服役混凝土梁桥承载能力时变模型分析与应用.pdf

第 3 7卷 ， 第 1 期 2 0 1 2年 2月 公 路 工 程 Hi g h wa y En g i n e e r i n g Vo 1 3 7，No 1 F e b，2 0 1 2 服役混凝土梁桥承载能力时变模型分析与应用 郑顺 ，胡柏 学 ，罗 阳青 ， 黄浩 ( 1 长沙理工 大学 “ 桥梁安全控制 ” 省部共 建教 育部重 点实验 室 ，湖南 长沙4 1 0 0 0 4 ； 2 湖南 省交 通科 学研究 院 ，湖南 长沙4 1 0 0 1 5 ) 摘要 】阐述分析 了锈蚀钢筋与混凝土粘结性 能 、 混凝 土碳化衰 减性 能、 混 凝土抗 压强度 的时变 性能 、 锈蚀 钢筋力学性能及不同受力状况等对混凝土梁桥性能退化的影响。通过工程实际和研究， 在已有资料的基础上， 改 进 了服役钢筋混凝土梁桥 承载 能力模 型。研究 的理论基本 上解决 了服役混凝土梁桥的承载 力评定 和预测 问题 ， 为 旧桥的可靠性评估奠定了基础。最后 ， 通过工程实例的计算 ， 具体说明了梁桥承载力验算的方法以及理论与实际 的符合情况。 关键词 服役 ； 混凝土 ；梁桥 ； 承载力 ；应用 【 中图分类号 】U 4 4 6 3 ； U 4 4 5 7 2 【 文献标识码 A 文章编号 】1 6 7 4 0 6 1 0 ( 2 0 1 2 ) 0 1 0 1 4 9 0 3 An a l y s i s a n d a p p l i c a t i o n o f be a r i n g c a pa b i l i t y t i me - v a r y i ng m o d e l o f i n- S e r v i c e c o n c r e t e g i r d e r b r i dg e ZHENG S hun ，HU Ba i x ue ，LUO Ya ng qi ng ，HUANG H a o ( 1 T h e K e y L a b o r a t o r y o f B r i d g e E n g i n e e r i n g S a f e t y C o n t r o l b y Hu n a n P r o v i n c e a n d D e p a r t m e n t o f E d u c a t i o n，Ch a ng s h a Un i v e r s i t y o f S c i e n c e a n d T e c h n o l o g y，Cha ng s h a，Hu n a n 4 1 0 00 4，Ch i n a； 2 Hu n a n C o m mu n i c a t i o n n s R e s e a r c h I n s t i t u t e ， C h a n g s h a ， H u n a n 4 1 0 0 1 5 ，C h i n a ) Ab s t r a c t T h e a rt i c l e r e p o rt s o n t h e e f f e c t o f r u s t y s t e e l a n d c o n c r e t e b i n d i n g p r o p e rt i e s， c o n c r e t e c a r b o na t i o n a t t e nu a t i o n p e r f o r ma n c e， c o n c r e t e c o mp r e s s i v e s t r e n g t h t i me v a r y i n g p e r f o r ma n c e， c o r r o d e d r e i n f o r c e d me c h a ni c a l p r o pe rti e s a n d t he di f f e r e n t s t r e s s i n c o n c r e t e g i r de r b r i d g e p e r f o r ma n c e d e g r a d a t i o n B a s e d o n e x i s t i n g d a t a ， t h e a p p l y i n g p r o j e c t s a n d r e s e a r c h e s h a v e i mp r o v e d t h e b r i d g e c a r ryi n g c a p a c i t y mo d e l o f s e r v i c e c o n c r e t e g i r d e r b r i d g e Th e r e s e a r c h t h e o ry h a s s o l v e d t h e e v a l u a t i o n a n d p r e d i c - t i o n o f s e r v i c e t h e b e a r i n g c a p a c i t y o f c o n c r e t e g i r de r b r i d g e，whi c h i s t h e r e l i a b i l i t y e v a l ua t i o n o f t he t h e o l d b r i d g e t o l a i d a f o u n d a t i o nF i na l l y，t h r o u g h t h e c a l c ul a t i o n o f e n g i n e e r i n g e x a mp l e s ，i t i l l us t r a t e s t h e me t h o d o f c a l c u l a t i n g t h e be a r i n g c a p a c i t y o f t he g i r de r b r i d g e a n d t h e c o r r e s p o n de n c e b e t we e n t he t h e o ry a n d p r a c t i c a l s i t u a t i o n Ke y wo r d s s e r v i c e ； c o n c r e t e ；g i r d e r b r i d g e ； b e a r i n g c a p a b i l i t y ； a p p l i c a t i o n 1 概 述 近 年来 ， 桥 梁跨塌 事 故频 繁发 生 ， 桥 梁 的耐久 性 和承载能力引起关 注。国内外的资料表明 ， 随着桥 梁结构的老化和损伤累积， 以及车辆荷载 的增加和 维修加 固欠缺 的原 因，既有公路桥 梁 的承载力偏 低 ， 形成 了危桥。在我 国的桥梁建筑中，钢筋混凝 土梁桥 占有相当的比例 ， 且其材质的老化问题非常 严重。可见对钢筋混凝土梁桥的材质老化及耐久性 等问题进行研究具有实用价值。 混凝土的耐久性 是指混凝 土在实 际使 用条 件下抵抗各种破坏 因素的作用 ， 长期保持强度和外 观完整性的能力 。混凝土材料的耐久性指标一般包 括 ： 混凝土 的碳化、 混凝土 中钢筋 的锈蚀 、 碱一 骨料 反应 、 混凝土冻融破坏、 氯离子侵蚀 。 在一般大气环境下，混凝土结构的耐久性问题 主要是混凝土碳化与钢筋锈蚀的问题。通过大量的 调查研究表明， 使用年限达到 3 0 a的梁桥，在一般 【 收稿 日期 2 0 1 l l 0 2 0 作者简介】郑顺 ( 1 9 8 6 一) ， 男 ， 湖南岳 阳人， 硕士研究生 ， 主要从事桥梁安全评估 与研究工作。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 1 5 0 公路工程 3 7卷 环境下约有 4 0 的混凝土已碳化到钢筋的表面， 潮 湿环境下约有 9 0 的混凝土构件已发生锈蚀 ， 严重 者已不能正常运营。 本文主要研究一般大气环境下混凝土梁桥的耐 久性与梁桥在服役阶段时的承载能力 问题 的实 际应 用。 2 钢筋和混凝土的粘结性能劣化 对 于钢筋锈蚀 程度较小且 尚未开裂的受弯构 件，在计算梁桥 的抗力时可不考虑粘结性能的劣化 引起的抗力降低。对于保护层已锈蚀开裂的受弯梁 桥， 应通过引人粘结性能劣化系数来考虑粘结性能 的劣化对抗力 的影响 ， 粘结性能劣化系数 垂 按表 1 取值 。 表 1 粘结性能 恶化 系数 Ta b l e 1 Bo nd pr o pe r t i e s d e t e r i o r a t i o n e o e f fic i e nt 锈蚀裂缝宽度f l fl m 粘结性能劣化系数 0 0 5 O O 52 0 32 0且钢筋锚 固可靠 注 ： ，为 0 0 5 2 0 h i m， 当 d1 6 mm时 ， 取 =0 9 5 ； f 0 9 5 时 ， 取 = O 9 5 。 3 混凝土碳 化的预测模型 混凝 土碳化深度平 均值 的预测模型 可表示 为 ： u a ( t) ， ( 7 4 【 7 4 ) 式中： k 。 为地 区影响系数 ， 北方地 区为 1 0 ， 南方地 区或沿海地带取 0 50 8 ； k 为箱梁 内外 影响系 数 ， 箱外取 1 0 ，箱 内取 0 8 ； k ， 是养护 时间修正系 数 ， 对一般施工情况取为 1 5 。 4 混凝土抗压强度 的时变模型 混凝土立方 体抗压强度平均值 函数 可 以表 示 为 ： URo( t ) ： 1 4 5 2 9 e x p 【 一 0 0 2 4 6 ( 1 n t 一1 7 1 5 4 ) 。 式 中： u 为混凝土 2 8 d抗压强度的平均值。 5 一般大气环境 中钢筋锈蚀模型 5 1 钢 筋开 始锈蚀 时 间的确 定 = ( ) o = 4 8 6 (一 尺 +1 5 R H 一 0 4 5 ) ( c 一 5 )X 【 l n ( f c ) - 2 3 式 中： C为砼保护层厚； k为碳 化系数 ； 。 为碳化残 量 ； R 为环境湿度 ， 。 5 2钢 筋截 面积 的 时变模型 根据钢筋锈蚀形态的不同，钢筋锈蚀分为均匀 锈蚀和局部锈蚀。针对混凝 土梁桥受弯构件 ， 时变 模型可见参考文献 5 ， 8 。 6 不 同受力状态下梁桥的承载能力研究 梁桥在不同的受力状态下 ， 其承载力有所不同， 在计算中采用梁桥 承载能力检算 系数 z来考虑其 影 响 。具体数 值见 表 2 。 表 2 桥梁承载能力检算 系数 z Ta bl e 2 Br i d g e c a r r y i n g c a pa ci t y by c a l c u l a t i ng c o e f f i c i e n t Z 注 ：小偏 心受压 可参 照轴 心受压取用承载能力检算 系数 z值 。 7 损伤梁桥构件的承载能力模型 对于基本完好 的梁桥 ， 承载力几乎基本没有下 降， 可以采用材料的实际强度进行计算。对 于损伤 较严重 的梁桥 ， 采用锈蚀钢筋的屈服拉应力按规范 公式计算构件的承载力。对于损伤严重 的梁桥( 裂 缝宽度较宽或者保 护层脱落 ) ， 其承载能力仍按规 范公式计算 ， 但钢筋的屈服拉应力需乘 以粘结性能 劣化系数 。对于不 同受力状态下 的梁桥 承载力计 算， 应乘以修正系数 z 。 综 上所 述 ，服役构 件 的承载 力模 型可 表示 为 ： P( ) ： r b R dR ； 1 z ( ) = 。f ； I I z L ， c J 式中： R d 为规范规定的抗力函数式； u ( t ) 、 4 9 一 8 加 m 7 O 一 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 1 期 郑顺 ， 等 ： 服役混凝土梁桥承载能力时变模 型分析 与应用 1 5 1 ( t ) 分别为混凝土和钢筋强度的时变模型； r c 、 r s 分 别为砼和钢筋材料安全系数；r b 为结构工作数。 8 工程实例 某桥地处郴州市境 内， 全桥跨径组合 62 0 i n ， 全长 1 3 0 4 7 m。上部结构 采用先张法 预应力 C 5 0 混凝土空心板 ， 下部结构桥 台采用 C 3 0混凝土 u型 桥 台， 桥墩采用柱 式墩配扩大基 础， 圆板式橡胶支 座。该桥于 2 0 0 1年建成通车。经监测 ， 该桥桥面的 碳化深度平均值为 3 0 m m， 桥墩的碳化深度平均值 为 3 1 7 m m， 钢筋未锈蚀 ， 桥梁 的综合评定为三级 ， 裂缝情况见表 3 。 表 3 裂缝统计表 Ta b l e 3 Cr a c k TAB 本次计算活载采用 汽车一 2 O级 ， 挂车 一 1 0 0级作 为验算荷载 ， 验算采用有限元软件 MI D A S 2 0 1 0进行 承载力验算 ， 对桥梁的安全性进行评估。 共建立 了3 O个平面杆系单元 ， 截面形式和模型 见图 1 ， 图 2 ， 取最不利的边板按 钢筋混凝 土构件进 行承载能力计算 。 图 1 截面 尺寸 ( 单位： m m ) F i g u r e 1 S e c t i o n s i z e( u n i t ： m m) 图 2有限元模型 Fi g u r e 2 Fi n i t e e l e me n t mo de l 计算模型假定及考虑因素如下 ： - 主梁空心板间按铰接模式简化 为平 面杆 系 计 算 。 边板偏安全取次边板尺寸 ， 桥面铺装 和防撞 栏杆以二期恒载作用。 混凝土：重力密度取 2 4 k N m ， C 5 0混凝 土 弹性模量 3 4 51 0 MP a 。 设计荷载 ：汽车一 2 0级 ， 挂车一 1 0 0级。 截面特性及横向分布系数 ： 空心板截面特性 ： 抗弯惯矩 ， = 5 5 81 0m ； 抗扭惯矩 ， = 3 8 21 0 m 。 由于桥梁 由板铰接而成 ， 横向分布系数的计算 采用 “ 铰接板法” 计 算 ， 按 四车道折减 ， 算得边板的 横向分布系数为 0 3 0 5 。 计算荷载取值 ： 恒载。预应力 混凝土空心板梁作 为受力 结 构 ， 考虑 自重 ， 作为一期恒载处理 ； 桥面板和护栏 以 荷载形式计人， 作为二期恒载处理。 二期恒载取值如下 ： 护栏 ： 4 6 k N m。 活载。汽车 荷载 ：汽 车 一 2 0级 ， 挂车 一1 0 0 级， 按 四车道计算。 荷载组合。按照新桥规规定考虑荷载组合 工况 如下 ： 1 2 ( 恒载 +预应力 )+1 4 ( 车道荷载) 。 主要计算结果 ( 见表 4 ) ： 根据计算 ， 承载能力极 限状态基本组合效应值 边板跨中最大弯矩为 2 3 9 7 7 3 k N m。 表 4 边板 承载 能力极限状态荷载组合效应表 ( 跨中) Ta b l e 4 S i d e pl a t e c a r r y i ng c a p a c i t y l i mi t s t a t e l o a d c o mbi n a t i o n e ff e c t t a b l e ( C r o s s i n ) 桥墩的碳化深度预测值 ： u d ( t) ， ( 7 4 - o 6 。 【 7 4 。 6 1 5 ( 2 4 4 8 - 2 _ 7 4 ) = 4 9 mi l l 本桥桥墩的碳化深度实测值为 3 0 m m， 预测值 比实际值大 1 9 m m空心板的碳化深度预测值 ： ：后 ， ( 一 z 7 4 - o 6 。 【 - 2 7 4 0 6 L 0 1 5 ( 2 4 4 8 一 2 7 4 ) = 2 0 5 I n m 本桥空心板的碳化深度实测值为 3 1 7 mm， 预 ( 下转第 1 7 9页) 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 1 期 李志强 ： 不 同纤维对玛蹄脂 和 S M A混合料性能 的影 响研究 1 7 9 ( 上接 第 1 5 1页 ) 测值 比实际值小 1 1 7 m i l l 。 钢筋开始锈蚀时间( R 取 8 0 ) ： 0 = 4 8 6 (一R H +1 5 R 日 一0 4 5 ) ( c 一 5 )X 【 In ( ) - 2 3 】 = 1 3 2 7 m ill ； = ( 孚 (2 7 5 4 - 13 2 7 1 5 6 】 = 8 4 a1 0 a。 故钢筋未锈蚀， 与检测结果一致 。 混凝土抗压强度 ： R。( f ) = 1 4 5 2 9 e x p 一 0 0 2 4 6 ( 1 n t 一 1 7 1 5 4 ) 】 R 0 = 1 4 4 x 2 8 5 = 41 0 4 钢筋粘结性能劣化系数 ： d1 6 l l l m时，取 = 0 9 5； 梁桥承载能力检算系数 ： 该桥承载能力状态为 较好状态 ， 且为受弯构件 ， 故取 Z=1 1 。 桥梁承载能力 ： R v ( t )= r b R d ； l 6 ( 号 ) + 吉 R A ( 。 一 口 ) = 0 9 5 x 1 4 1 0 4 9 9 0 1 8 0 ( 8 2 01 8 0 2 ) 1 2 5+ 3 4 0 X 1 1 3 1 X ( 8 2 0 8 0 ) 1 2 5 】 1 1 - 4 4 08 5 7 k N n l 2 3 9 7 7 3 k N m 抗 力 函数 式 采 用 的 是 参 考 文 献 1 0 第 1 6 条， 比荷载效应组合 的设计值大了 2 0 1 0 8 4 k N m。 安全系数为 1 8 4 ， 该桥的承载能力状况 良好 。 9 结语 本文在现有的理论的基础上， 改进了钢筋混凝 土梁桥的承载力计算模型 ， 并通过工程实例， 详细给 出了梁桥承载力的计算过程 ， 并证 明了模型较好 的 符合 了实际情况。为了进一步加强理论的深化与推 广 ， 需要 采用 更 多梁桥 的检 测数据 。 1 2 3 4 5 6 7 8 9 1 O 参考文献 项海 帆 高等桥梁理论 M 北京 ： 人 民交通 出版社 ， 2 0 0 1 ZhHZo ng，W X Re n，Zh FZhe n g， “Be a ring c a pa e i t y e v alua t i o nme t ho ds o f e x i s t i ng b ridg e s ”，Ea r t h q ua k e E n g i n e e rin g a n d E n g i n e e r i n g Vi b r a t i o n，2 0 0 5， 2 5 ( 5 ) ： 1 4 7一 l 5 2 M Ca i ，“Me t ho d s f o r Ev a l u a t i o n o f Be a r i n g Ca p a c i t y o f Ex i s t i n g Hi g h wa y Bridg es ”，Brid g e Co n s t r u c t i o n，2 0 0 5， 3 5 ( 4 )： 6 97 1 Q G u o ， G B T a n g ， X N K o u ， “ Me t h o d s f o r D e t e c t i o n a n d Ev a l ua t i o n o f Be a r i n g Ca p a c i t y o f Me di um s ma l l Sp a n Ex i s t i n g i n Hi g h wa y Bridg e s ”，Co mmu n i c a t i o ns S t a n d a r d i z a t i o n，2 0 0 8， 2 1 ( 4) ： 1 0 21 0 6 胡柏学 服役钢筋砼 桥梁承载 能力衰减 研究 J 中南公路 工 程 ， 2 0 0 4， ( 3 ) 牛荻涛 混凝土结构 的碳化模式 与碳化 寿命分 析 J 西安建 筑科技大学学报 ， 1 9 9 5 。 ( 4) 郑 怡 既有 钢筋混凝土梁时变 可靠度计算模 型 J 交通运 输工程学报 ， 2 0 0 9 ， ( 2 ) 张平生 锈损钢筋的力学性 能 J 工业建筑 ， 1 9 9 5 ， ( 9 ) 彭建新C O 2排放 、 气候变化及其对混 凝土结构开始腐蚀时 间 和时变可靠度评估的影 响 J 公路交通科技 ， 2 0 0 9 ， ( 1 0) J T J 0 2 3 - 8 5 ， 公 路钢筋混 凝土及预 应力混凝 土桥梁设 计规范 S 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m