钢筋混凝土桥梁中钢筋锈蚀对结构可靠性的影响分析.pdf

钢筋混凝土桥梁中钢筋锈蚀对 结构可靠性的影响分析 王向东 中铁十八局集团有限公司 天津 3 0 0 2 2 2 摘要：研究钢筋锈蚀对钢筋混凝土 ( R C) 桥梁结构可靠性的影响具有重要的参考意义。以工程实际为例，先分析钢筋 锈蚀原理并预测钢筋锈蚀后屈服强度力学模型，然后借助A N A S Y S 有限元软件中P D S 可靠度分析模块。以钢筋锈蚀后屈 服强度为基本参数，分析出R C 桥梁随时间发展的应力值、变形值，最后根据结构失效准则分析钢筋锈蚀对R C 结构的影 响规律。研究成果可为桥梁加固维修提供数据参考。 关键词：钢筋混凝土 ( R C) 桥梁；钢筋锈蚀；A N A S Y S 有限元软件；可靠性 中图分类号：T U 9 9 7 文献标志码 ：B D OI ：1 0 1 4 1 4 4 j c n k i j z s g 2 0 1 6 0 2 0 3 8 An a l y s i s o f I mp a c t o f R e i n f o r c e me n t Co r r u p t io n o n St r u c t u r a l Re l ia b i l it y i n RC Br i d g e WANG Xi a n g do n g C h i n a R a i lwa y 1 8 t h B u r e a u Gr o u p C o ， L t d T ia n j i n 3 0 0 2 2 2 1 钢筋混凝土桥梁钢筋锈蚀的原因 钢筋锈蚀原因主要分为以下3 种：一是混凝土结构密实 性差。混凝土施工时 ，由于混合料配合比不 良、含水率较 高 、振捣不密实等造成结构硬化后内部含有较多孔 隙，因 此加快 了腐蚀介质渗入速度 ；二是混凝土碳化反应 。混凝 土结构中碱性物质与腐蚀性气体反应 ，降低了钢筋表面的 碱性保护层，从而加快了钢筋锈蚀速度；三是检测、维护 不到位。在桥梁结构运营中，若未定期对桥梁结构进行检 测 、维护加固 ，将导致结构破损处得不到及时修复 ，从而 使局部钢筋暴露而产生锈蚀 。 2 钢筋锈蚀的力学模型 研究发现，若混凝土内部钢筋出现锈蚀，则其有效面 积将变小，其屈服强度会降低，导致钢筋混凝土桥梁承载 能力减小。 根据文献 1 】 ，在钢筋表面发生锈蚀时，其锈蚀深度 随时 间发展 而遵循一定 的规律 ，具体公式如式 ( 1 )、式 ( 2) 所示。 6( 沪 6 ( t o ) X e x p O 0 0 0 4 ( t - t o ) ( 1 ) o r 6 ( f ) =o r 6 ( t o ) 1 + O 0 2 5 ( t - t o ) 】 ( 2) 式中： ( f ) _ _ 一 钢筋锈蚀深度平均值； ( f 卜锈蚀深度的标准差 ； 作者简介 ：王向东 ( 1 9 8 2 一 ) ，男 本 科 ，工程 师 。 通 信地 址 ：天 津 肃 河 西区 柳林 东中 铁十 ， 局 ( 3 2 2 2) 收 稿 日期 ：2 0 1 5 - - 1 卜o3 ( f 。 ) 、o r ( ) 钢筋混凝土结构服役至第t 。 年时 ， 钢筋锈蚀实际深度的平均值、标准差。 由于钢筋锈蚀导致其直径较小，故其横断面有效面积 会发生变化，根据文献 1 ，钢筋锈蚀后横截面有效面积随 时间发展的规律如式 ( 3 )、式 ( 4) 所示。 ( 6 ( t ) d o 一 4 2 r a o2 ( 3) o r ( 0 = 0 - 2 、 1 2 3 2 p 6 ( 0 d ； 】 ( 4 ) 式中：d 钢筋初始直径值。 由于钢筋屈服强度与截面积遵循一定规律，因此，若 钢筋锈蚀导致有效截面积随时间发展而减小，则可归纳出 其屈服强度平均值和标准差随时间发展的力学模型公式如 式 ( 5 )、式 ( 6 ) 所示【 2 】 。 肛 ( f ) = 0 9 8 6 1 0 3 8 p ( f ) ( 5) ( f ) , t o 9 8 6 1 0 3 8 p ( d ,o+( 1 0 3 8 4 ) ( f ) ( 6) 式中： J_ 钢筋的初始屈服强度平均值； _一钢筋的初始屈服强度标准差 ，取0 0 5 。 3 钢筋混凝土桥梁可靠性分析准则 1 ) 应力准则：根据 材料力学 中的构件应力容许 准则，若结构构件内一点所承受的最大应力达到极限应力 时，则可判断此构件在该点失效。 2 ) 变形准则：根据结构设计原理，梁构件在外载荷作 用下，其跨中最大变形应不大于最大容许值。其中，简支 桥主梁的最大变形值为L 6 o 0 。 根据文献 3 】 ，将0 8 5 卢 作为结构失效的临界值，即结 2 0 1 6 2 B u _ld in g C o n slru cti。 n 田 王向东：钢筋混凝土桥梁中钢筋锈蚀对结构可靠性的影响分析 构构件的动态可靠度指标 0 8 5 时 ，则认为结构 已处 于失效状态。各级公路桥梁的安全设计等级如表 1 所示 ，各 安全等级相对应的失效概率如表2 所示。 表 1 公路桥梁结构承载 能力极 限状态 的可靠指标 安全等级 破坏类 型 一 级 二级 三级 延性破坏 4 - 7 4 - 2 3 - 7 脆性破坏 5 _ 2 4 7 4 - 2 表2 结构构件目 标可靠指标卢与对应的失效概率 ( P f ) 4 基于A N S Y S 的R C 结构可靠性影响分析 4 1 A NS Y S 可靠度分析机理 由于在概率设计时，用来评估模型的输入参数或假设 条件都是不确定的 ，即在某一确定的时刻或是确定的位置 无法准确地确定参数的真实数据，因此使用不确定的或是 随机的参数值作为模型的输入条件。 A N S Y S 的概率设计系统P D S 分析模块可以处理这种不 确定性 ，并以图表的形式表示结构可靠度 】 。在进 q - P D S 分 析时，大致包括以下几个步骤。 t 1 ) 创建概率设计分析所需的文件； 2 ) 对计算模型进行可靠度分析； 3 ) 查看可靠度分析结果 。 4 2 工程案例 4 2 1 工程 背景 尼 日利亚p a t a k o 桥建于l 9 7 3 年 ，该桥上部结构为简 支钢 筋混凝土 T 梁桥 ，共 1 0 片梁 ( 人行 道4 片 ，行车道6 片 )，公路等级为二级，标准跨径为1 2 1 0 m，计算跨径为 1 1 6 0 m，桥宽1 2 8 0 m，混凝土等级为C 2 5 。其桥梁横截面 示意如图1 所示 。 1 2 8 00 1 梁一1 o 梁 图1 桥梁横截面示意 4 - 2 _2 钢 筋锈 蚀 电位 检 测 根据病害状况和现场条件对5 梁 ( 车行道右侧边梁 ) 梁底混凝土结构内纵向3 排主筋进行钢筋锈蚀电位检测，测 区布置于腹板混凝土脱落钢筋外露锈蚀区域附近，测区位 置示意如图2 所示。 由检测数据可知，测区内腹板3 排主筋的1 9 测点电 固 建 筑 施 工 第 3 8 卷 第 2 期 0 混 凝 土 脱 落 钢 筋 锈 蚀 I-x 一 测 试 区 l ， 2 盟 u ： 5 O O ， l 钢筋裸露锈蚀处 钢筋被混凝土保护处 图2 5 梁钢筋锈蚀电位检 测测 区布置示意 位值均大于2 0 0 m V，故推断5 梁腹板主筋测区范围内存在 锈蚀状况并向桥台侧延伸1 5 m左右。 4 - 2 _ 3 RC 桥梁可靠度判断依据 1 )应力限值 ：由于该桥建设年代较早，故混凝土参 数取值根 据8 9 规范 ，其 中c 2 5 混凝土 抗压强度标 准值为 1 7 MP a ，则钢筋混凝土梁结构中最大应力值不大于1 7 MP a 时，认为该桥处于安全可靠状态。 2)变形 限值 ：该桥 计算跨径 为 1 1 6 r n ， IJ L 6 0 0 ： 0 0 1 9 3 3 m，即主梁跨中挠度限值为0 0 1 9 3 3 m，变形值小 于0 0 1 9 3 3 m时 ，主梁处于安全可靠状态 。 3) 失效概率判断准则 ：结构构件 的动态可靠度指标 0 8 5 ，且本工程荷载等级为汽车- 1 0 级 ，可等效为安 全等级二级 ，即 = 4 2 0 ，No 8 5 3 = 3 5 7 ，由此可得出P ， = 0 0 0 0 2 ，则可靠概率大于0 9 9 9 8 时，认为构件处于安全可 靠状态 。 4 2 4钢筋锈蚀Rc 桥梁可靠度的计算 该桥为公路二级 ，在荷载加载时 ，其施加的荷载为与1 个均布荷载加1 个集中荷载相 同的车辆荷载。由于在桥梁结 构建模分析时 ，若直接建立整桥为分析模型 ，则划分的网 格数较多，将会加大A Ns Y S 非线性计算的时间 ，因此 ，在 计算时可根据桥梁横向分布系数，以横向分布系数较大的 一 片梁作为结构加载模型。 通过公路桥梁结构设计系统G QJ S 软件可 以计算出每 片梁的横向分布系数。从计算结果得知5 T 梁的横 向分布系 数最大 ，其承受的弯矩值最大 ，因此在加载计算时选取5 梁代替整桥的结构可靠度计算。其横截面尺寸如图3( a ) 所示，为了便于A NS YS 网格划分，5 梁简化为图3( b) 形 式 1 3 30 司 1 3 3 0 ( a) 5 梁横截面尺寸 ( b) 5 梁简化尺寸 图3 计算梁的横截面尺寸示意 王 向 东：钢 筋混凝土桥 梁中钢 筋锈 蚀对结构 - j - 性 的影响分析 简化后的5 梁梁高为9 0 c m，翼缘板宽 1 3 3 c m，板厚 1 5 c m，腹板厚4 0 c m，计算跨径为l 1 6 0 c m，腹板中配筋为 1 2 咖2 5 m m的H R B 3 3 5 钢筋。在进行A N S Y S 有限元模拟分析 时，钢筋混凝土结构采用分离式模型，其划分有限元模型 横截面如图4 所示 。 图4 T 梁横截面网格示意 钢筋初始强度平均值为3 2 5 5 MP a ，标准差为2 1 6 ， 其中厂 y 为钢筋的抗拉强度设计值3 0 0 MP a ，故根据公式 ( 1 ) ( 6 ) 即可得出钢筋随时问变化的强度变化值。 4 2 5桥梁t = 1 0 a 可靠度计算 在5 T 梁的概率分析时，T 粱跨中挠度概率分布曲线如 图5 所示 ， ， i F f f | ? f ； f f j f ， ， 厂 001 76 0 01 8 0 0 01 8 4 001 8 7 0 01 8 9 主梁跨中最大挠度 m 图5 f - 1 0 a 时的跨中挠度可靠度分析示意 在图5 中，3 条曲线分别为5 主梁采用蒙特卡罗法，且 置信度为9 8 时，跨中扰度的上限值、平均值及下限值。 在横轴值0 0 1 9 3 3 m处作一垂直横轴的竖线，与概率累计曲 线交于1 0 0 ，即跨中挠度均小于0 0 1 9 3 3 m，因此从跨中 最大挠度可得出桥梁在t =- l O a 时的承载能力满足要求 ，即桥 梁安全可靠。 t =- l O a 时的跨中最大应力累计分布曲线如图6 所示。 在图6 中，3 条曲线分别为5 主梁采用蒙特卡罗法，且 置信度为9 8 时 ，跨 中应力的上限值 、平均值及下限值 。 在横轴值1 7 MP a 处作一垂直横轴的竖线，与概率累计曲线 交于 1 0 0 ，即T 梁跨 中应力值均小于1 7 MP a ，因此从跨中 最大应力可得出桥梁在t =- 1 0 a 时的承载能力满足要求，即桥 梁安全可靠。 重复上述分析方法，分别计算出t = 2 0 a 、t = 3 0 a 、t = 4 0 a 、t = 5 0 a 、t = 6 0 a 、t = 7 0 a 的可靠度为1 0 0 、1 0 0 、 、 厂 f ! j | | f I 7 ， 0 1 3 2 0 1 35 01 3 8 0 1 42 主梁跨中最大应力 (1 0 8 MP a) 图6 t =l O a 时的跨中应 力可靠度分析示意 1 0 0 、9 9 9 9 8 、9 9 9 9 2 、9 9 9 7 6 。而t = 6 7 a 时，可靠度 为9 9 9 7 9 9 9 9 8 0 ，因此在钢筋锈蚀不断发展情况下， 当桥服役6 7 a 时失效 ( 图7 ) 。 q 蜒 时间t l a 图7 桥梁各 年的可靠指标 5 结语 以在役钢筋混凝土T 梁中钢筋锈蚀为随机变量，并借 助A NS YS 中的P D S 模块对简支桥梁中横向分布系数最大的 T 梁进行可靠度分析。对在役钢筋混凝土桥梁研究中，分析 了钢筋锈蚀对R C 桥梁承载力的影响因素 ，并对R C 桥梁进 行可靠度分析计算。主要得出以下几点结论 。 1 ) 通过A NS YS 有限元分析中的P DS 概率设计模块， 采用蒙特卡罗分析方法 ，以在役钢筋混凝土桥梁中横向分 布系数最大的单片梁作为分析对象，从而优化了非线性分 析过程，并根据桥梁所处不同环境拟定相应的随机变量、 变异系数，以此准确计算出桥梁在某一时间点的可靠概 率。 2 ) 通过建立钢筋锈蚀的时变模型 ，并借助P D S 模块中 蒙特卡罗计算法，对在役桥梁进行时变可靠度分析，并借 助桥梁可靠度指标 随运营时间增长而逐渐变化的曲线可以 准确计算出桥梁的失效年限，为桥梁加固维修提供了数据 参考 参考文献 口 1 】 李广慧， 杜朝， 蒋晓东 在役建筑结构的剩余寿命预测U 】 郑州工业大 学学报， 1 9 9 9 ( 3 ) ： 6 - 9 2 】 张平生， 卢梅， 李晓燕锈损钢筋的力学性能U 1 工业建筑， 1 9 9 5 ( 9 ) ：4 1 4 4 2 0 16 2 B U 1d in g C o n str u cIIo nc ti田 5 ； 加 0 5 ；鲫 加 0 。 o 越牿 土压平衡盾构在复杂地质中的应用与工艺改进 刘冠梁 上海市基础工程集团有限公司 上海 2 0 0 0 0 2 摘要：常规的土压平衡盾构机在软土地质、含较大块石土层及软硬土复合层等复杂地质中掘进时，常面临盾构机刀盘 扭矩增大、螺旋机堵塞等诸多技术问题。结合田湾核电站3 、4 机组厂区排水隧洞工程，通过对土压平衡盾构机及盾构 施工技术进行改进，形成一套施工工艺，为今后复杂地质条件下的隧道工程提供技术支撑。 关键词：隧道工程；复杂地质；复合式土压平衡盾构机；气压清障 中圈分类号：T U 6 2 1 文献标志码：B D OI ：1 0 1 4 1 4 4 4 c n k i j z s g 2 0 1 6 0 2 0 3 9 Ap p l ic a t io n a n d T e c h n o lo g y I mp r o v e me n t o f Ea r t h Pr e s s u r e B a la n c e Sh i e l d Un d e r Co mp l i ca t e d Ge o l o g ic a l Co n d it i o n L I U Gu a n l i a n g S h a n g h a i F o u n d a t i o n E n g i n e e r i n g Gr o u p C o ， L t d S h a n g h a i 2 0 0 0 0 2 Ab s t r a c t ： As t h e c o n v e n t i o n a I e a c h p r e s s u r e b a l a n c e s h ield ma c h i n e i S o p e r a t e d u n d e r s o me c o mp l i c a t e d g e o l o gic a l c on d i t ion s o f s o f t s o i l g e o l o g y , s o i l l a y e r c on t a i n i n g l a r g e s t on e， s o ft a n d h ar d s o i l c omp o s i t e l a y e r s ，ma n y t e c h nic a l p r o b le ms s u c h a s c u R e r h e a d t o r s ion e n l a r g e me n t o f s h ie l d ma c h i n e ， b l o c k a g e o f s c r e w c o n v e y o r a n d S O o n s h o u ld b e o ft e n c o p e d wi t h Co mb i n e d wit h d r a i n a g e t u n n e l e n g i n e er i n g o f 3 a n d 4 u n i t s p l a n t a r e a i n T i a n wa n n u c l e a r p o we r s t a t i o n ， a n d t h r o u g h t h e i mp r o v e men t o f e a c h p r e s s u r e b a l a n c e s h i e l d ma c h i n e a n d s h i e l d c o n s t r u c t i o n t e c h n o l o g y ， a wh o l e p a c k a g e o f c o n s t r u c t i o n t e c h n o l o g y h a s b e e n d e v e l o p e d wh i c h c a n p r o v i d e t e c h n i c a l s u p p o f o r t u n n e l e n g i n e e r i n g u n d e r c o mp l ica t e d g e o l o g ica l c o n d i t io n s in t h e f u t u r e Ke y wo r d s ： t u n n e l e n g i n e e r i n g ； co mp l i ca t e d g e o lo g y ； c o mp o s i t e e a c h p r e s s u r e b a l a n c e s h i e ld ma c h i n e ； a ir p r e s s u r e b a r r ie r - c l e a r a n c e 0 引言 土压平衡式盾构机土层适应性好，可在砂砾、砂、粉 砂、黏土等压密程度低、软硬相间的地层以及砾层、砂层 等地层中使用，并具有制造成本及运行成本较低、操作简 便的特点，在我国沿海地区核电、火电取排水隧道中广泛 应用。 随着国家建设工程的大范围展开 ，实际施工 中的工程 地质复杂性等对盾构机设备性能及盾构施工技术的要求越 来越高，如土压平衡盾构机必须适应在复杂地质条件中掘 进，并需具备清障能力 】 。 擎 储 简 介 刘凳 墚 ( 1蚓_) 席 -斟 工 程 师 o ； 通信地址 上海市杨潇区军工路3 o 号 ( 霪 4 窖 8 ) 收稿日期 i 2 o 5 _ 1 0 - 1 2 j i i 1 概述 1 1 工程概况 田湾核电站3 、4 机组厂区排水隧洞工程排水 隧道采 用盾构法施工，盾构机为带有气压清障功能的复合式土压 平衡盾构机。排水隧道包含3 隧道和4 隧道 ，隧道分别长约 6 1 9 2 m H 6 3 2 4 m。管道内径为6 1 0 0 m m，壁厚3 5 0 m m。 隧道轴线平面转弯半径R 分别为4 8 0 m H 4 9 4 m ( 小半径曲 线 )。 1 2 地质条件 盾构沿线掘进穿越的主要土层为：3 层淤泥质黏土 层，4 层黏土，局部夹杂3 1 层含砾粉砂、4 1 粉砂 层 ，下部局部穿越5 层粉质黏土 ，1 层黏土 。 同时根据厂区软基处理资料及现场踏勘调查，盾构隧 道出洞口和进洞口约1 0 0 m区域范围内曾采用塑料排水板堆 【 3 J 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 【 4 】 周鹏， 王昊A N S Y S 9 O 经典产品高级分析技术与实例详解【 M】 北京： 中国水利水电 出版社 ，2 0 0 5 【 5 】 段进 ， 倪栋， 王 国业ANS YS 1 0 0 结构分析从入 门到精 通 M1 北京： 兵 固 建 筑 麓 工 第 3 8 卷 第 2 期 器工业 出版社，2 0 0 6 【 6 】 王增忠， 吴广珊 混凝土中钢筋锈蚀及其可靠性分析 I 】 上海应用技 术学院学报： 自然科学版， 2 0 0 3 ( 3 ) ： 1 7 6 1 7 9 7 冯文刚， 马良， 冯建明， 等 锈蚀钢筋混凝土结构可靠性与寿命预测 】 公路 交通技术， 2 0 0 7 ( 3 ) ：9 3 9 5