在役钢筋混凝土桥梁的耐久性评估.pdf

2 0 1 0 年 第 6 期 (总 第 2 4 8 期) Nu mb e r 6 i n 2 01 0( To t a l No2 4 8) 混 凝 土 Co n c r e t e 理论研究 THEoRE TI CAL RES EARCH d o i ： 1 0 3 9 6 9 j i s s n 1 0 0 2 3 5 5 0 2 0 1 0 0 6 0 1 3 在役钢筋混凝土桥梁的耐久性评估 胡桂娟 ，付春松 ， ( 1 广西建设职业技术学院 ，广西 南 宁 5 3 0 0 0 4 ；2 袁秋平z ，常岩军 2 广西大学 土木建筑工程学院 ，广西 南 宁 5 3 0 0 0 4 ) 摘要 i 通过分析影响在役钢筋混凝 土桥梁 耐久性损伤 的原 因， 结合在役钢筋混凝土桥梁耐久性 损伤的模糊性和 随机性 ， 引进了模 糊概 率评估模型 ， 以在役钢筋混凝 土桥梁 耐久性为评估 目标 ， 建立 了评估模型。将在役钢筋混凝 土桥梁 耐久性状况划分成 4级 选取了 4个影 响耐久性的主要因子， 并选用了梯形分布作为各影响因子的隶属函数。 在模型中， 还提出了模糊权重的概念， 可充分考虑权重的模糊性。 模 糊概率模型不仅继承 了经典模糊综 合评判 法的思 想和优点 ， 同时也克服 了其在 实际应用中评估影响因子权重取值 的局 限性 ， 因而具有 明 显的合理性。运用不同的方 法对实 际算例进行评估 ， 结果表 明： 在评估在役钢筋混凝 土桥梁的耐久性方面 ， 模糊概率模型显现出其 良好 的 可靠性和简便性。 关键词 ： 钢筋混凝土桥 梁；模糊概率 ；耐久性 中图分类号 ： T U5 2 8 0 1 文献标志码 ： A 文章编号 ： 1 0 0 2 3 5 5 0 ( 2 0 1 0 ) 0 6 0 0 4 3 0 3 As se s s men t f or dur ab i l i t y o f ex i s t i ng r e i nf or c ed c on cr et e b r i d ge HUGu i u a n 。 F uC h u n s o n g ， Y U ANQi u - p i n g ， C HANG Y a h -j an ( 1 Gu a n g x i P o l y t e c h n i c o f Co n s t r u c t i o n， Na n n i n g 5 3 0 0 0 4 ， C h i n a ； 2 C o l l e g e o f C i v i l a n d Ar c h i t e c tu r a l E n g i n e e ri n g ， G u a n g x i U n i v e r s i t y ， Na n n i n g 5 3 0 0 0 4 ， C h i n a ) A b s t r a c t ： B y a n a l y z i n g t h e r e a s o n wh i c h a ff e c t d u r a b l e i n j u r y o f e x i s t i n g r e i n f o r c e d c o n c r e t e b ri d g e ， c o mb i n e d wi t h t h e f u z z y a n d r a n d o mi c i ty o f t h e d u r a b l e i n j u ry o f e x i s t i n g r e i n f o r c e d c o n c r e t e b ri d g e ， i n t r o d u c e d a f u z z y p r o b a b i l i t y mo d e l ， e v a l u a t i o n mo d e l f o r d u mb i l i ty o f e x i s t in g r e i n f o r c e d c o n c r e t e b rid g e wa s e s t a b l i s h e d Du r a b l e s t a t e o f e x i s t i n g r e i n f o r c e d c o n c r e t e b r i d g e we r e d i v i d e d i n t o f o u r g r a d e s ， i n t hi s mo d e l ， fiv e f a c t o t s wh i c h a ff e c t d ura b i l i t y o fe x i s t i n g r e i nf o r c e d c o n c r e t e b rid g e we r e s e l e c t e d Th e fun c t i o n o ftra p e z o i d a l d i s t r i b u t i o n wa s u s e d a s m e mb e r s h i p fun c t i o n f o r e v a l u a t i n g e a c h f a c t o r I n o r d e r t o a s s e s s t h e i n de x we i g h t s c i e n t i fi c a l l y a n d t o a v o i d t h e u n c e r t a int i e s wh i l e d e t e r mi n i n g t h e i n d e x we i g h t ， t h efuz z ywe i g h t i si n t r od u c e di n t ot h i sp r e d i c t i o nmo d e 1 T hef u z z yp r o b a bi l i ty mo d e l n o t on l yh o l d st h eme rit s o f c l a s s i c a l fuz z y c o mpr e h e n s i v e e v a l u a t i o n me t h o d， b u t a l s o o v e r c o me s i t s l i mi t a t i o n s i n prac t i c e Us i n g d i ffe r e n t me t h o d s t o a s s e s s t he a c t ua l e x a mp l e s ， t h e r e s u l t s s ho we d t h a t ： In a s s e s s i n g t h e d u r a b i l i ty o f e x i s t i n g r e i n f o r c e d c o n c r e t e b rid g e， i t wa s d e mo n s t r a t e d t h a t t h e f u z z y p r o b a b i l i t y mo d e l i s e x c e l l e n t r e l i a b i l i t y a n d s i mpl i c i t y Ke y w or d s ： r e i n f o r c e d c o n c r e t e b rid g e； fuz z y p r o b a b i l i ty ； d u r a bi l i t y 0 引言 长期以来 ， 人们一直认为钢筋混凝土是一种耐久性良好的 建筑材料 ， 忽视了钢筋混凝土的耐久性问题， 所以大量的安全 事故发生在建筑物的老化阶段， 且在老化阶段的维修加固费用 之高往往超 出了人们的想象。美 国标准局 1 9 9 8 年调查表明 ， 美 国全年钢筋混凝土桥梁修复费用为 1 5 5 0 亿美元， 占全年各种腐 蚀损失费用的6 2 。2 0 0 8年的汶川 I 大地震中有 2 7 座桥梁遭到 损毁 ， 严重影响了当时的救灾 ， 给当地造成了巨大的经济损失。 如果能较早地对钢筋混凝土桥梁进行耐久性评估 ， 并及时采取 相应 的措施 ， 不 仅会大大地 减少安全 事故的发生 ， 以及挽救经 济损失， 而且还能降低正常使用的维护费用。因此， 加强在役钢 筋混凝土桥梁的耐久性研究， 延长桥梁的使用寿命 ， 是摆在我 们面前 的一个重要 的现实课 题和任务 。 目前对于在役钢筋混凝土桥梁的耐久性评估的方法有很 多 ， 如： 牛荻涛等人【 1建立的依据混凝土立方体抗压强度预测碳 化深度的数学模型； 任更锋等人 2 1将层次分析法( A HP ) 应用于评 估中， 以在役钢筋混凝土桥梁( R c桥梁 ) 耐久性为评估目标， 确 定以钢筋锈蚀、 混凝土碳化、 氯离子侵蚀、 混凝土最大裂缝宽度、 混凝土质量和混凝土损伤为评估指标， 建立了评估模型； 杨则英 等人【 3 将模糊推理 、 神经网络、 遗传算法 3种技术有机融合在一 起， 建立了基于自适应神经一 模糊推理系统和遗传算法的桥梁耐 久性评估专家系统。由于在役钢筋混凝土桥梁的耐久性与很多 因素有关 ， 存在很多偶然因素和不确定性因素， 因此本文将引进 一 种模糊性和随机性相结合的方法 ， 即模糊概率评估模型H 。 运用该模型对在役钢筋混凝土桥梁的耐久性状况进行评估。 1 钢 筋混凝 土构件 耐久性状 况的评估模 型 1 1 建立评估等级集合和评估影响 因子集 在参照文献 6 】 的基础上 ， 将在役 钢筋 混凝 土桥梁 的耐久性 收稿 日期：2 0 1 0 ) 1 - 2 5 基金项 目：国家 自然科学基金( 1 0 9 0 2 0 2 5 ) ； 中国博士后科学 基金 ( 2 0 0 9 0 4 6 0 8 3 9 ) 43 状况等级划分为 A级、 B级、 C级和 D级4个等级， 即： 建立评 估等级集合 ， = ， B， c ， D ， 对应各等级的耐久性 状况及采取的措施如表 1 所示。 钢筋混凝土桥梁的耐久性状况不外乎与 3个因素有关 。 即： 混凝土保护层的损伤因素； 钢筋的锈蚀因素； 偶然因素。 所谓混凝土保护层的损伤因素主要是指保护层碳化速度和 混凝土表面的裂缝情况。因此选取保护层残量碳化时间、 最大裂 缝宽度， 作为在役钢筋混凝土桥梁耐久性状况的主要影响因子。 表 1 影响因子分级评价标准 所谓钢筋的锈蚀因素主要是指钢筋表面氯离子的浓度情 况， 因为氯离子是导致钢筋锈蚀的主要原因。因此选取了氯离 子含量裕度比， 作为在役钢筋混凝土桥梁耐久性状况的主要影 响因子。 所谓偶然因素主要是地震。因此选取当地的地震烈度， 作 为在役钢筋混凝土桥梁耐久性状况的主要影响因子。 综上所述建立评估影响因子集 ( u ， u ， ， “ ) 。即： 保护 层残量碳化 时间 ( u ， ) 、 最 大裂缝 宽度 ( u ： ) 、 氯离 子含量裕 度 比 ( U 3 ) 和地震烈度( ) 。各影响因子与评估等级的模糊关系如下： 1 1 1 保护层残量碳化时间( ， ) 国内外 的大量碳化试验和碳化调查结果 均表 明， 混凝土 碳化深度与碳化时间的平方根成正比。由于在现场确定碳化深度 很方便， 则假定碳化系数不变， 保护层残量碳化时间 “ ( 单位： 年) 可用以下公式求得， 即： ， 1 v 、 2 U l = ( C时。 M 0 ) 式中： 批 系数， 口 ： V t c _ 护层厚度 ， m i n ； 碳化深度， mm； r 碳化时间， 年。 显然保护层残量碳化时间 。 越大， 其耐久性越好。目前国 内外研究尚未对该单因子的判别标准进行准确的划分， 根据已 有的经验， 笔者尝试着划分其判别标准， 见表 1 。 1 1 2 最大裂缝宽度( ) 根据文献【 9 】 混凝土结构或构件的裂缝子项， 按下列规定评 定等级 ： ( 1 ) 受力主钢筋处的横向和斜向裂缝宽度可按表 2 - 4评定 等级。同时注意检测时非荷载或其他作用引起的各种因素对裂 缝宽度增大的影响； ( 2 ) 因主钢筋锈蚀产生的纵向裂缝宽度可按下列要求评定 等级 ： I 级 ： 无裂缝 ； I I 级 ： 无裂缝 ； 级 ： 2 m m； I V级 ： 2 ram。 1 1 3 氯离子含量裕度比( “ ) 根据文献【 9 】 氯离子腐蚀耐久性等级按氯离子含量裕度比 进行评定， 按照以下公式计算， 其判别标准见表 1 。 【 二 1 1 yo Co 式中： C l -卜 钢筋开始锈蚀时临界氯离子含量， 。 按表5 取用； 一 结构重要性系数， 对安全等级为一级或设计使用年 44 表2 l l 、 l l I 、 I v 级钢筋配筋的预应力混凝土结构或构件裂缝宽度评定等级 表 3 I 、 l J 、 级钢筋配筋的混凝土结构或构件裂缝宽度评定等级 表 4 碳素钢丝 、 钢绞线、 热处理钢筋、 冷拔低碳钢丝配筋的 预应力混凝土结构或构件裂缝宽度评定等级 构件 类型 【 C I - 预应力暴露于氯化物干燥的或有防潮措施其他情况下 混凝土 的钢筋混凝土 的钢筋混凝土 的混凝土 0 0 6 0 1 5 1 0 0 0 3 0 限为 1 0 0 年及以上的取 1 1 ； 对安全等级为二级或设 计使用年限为 5 0年的取 1 0 ； 对安全等级为三级或 设计使用年限为5年的取 0 9 ； c 钢筋表面的氯离子含量， 。 对环境中无氯盐的一般大气环境， 直接检测混凝土中氯 离子含量； 对近海环境 ， 则按以下公式 ( 保护层厚度) 进行 计算。 f = 1 c ( ，to )= C o l l一 f e x p ( - t2) d r l 【、 Jo J 式中： c ( ， t o ) 使用 t 年后距离混凝土表面 处氯离子含量， m i l l； 一 混凝土表面附近的氯离子含量， ； f r构件已使用时间， 年； D d 一氯离子扩散系数。 可根据检测时桥梁的服役时间及测定结果， 按上式进行反推 氯离子扩散系数 ； 当数据不足时按 D o = e x p ( 3 5 6 W C + 3 8 6 R H一 3 2 3 6 ) 进行计算； W C为混凝土的水灰比。 1 1 4 地震烈度 ( “ ) 生活经验可知 ， 钢筋混凝 土桥梁 所在地的地震烈度也是影 响桥梁耐久性的主要因子之一， 地震烈度越低对桥梁耐久性越 有利 。抗震 规范规定地 震烈度在 6度 以下的地方 可不要求抗 震设计； 地震烈度在 1 0度以上的地方不适合建钢筋混凝土桥 梁。在参照上述规定的基础上尝试着划分了如表 1 所示的判 别标准。 1 2 确 定评 价影 响 因子的 隶属 函数 评价影响因子隶属度的确定 ， 是进行评估的重要环节， 因而 各模糊集的隶属函数的选择是非常重要的。隶属函数的确定实 质上是人们对客观事物中介过渡的定性描述， 这种描述本质上 是客观的， 由于模糊集理论研究 的对象具有“ 模糊性” 和经验 性 ， 每个人对同一模糊概念的认识和理解存在差异 ， 使得隶属 函数的确定又具有一定的主观性。常见的隶属函数主要有线性 ( 如三角形分布、 梯形分布) 和非线性( 如正态分布 、 岭形分布 ) 等类型。考虑到实际运算的简单性并结合表 l 所示的模糊关系， 选用梯 形分布 的隶 属 函数是 比较合理 的 。对 于评 价指标 因子 U2 、 可采用如下的隶属函数形式 ： j ： ( o 3 8 2 ) I l 一0 3 8 2 a t “ “ 2( )= 1 ( q 。0 。 石家庄研制的 F E A1 0 0即属于该类型产品， 已经投放市场。 开发低干缩的、 在于缩期可继续产生一定膨胀以补充予压 应力损失的膨胀剂 ， 通过保持一定的明矾石含量或引入 Mg O组 分有望达此目的。此前 ， 混凝土业界对碱集料形势的估计似过 分严重了一些， 为了限制碱含量、 膨胀剂弃用明矾石 ， 非为明智 之举 。 开发水养条件相对宽松的膨胀剂， 如引入 C a O膨胀源。 ( 2 ) 减缩材料 。 混凝土减缩剂， 能够减小收缩或不增大收缩的化学外加剂， 能够减小收缩的掺合料。 ( 3 ) 温控材料。 能够降低水化热的温升或改变水化热行为的温控材料， 相 变材料及掺合料 。 ( 4 ) 多性能的复合材料。 开发降低水化热的膨胀剂， 通过引入降温材料， 在获得予 压应力的同时降低混凝土温升。石家庄研制的F E A 2 0 0即属于 该类产品， 加入 1 0 可使温升降低 5 1 O， 显著提高了岛值。 上接第 4 5页 ( 2 ) 混凝土裂缝检测。斜裂缝大部分 已贯通腹板 ， 并 与底板 的横向裂缝连通， 斜裂缝宽度为 0 1 0 3 ton i ， 最大纵向裂缝宽 度约为 0 4mm。 ( 3 ) 氯离子含量检测。氯离子含量约为 0 1 。 根据实际数据计算， 可得各影响因子对于各个评估等级的 隶属度如表 8所示 。 表 8 各影响因子对 于各个评估等级 的隶属度 各评价影响因子的模糊权重如下： 0 60 8。 1 00 80 6 厂 i 一 叶 ： 一 叶 。 j l 一 竹 产 6_ + + 0 _ + + 0 1 5 0 2 0 025 0 30 0 3 5 0 60 8。 1 0 0 80 6 0 3 0 0 3 5 0 4 0 0 4 5 0 5 0 宵 ： + + + + 0 O 0 0 0 5 0 1 0 0 1 5 0 2 0 然后利用模糊概率式( 7 ) 和式( 8 ) 可得如下信息值集中值： r 3 7 5 0 0 3 9 2 2 2 7 4 4 4 5 7 8 7 3 5 l 经归一化处理后得如下结果 ： ff A =1 6 _ 3 l 7 ffc = 3 2 4 ffD = 3 4 I 3 根据最大隶属度原则， 可确定出该桥梁上部结构耐久性等 级为 D级偏向于 C级， 表明该桥梁上部结构耐久性状况很差 ， 应尽快采取修复或其他提高耐久性的措施。如果用传统的模糊 综合评判法和层次分析法对该算例进行评估 ， 评估结果为： 该桥 梁上部结构耐久性状况很差 ， 需要大修 、 加固。 52 8结 论 ( 1 ) 广义的补偿收缩混凝土概念， 阐释了补偿收缩混凝土 发展中遇到的新问题， 有益于该学说的发展和新型补偿收缩材 料 的开发。 ( 2 ) 在补偿收缩混凝土中引入补偿效率的概念， 使补偿能力 及其贮存转化为量化指标， 有利于实现防裂的予测及人工控制。 ( 3 ) 补偿效率裂缝控制方法， 有理论依据和试验基础， 简 便 、 易行 。 参考文献： 、 1 吴中伟 补偿收缩混凝土 M 】 E 京： 中国建筑工业出版社， 1 9 9 7 【 2 】 吴中伟 ， 张鸿直 膨胀混凝土【 M 】 E 京： 中国铁道出版社， 1 9 9 0 3 3 王铁梦 工程结构裂缝控制【 M 】 E 京： 中国建筑工业出版社， 1 9 9 7 【 4 何兴华， 高小旺建筑工程裂缝防治指南【 M 北京 ： 中国建筑工业出 版社 ， 2 0 0 5 5 】罗国强， 罗刚， 罗诚混凝土 建材工业出版社 ， 2 0 0 6 E 京 ： 中国 【 6 游宝坤， 李乃珍懂； 胀剂及其补偿收缩混凝土【 M 1 北京： 中国建材工 业 出版社 ， 2 0 0 5 7 山田一夫 高膨胀了、 l J 膨胀压控制【 R 】 秩父小野田研究 报告， 1 9 9 7 作者简介： 李乃珍( 1 9 4 2 一 ) ， 男， 教授级高级工程师。 单位地址： 石家庄市长安区西兆通运河路 6 号( 0 5 0 0 3 1 ) 联系电话 ： 0 3 1 1 - 8 5 3 0 5 1 8 6 3 结论与展 望 显然， 用模糊概率模型与用传统的模糊综合评判法和层次 分析法对上述算例进行评估 ， 得 出的结果一致 。同时本文 中的 模糊概率模型的计算过程可编成一个小程序， 使之能较快获得 评估结果。因此在评估钢筋混凝土桥梁的耐久性方面， 模糊概 率模型不失为一种新的、 可靠的、 简便的评估模型。限于篇幅， 只选取了4个主要影响因子， 在以后的研究中还可以综合考虑 其他的影响因素。 参考文献： 1 】 牛荻涛， 陈亦奇， 于澍 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 ， 2 7 ( 4 ) ： 3 6 5 3 6 9 2 】 任更锋， 徐岳， 等 基于层次分析法的在役 R c桥梁耐久性评估 J 】 长 安大学学报 ， 2 0 0 8 ， 2 8 ( 6 ) ： 4 l - 4 5 【 3 】杨则英， 黄承逵， 曲建波 基于自适应神经一 模糊推理系统和遗传算 法的桥梁耐久性评估J 】 土木工程学报， 2 0 0 6 。 3 9 ( 2 ) ： 1 6 2 0 4 】刘章军， 袁秋平， 李建林 模糊概率模型在岩爆烈度分级预测中的应 用【 J 岩石力学与工程学报 ， 2 0 0 8 ， 2 7 ( S 1 ) ： 3 0 9 5 3 1 0 3 【 5 刘章军， 叶燎原 基于模糊理论的单层工业厂房震害预测 四川建 筑科学研究 ， 2 0 0 6 ， 3 2 ( 1 ) ： 1 2 1 1 2 5 【 6 j6 C E C S 2 2 0 ： 2 0 0 7 ， 混凝土结构耐久J隆评定标【 s 1 【 7 】 牛荻涛混凝土结构耐久性与寿命预测 M 】 北京： 科学出版社， 2 0 0 3 ： 1 6 91 9 0 8 C E NG I Z D A A c c e l e r a t e d c a r b o n a t i o n a n d t e s t i n g c o n c r e t e m a d e w i t h fl y a s h J C o n s t r u c t i o n a n d B u i l d i n g M a t e ri a l s ， 2 0 0 3 ， 1 7 ( 3 ) ： 1 4 7 1 5 2 【 9 王济川， 王玉倩 结构可靠度鉴定与试验诊断【 M 】 长沙 ： 湖南大学出 版社 ， 2 0 0 4 ： 9 4 9 5 ， 2 3 9 2 4 7 作者简介： 胡桂娟( 1 9 7 3 一 ) ， 女， 博士生， 工程师， 主要从事工程结构破 坏分析与计算机仿 真。 单位地址： 广西南宁市秀灵路西一里 6 号 广西建设职业技术学院土 木系( 5 3 0 0 0 4 ) 联 系电话 ： 1 5 9 7 7 4 6 6 5 8 0