图 1 所示 。设 计车道数 为双 向2 车道 ， 4 片主梁 ， 跨 内共设5 道 横 隔板 ， 主钢筋用H R B 3 3 5 ， 其它用H R B 2 3 5 ； 混凝土 为C 3 0 ； 混凝土铺装厚1 0 c m， C 4 O 混凝土。设计荷载 ： 公路一I I 级 ； 桥面净 宽 ： 净叫 7 m + 20 4 m； 标 准跨径： L = 1 6 。 0 0m； 计算跨径： L = 1 5 。 9 6m。 3 1恒载作用效应计算 根据桥梁基本 资料 ， 计算 各梁恒载 内力值G 如表 1 所示 ： 表 1 各梁 恒载 内力值 梁号 1 2 3 4 恒载 内力值 G x k N- m 6 5 4 9 5 6 9 7 6 2 6 9 7 6 2 6 5 4 9 5 已建桥梁 的 自重会 由于施 工误 差 、使用过程 中磨损而与设计计算有 所差别 ，可以视为随机变 量 ， 通过统计方法来建立概率模型 。 桥梁结构恒 载 的概率分 布函数及统计参数如下 ： )： 一f e p (x - 1 0 1 4 8 G IK ) ( 7 ) ” 0 0 4 3 7 G 、 0 0 0 3 8 G ，2 图1桥梁 横断面 ( 单 位： c m) 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 1 9 2 科技研究 城 市道桥 与防洪 2 0 1 1 年4 月第4 期 式 ( 7 ) 中 ： G 恒载值 ， 可 以按照 不 同 比例 关 系， 得 到结构 自重的统计参数 ， 计算桥梁结构恒 载效应的均 。 和标准差 。 【 6 J ， 见表2 。 表2各 梁恒载 值和标 准差 3 2 活载作用效应计算 根据桥梁基本资料 ，计算 桥梁最不利荷载下 各梁活载弯矩值 ， 见表3 。 表3各 梁最不 利工况 活载弯 矩值 汽车荷载模型密集运行状态下截 口分 布服从 极值 型1 分布 ， 不 同基准期( T ) 01 0 0 a 的均值和标 准差计算如下7 】 ： F r ( x ) = e x p - e x p 一 ( ) 3 ) ( 8 ) = O + 3 I n ( T 1 0 0 1 ， 3 = 3 ( 9) r + k 1 _ 2 8 2 5 9 ( 1 0) 不 同基准期汽车荷载的均值和标准差见表4 。 表4不 同基准期 汽车荷 载的 均值 和标 准差 3 3 时变抗力计算 钢筋混凝 土T 梁结构 的抗力 衰减涉及许 多 因 素 ， 考虑碳化残量和钢筋开始锈蚀时间模 型； 钢筋 腐蚀模型和混凝土保护层开始开裂时间模型等 等 。实测石旦桥水毁工程钢筋混凝土简支梁桥环 境湿度 为7 0 ， 环境 温度为2 0 C c， 计算 出混凝土 保护层开裂时间为2 8 a 。按 照不 同基准期0 1 0 0 a 计算钢筋锈蚀深度 ， 从而得出钢筋截面的损失率 ， 同时考虑环境 因素计算 出锈蚀后 钢筋的强度 ， 如 表5 所示 。 表 5不同基 准期 内钢 筋状 况 进行正截面抗力计算 ，根据钢筋 以及混凝 土 随时间衰减 的模型 ，分别计算不同基准期抗力 的 均值和标准差 ， 如表6 所示。 表6不 同基准期 抗力 的均值和 标准差 3 。 4 可靠度计算 由于可靠度计算 的过程 比较复杂 ，本 文使用 m a t l a b 软件编制程序进行可靠度计算 的算法模拟。 根据上一小节所计算不同基准期 的恒载 ，活载和 抗力的均值 和标准差 ， 分别采用一次二 阶矩法 ， J c 法和Mo n t e C a r l o 法进行可靠度计算 ， 其结果见表7 。 上述表 中， 卢 ， 卢 ， 3 分别代表三种方法计算 的 可靠度指标 ， 见图2 。 根据图2 分析得 出： ( 1 ) 在时变可靠度指标计算中分别采用了一次 二 阶矩法 ， J c 法和Mo n t e C a r l o 法 ， 其可靠度指标变 化对 比见 图2 ， 从 图上 可以看 出 ， 使 用一次二 阶矩 法虽然计算可靠度指标偏大 ， 结构偏安全 ， 实 际应 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 2 0 1 1 年 4 月第 4 期 城 市道桥 与防洪 科技研究 1 9 3 表 7 可靠 度指 标计 算结 果 4 0 5 o 6 o 7 0 8 0 9 0 1 0 o 基准期 ， a 图2时变 可靠度 计算 结果 用中应该采用M o n t e C a r lo 法进行可靠度指标计算 进行 可靠度验算 ， 虽然计算 量较大 ， 但 借助ma t l a b 程序可 以轻松实现 ， 计算结果更 加接 近实 际。 ( 2 ) 从抗力时变衰减模型的模拟 中可 以发 现 ， 结构在基 准期5 0 a 的时候 已经不能够 满足可靠度 指标 达到4 2 的要 求 ， 但 是实 际计算 过程 中 ， 采用 一 次二 阶矩法算 得的卢 -= 4 2 5 仍然能够满 足要求 ， 但是采用Mo n t e C a r l o 法算得 的 = 4 1 5 则不满 足要 求 ，可见采用不 同方法计算可靠度对 于桥梁寿命 的预测和桥 梁情况 的判 断有重大 的影响 。 3 5 参数分析 根据桥梁的实际使用情况 ，实测 资料显 示在 服役至约3 3 a 时候 混凝土 出现裂缝 ，考虑实 际境 况中许多不可预 知的因素 ，与混凝 土腐蚀模 型所 计算 出的2 8 a 相差 不大 ，该模 型分析结果是 比较 合适的。 在大气环境下 ， 既有钢筋混凝土T 梁结构 可靠 度 指标 随时 问变化逐渐减小 ，造成结构 的抗力 衰 减 的各种 因素里面 ，进行可靠度指标计算 的参数 分析 ， 考 虑几种状况 ： ( 1 ) 仅考 虑钢筋混凝 土之 间 粘结作 用的衰减 ； ( 2 ) 仅考虑 混凝土强度 的衰减 ； ( 3 ) 仅考 虑钢筋截 面积的损失 ； ( 4) 仅考虑 钢筋强 度 的衰减 ； ( 5 ) 不考虑抗力的损失。进行可靠度分 析 ， 结果见图3 。 图3可 靠度 指标 随时 间变化 图 根据 图3 9析得 出： ( 1 ) 由计算结果可 以看 出 ， 当不考虑结构抗力 损失 时 ， 结 构的可靠度指标 在基准期 1 0 0 a 处仍然 可 以达到4 2 3 ， 这与实 际情 况 的2 3 2 相差 很远 ， 因 此在服役桥梁结构 中环境影 响造成的抗力损失是 非常巨大的。 ( 2) 结构在 出现裂缝之前 的可靠度指标衰减不 大 ， 结构可 以保持安全使用 的状态 ， 在2 0 a 后 混凝 土开始出现裂缝 ， 钢筋锈蚀不断增加 ， 结构可靠度 指标下降非常快 。 ( 3) 由图3 中可 以看 出 ， 钢 筋的截 面损失 和钢 筋 的强度 衰减对结构 的可靠度 影响最大 ，占据 了 抗 力损失的8 0 左右 ，在桥 梁耐久性 的损 伤中起 到决定性 的作用 。 在实际桥梁结构服役期 中， 混凝 土保护层是需要重点关 注的，监控 裂缝 的出现以 及钢筋 的受损状态对桥梁结构可靠度 的预测有着 重要 的意义 。 4 结语 在结构耐久性评估 中，基于时变可靠度理论 ， 将时问参数t 引入到结构抗力表达式 中， 在将车辆荷 载效应随机过程模型转换为最大值分布时 ， 同时考 虑既有结构抗力衰减导致结构服役期的缩短 ， 提出 既有桥梁结构动态可靠度指标 的计算方法 。然后 ， 以省道高广线 ( S 1 1 3 ) 电白县石旦桥水毁工程为例 ， 用该方法进行钢筋混凝土T 梁构件的时变可靠度 的 计算 ， 并进行 了可靠度 的参数 分析 ， 可 以看 出钢筋 的锈蚀对结构可靠度指标下降有着最重要的影响。 如 如 q 擗 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 1 9 4 科技研究 城 市道桥 与防洪 2 0 1 1 年 4 月第 4 期 曹妃甸工业区 1 桥工程索塔锚固区性能研究 孙 国 亮 ， 陈 雷 f 唐山曹妃甸发展投资集团有限公司， 河北唐山 0 6 3 2 0 0 ) 摘要： 混凝土索塔钢锚箱锚固结构 由于其受力方式明确、 施工方便等优点 ， 正在被越来越多的斜拉桥所采用。 该文以曹妃甸 工业 区 l # 桥 工程 为背 景 ， 通 过 对钢混 索塔锚 固区精 细化仿 真有 限元分 析 ， 对锚 固区应 力集 中程 度 、 应 力分 布 、 应 力水 平 、 刚 度过渡的平稳性、 结构安全储备进行评估。 关键词： 索塔锚固区； 嵌入式钢锚箱； 连接件 ； 精细化仿真有限元分析 中 图分类号 ： U 4 4 3 3 8 文 献标识 码 ： B文章 编号 ： 1 0 0 9 7 7 1 6 ( 2 0 1 1 ) 0 4 0 1 9 4 04 1 工程概 况 曹妃甸工业 区 1 # 桥工程是曹妃甸工业 区规 划道路框架“ 三纵七横 ” 中的重要 组成部分 ， 桥址 位于曹妃甸规划网路 “ 三纵七横 ” 路网骨架 的三号 路上 ， 距离已建 1 号路西侧约 2 k m处 。曹妃甸工 业 区 1 # 桥为跨纳潮河 的特大桥 ，北起大桥北岸 落地点( 桩号 K 4 + 0 9 0 9 0 3 ) ， 南至大桥南岸落地点 ( 桩号 K 5 + 8 1 0 9 0 3 ) ， 工程 范围长约 2 3 5 k m， 其 中 桥梁工程范 围长约 2 0 2 k m。 主桥采用跨径 为 1 3 8 m+ 1 3 8 i n的独塔单索 面 叠合箱梁斜拉桥 ， 全长 2 7 6 m， 桥宽 4 0 m， 变截面 圆端型钢筋混凝土桥塔 ，塔梁墩 之间采用 固定支 座。 斜拉索采用扇形布置， 主塔两侧各 1 6对索 ， 梁 上标准索距 7 m， 塔上标准索距 2 0 m。主桥总体 布置见图 1 。 2 研 究背 景 斜拉桥的上部结构是由梁、 索、 塔三个主要部 分组成 ， 它是一种桥面体系以加劲梁受压( 密索) 收稿 日期 ： 2 0 1 1 - 1 l 一 2 9 作者简 介： 孙 国亮 ( 1 9 7 9 一) ， 男 ， 河 北唐 山 人 ， 工程 师 ， 从事 工 程技 术管理 工作 。 本文的研究工作可以作为既有混凝土T 梁结 构的维护加固决策的基础， 为制定一个经济、 合理 的桥梁维护方案提供科学依据。有待于进一 步研 究的工作是， 收集可靠的实测资料， 混凝土劣化预 测公式 的优化 以及既有 结构的可靠度评估 技术 ， 待 以后深人研究 。 参考 文献 【 l 】 秦权， 杨d , l J1 退化结构时变可靠度分析 J 1 _ 清华大学学报( 自然 科学 版) ， 2 0 0 5 ， 4 5 ( 6 ) ： 7 3 3 7 3 6 【 2 A s a n t e y S B A， B a t e l e t t F MI m p a c t o f p o s te d l o a d l i m i t s O n 或受弯( 稀索) 为主， 支承体系以斜索受拉及桥塔 受压为主的桥梁 。 在斜拉桥 中， 梁和塔是主要承重 构件， 并由斜拉索组合成整体结构。 斜拉索锚固结 构的可靠与否， 将直接关系到整个大桥的安全度 ， 是斜拉桥的关键部位。 大跨度斜拉桥的索塔一般采用空心变截面塔 柱 ， 常见 的索塔锚 固型式有以下几种 ： 预应力混凝 土锚固结构、 钢锚固梁结构、 钢锚箱结构。钢锚箱 与混凝土塔壁的组合主要有嵌人式和外包式两种 方式 。 嵌入式是钢锚箱被夹在混凝土塔壁之 间， 斜 拉索的竖向分力由锚箱两侧钢板的连接件承担 ， 采用该方案的斜拉桥有法 国 N o r ma n d y大桥 、 希腊 R i o n A n t i r i o n大桥、 杭州湾大桥等。 外包式是钢锚 箱封 闭在混凝 土塔 壁 内侧 ， 斜拉索 的竖向分力 由 锚箱两端钢板 的连 接件承担 ， 采用该 方案的斜拉 桥有苏通长江 大桥 、 香港 昂船洲大桥 以及 日本的 新名西桥以及栗东桥等几座低塔斜拉桥。钢锚箱 锚固结构具有传力可靠， 易于检测维护 ， 便于换 索等优点， 正在被越来越多的大跨度斜拉桥所采 用 3 1 。 本桥采用的是嵌入式钢锚箱，钢锚箱和钢筋 混凝土在钢锚箱侧板的两端部相结合，钢 一混结 合面通过剪力钉传递剪力。锚箱总高 3 6 4 m， 顺 h i g h w a y b ri d g e r e l i a b i l i t y【 J 】 J o u rna l o f B ri d g e E n g i n e e r i n g , 2 0 0 5 ， 1 0 ( 3 ) ： 3 2 1 - 3 3 0 【 3 】 李扬海， 鲍卫刚， 郭修武 等 公路桥梁结构可靠度与概率极限状 态设计【 M 1 北京： 人民交通出版社， 1 9 9 7 4 1 索清辉， 钱永久 服役公路桥梁的时变可靠指标计算【 J 】 交通运 输 工程学 报， 2 0 0 6 ， 6 ( 1 ) ： 6 9 7 1 【 5 】 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 ， 3 3 ( 6 ) ： 5 0 - - 5 6 【 6 】 仲秋伟， 赵国藩。 多种腐蚀因素作用下钢筋混凝土结构的可靠 度分析 J 】 土木工程学报， 2 0 0 3 ， 3 6 ( 1 1 ) ： 1 - 5 【 7 】 彭文韬， 邓志勇， 余乐卿 基于时变可靠度理论 的桥梁评估和嗣 余寿命预测 武汉理工大学学报， 2 0 0 8 ， 3 0 ( 5 ) ： 9 5 9 7 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m