坑蚀对混凝土构件抗力统计参数的影响.pdf

2 0 1 1 年 第 6 期 (总 第 2 6 0 期 ) Nu mb e r 6 i n 2 0 1 1 ( T o t a l N o 2 6 0 ) 混 凝 土 Co n c r e t e 混凝土制品 CONCRETE P RODUCTS 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 1 0 6 0 3 7 坑蚀对混凝土构件抗力统计参数的影响 马亚丽 。 ( 1 郑州航空工业管理学 院，河南 郑州 4 5 0 0 1 5 ；2 王东威 河南省交通规划勘察设计 院，河南 郑州 4 5 0 0 5 2 ) 摘要： 为了研究具有随机分布的坑蚀对现役混凝土结构抗力统计参数的影响， 根据随机变量的极值理论， 分析了锈蚀钢筋面积参数的 变化和受弯构件抗力统计参数的变化。 结果表明： 坑蚀随机性对混凝土构件抗力统计参数的影响显著， 抗力统计参数随着分布数量和服役 年限的增加 ， 均出现下降的趋势 。 分析表明 ： 研 究基于坑蚀随机性的混凝土构件抗力统计参数的发展规律 ， 为有效预测混凝土构件的可靠 性奠定 了理论基础。 关键词 ： 坑蚀 ；抗力；随机性 ；极值理论 中图分类号 ： T U5 2 8 7 文献标 志码 ： A 文章编号 ： 1 0 0 2 3 5 5 0 ( 2 0 1 1 ) 0 6 0 1 2 0 0 2 E f f e c t of p i t t i ng c o r r os i on on s t a t i s t u c al pa pame t er s o f r es i s t a nc e of RC membe r s M A Ya l i WA NG Do n g - we i (1 S c h o ol o fCi v i lE n g i n e e r i n g， Z h e n g z h o uI n s t i t u t e o fAe r o n a u t i c a l I n d u s t r yMa n a g e me n t ， Zh e n g z h o u4 5 0 01 5， Ch i n a 2 He n a nP r o v i n c i a l I n s t i tut e o f C o m mu n i c a t i o n s P l a n n i n g， S u r v e yan dD e s i g n， Z h e n g z h o u 4 5 0 0 5 2， Ch i n a ) Abs t r a e t ： In o r d e r t o an a l y z e t h e i n fl u e nc e o f s t o c h a s t i c p i i ng c o r r o s i o n t o t h e s ta t i s t i c a l p a r a me t e r s o f r e s i s t a nc e o f s e r v i c e s t r uc t u r e Ac c o r d i n g t O t h e t h e o r y o f e x t r e me v a l u e s o f r a n d o m v a r i a b l e s ， t h e c h a n g e of s t a t i s t i c a l p a r a me t e rs f o r b o t h c o r r o d e d s t e e l b ar a n d r e s i s t a n c e i s a l s o a n a l y z e d b a s e d o n t h e r a n d o mn e s s o f p i Ui n g T h e r e s u l t s i n d i c a t e d t h a t t h e i nfl u e n c e o f t h e r a n do mne s s of p i t t i n g t o t h e s t a t i s t i c a l para me t e r s o f r e s i s tan c e i s of t h e mo s t s i gn i fic a n c e ， t h e s tat i s t i c a l p a r a me t e r Was f o u n d t o d e c l i n e wi t h the i n c r e as e o f n u mb e r o f r a n d o m v a ria b l e s a n d t h e s e rv i c e l i f e T h e a n a l y s i s s ho w the r e s e a r c h pr e s e n t e d in the p a pe r c a n pr o v i d e t h e o r e t i c a l basi s o fr e l i a bi l i t y o f RC me mbe r s Ke y w o r ds ： p i ni n g c o r r o s i o n； r e s i s t a n c e ； r a n d o mn e s s ； e x tr e me th e o ry 0 引 言 实际服役的钢筋混凝土构件中， 坑蚀对混凝土构件可靠性 能下降的影响极为严重。 对具有多个锈蚀坑的钢筋混凝土构件 来说 ， 坑蚀发生是随机过程 1 】 ， 坑蚀对钢筋面积的影响也是随机 的， 其最终结果是造成钢筋截面面积沿构件 长度方 向分布不一 致。 因此， 局部腐蚀产生的锈蚀坑对钢筋面积的影响而言， 不仅 仅是截面问题， 而是整个构件或结构体系的问题。 锈蚀钢筋的面 积不仅仅是一个简单的随机变量， 实际上是沿混凝土构件长度 方向作为“ 时间” 尺度分布的随机过程 2 1 。 忽视多个锈蚀坑的影 响造成 的钢筋面积沿长度方 向的空 间变异性的分析 ， 通常会过 高地估计了混凝土构件的可靠性【 。 为了弥补以上不足， 本项 目研究 了锈蚀钢筋面积参数 和受弯构件抗力统计参数的变化 ， 分析探讨 了考虑坑蚀 随机性 的混凝土构件抗 力统计参数 的发 展规律， 为定量研究坑蚀对现役结构可靠性能的影响提供参考。 1 单个锈蚀坑引起的钢筋面积统计参数的变化 混凝土构件可靠性分析中， 设钢筋的实际面积为 A 。 ， 标准 值为 A ， K A - A 。 A 。 关于随机变量 的统计数据 ， 对建筑结构 ， 其 平均 K A = 1 0变异 系数6 = o 0 3 。 对 于局 部腐蚀 的钢筋截 面面 积 的统计数 据来 说 ， 由于腐蚀程度 的增加 ， 导致其均值 和变异 收稿 日期 ：2 0 1 0 1 2 q 3 7 基金项 目：北京市 自然科学基金资助项 目( 8 0 1 2 0 0 4) 1 2 0 系数均会随时间发生相应的变化。 局部腐蚀深度随机特性的研 究 ， 通常用极值分布分析【5 。但对于局部腐蚀造成的钢筋截面面 积变化 的研究 ， 相关文献的报 道不多。 以 Go n z a l e z t6 等人研究的 腐蚀深度试验数据， 可以得出在不同服役年限时的钢筋截面面 积的统计特性 ， 见 图 1 所示。 蛩 妻 羹 随时间的变化 从图 1中可以看出， 随着服役年限的增加 ， 钢筋的腐蚀程 度加大， 相应的钢筋截面面积统计变量 k 的平均值随着减小， 变异系数相应增加。 因此 ， 对于钢筋 面积变化而引起的结构抗力 的影响， 应考虑统计参数随时间而变化的趋势。 上述局部腐蚀特性造成的钢筋面积统计特征分布规律的 分析， 是基于Oo n z a l e z 等人所测得的小样本数据的分析结果， 其 是否能够反映大样本空间的实际分布特性， 有待于进一步的验 叭 O 哪 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 证。 因此， 又以 S t e w a r t 等人得出的均匀腐蚀速率和最大腐蚀 速率 比值系数 的统计特征 ， 利用 Mo n t e C a r l o 方法分析了局部锈 蚀造成 的钢筋截面 面积 统计 特征的分布规律 。 随机变量 的 统计数据随时间的变化见图 2 。 随时间的变化 由网2 可以看出， 对于最大腐蚀深度与平均腐蚀深度速率的 比值分布形式已知的钢筋， 腐蚀对其面积参数的影响与 G o n z a l e z 等人试验数据分析得出的结论是一致的， 即： 钢筋面积参数平 均值随时间呈现下降的趋势， 钢筋面积参数变异系数随时间的 增长而增加。 2 坑蚀随机性对受弯构件抗力统计参数的影响 2 1 坑蚀随机性对钢筋面积参数的影响 由于锈蚀坑沿钢筋长度的分布随机性， 因此， 在一定的服 役年限时， 应考虑局部腐蚀造成的钢筋截面面积沿其长度的分 布性 同时分析， 在不同的使用年限时， 钢筋截面面积沿其长度 分布性的发展规律。 根据随机变量的极值理论【8 I可以得到沿长 度在不同分布数量 n下， 眼役年限为 l O年 、 4 O 年时的 K 的极小 值K 一 的变化情 况， 如表 1 所示。 表 1 服役年限为 1 O年时 ， 不同 n值下 的统计数据 由表 1 可见 ， 在一定的服役年限时， 当 n由 l O增加到 l 0 0 0 时， 对应的截面面积均值和变异系数均呈现下降的趋势。 在同一 n值的情况下， 随着服役年限的增加 ， 腐蚀程度加深， 因此钢筋 截面面积最小值的统计参数中 出现下降的趋势， 而6 则呈 现增加的趋势 。 图 3 - 6描述 了钢筋面积参数均值和变异系数在不同服役年 限和不同分布数情况下的变化趋势 。 从 图中可以看 出， 钢筋面积 参数均值随服役年限的增加呈现下降的趋势， 在一定服役年限时 ， 随着分布数量的增加， 也呈现下降的趋势。 钢筋面积参数变异系 数在分布数一定时， 随着服役年限的增加， 呈现增加的趋势， 在 一 定服役年限时， 随着分布数的增加呈现下降的趋势。 也就是说 ， 分布数量的增加， 使得钢筋面积参数均值、 变异系数有下降的趋 势。 随着服役时问的增加 ， 钢筋 的腐蚀程度加深 ， 因此均值呈现 下降的趋势， 而腐蚀离散程度的加重， 使得变异系数增大。 2 2 钢 筋面积 变化 引起 的受 弯构件 抗 力变化 在分析结构构件可靠度计算时， 影响结构构件抗力的主要 因素有： 材料性能的不定性、 几何参数的不定性和计算模型的 不定性。 当钢筋面积变化时， 其统计参数的变化必然会引起受弯 霸 瓤 喧 溢 器 O 5 0 O 95 9 0 85 80 75 7O +服役年 限为5年 +服役年 限为l 0年 +服役年 限为I 5年 一服役年 限为2 0年 +服役年 限为2 5年 +服役年 限为3 0年 +服役年 限为3 5年 一 服役年 限为4 0年 一 服役年 限为5 0年 l O 5 O l 0 0 5 0 0 1 0 0 0 分布数 豳 3 钢筋面积参数均值在不同服役年限随分布数的变化 霜 辎 嚏 罹 +分布 数为 l 0 +分布 数为5 0 十分布 数为 1 0 0 +分 布数为5 0 0 +分 布数为 1 0 0 0 服役 年限 年 图 4 钢筋面积参数均值在不同分布数随服役年限的变化 暄 蝠 器 10 5O l OO 50 0 l 000 分布数 +服 役年限为5年 +服 役年限 为l 0年 十服 役年限 为l 5年 *一 服 役年限为2 O 年 一服役年限 为2 5年 +服役年 限为3 O年 一服 役年 限为3 5年 一 服 役年限为4 0年 一 服 役年限为5 O 年 图 5 钢筋面积参数变异 系数在不同服役年限随分布数的变化 懈 热 喧 塔 器 5 l 0 1 5 20 25 3 O 3 5 40 5 0 服 役年限 ， 年 +分布数 为1 0 +分 布数为5 0 女 一分布数为1 0 0 _ * _分布数为5 0 0 +分布数 为1 0 0 0 瞎 6 钢筋面积参数变异 系数在不同分布数随服役年 限的变化 构件抗力统计参数的变化。 设受弯构件的实际抗力为 ， 标准值为 R ， 设 R = R 。 的统计数据 ， 对建筑结构 ， X K = 1 2 3 ， 6 K 0 1 。 矩形钢筋混凝 土受弯构件的抗力为 ： R b x ( h 1)- x 2) ( 2) A ( 3 ) f J , 式中： 混凝土截面的有效高度； 混凝土的轴心抗压强度 ； 。 A 钢筋的截面而积； ， = 钢筋的屈服强度 。 南式 ( 2 ) 可以看 H， 结构 的抗弯承载力是混 凝土截面 的宽 度 、 截面有效高度 、 混凝土抗压强度 、 钢筋屈服强度的函数 。 通过 对受弯构件承载力的分析 ， 对于适筋 的混凝土构件 ， 可 以认为抗 力与钢筋面积基本成线形关系 。 分析具有多个锈蚀坑的混凝土 构件时， 仅考虑钢筋面积统计参数随时间的变化， 而不考虑其他 影响参数随时问变化的趋势。 贝 恤x 产 K ， 、 6 。 下转第 1 3 O页 l 21 舳 ：2 遥 譬籁 嚣茸蝰屠 如=2 0 o 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 钢筋混凝土底板厚度 1 m， 内衬墙厚度 0 8 1 m， 强度等级为 C 3 5 。 在预留地铁站地板和墙体的分别浇筑了纤维素纤维、 P V A纤维 和两者纤维混杂混凝土墙板。 采用光纤光栅应变传感器对 4块 不同组分的混凝土板内部变形进行现场监测， 应变传感器预埋 在墙板中部钢筋表面附近 ， 从浇筑后 8 5 1 d的混凝土板 的应变 进行了测量 ， 结果见 图 5 。 浇 筑 时 l司 ， d 图 5 地 下工程纤维混凝土应变 的现场检测结果 现场监测结果表明， 相对基准混凝土板， 各种纤维混凝土 板的应变随浇筑时间的变化曲线更加平缓， 说明掺加纤维组分 对提供混凝土抵抗变形的能力效果显著， 而且不同品种纤维混凝 土板的体积变化规律与实验室早期抗裂性试验结果基本相符。 - 上接第 1 2 1 页 通过对不同服役年限的钢筋面积统计参数的分析， 发现& 寸 构 件抗力的变异系数影响很小 ， 可以近似的认为 。 钢筋面积 变 化对受弯构 件抗力 参数 的影 响如表 2所示 。 在 同一 服役年 限， 抗力统计参数 随 n的增大而减小 ， 在同一 n值时 ， 随服役年限的增加而下降。 从表中可 以看出 ， 随着服役年 限的增 加， 变化不大， 近似的认为& K R 。 抗力参数均值在不同服 役年限随分布数的变化见图 7 ， 在不同分布数时随服役年限的变 化见图 8 ， 图中可以看出， 在一定服役年限时， 随着分布数的增 加， 抗力参数均值呈现下降的趋势； 当分布数量一定时， 随着服 役年限的增加， 抗力参数均值也呈现下降的趋势。 表 2 不 同服役年限时 。 不 同 n值 下抗力 只的统计参数 迥 霜 士 墨 1 1 O 1 O5 1 O0 0 95 0 90 O- 8 5 O 80 l 0 50 1 O0 50 0 1 00 0 分 布数 +服役年 限为5 年 +服役年 限为 1 O 年 +服役年 限为 1 5 年 *一 服役 年限为2 0 年 *一 服役 年限为2 5 年 +服役年 限为3 0 年 +服役 年限为3 5年 一 服役年限为4 O 年 一 服役年 限为5 0年 图 7抗力参数均值在不同服役年 限随分布数的变化 3结 论 坑蚀混凝土构件抗力衰减规律是准确建立服役混凝土构 件可靠性能发展规律的重要基础。 本研究根据随机变量的极值 理论， 分析了锈蚀钢筋面积参数的变化 ， 研究了基于坑蚀随机 性的混凝土构件抗力 统计参数 的发展 规律 。 结果表 明 ， 抗力 统 】 3 0 4结 论 ( 1 ) 纤维素纤维和 P V A纤维的掺入可显著改善混凝土的 劈裂抗拉强度， 相对于基准混凝土， P V A纤维、 纤维素纤维和混 杂纤维 可分别提高 2 1 6 、 1 0 8 和 1 8 9 。 ( 2 ) 纤维素纤维及其与 P V A纤维的混杂能有效提高混凝 土的抗裂性能。 P VA纤维和纤维素纤维混杂掺人使混凝土的抗 裂效果有明显改善。 ( 3 ) 地下工程墙板中的粉煤灰 、 矿粉“ 双掺” 纤维混凝土具 有 良好 的抑制早期裂缝开展的作用 。 参考文献 ： 1刘斯凤， 秦鸿根， 庞超明地铁混凝土的抗裂防渗性能研究 J 】 _三峡大 学学报 ， 2 0 0 6 ， 2 8 ( 1 ) ： 4 8 5 1 【 2 唐修生， 蔡跃波， 祝烨然， 等 大掺量磨细矿渣高性能混凝土抗裂性 能的改善f J 1 建筑材料学报， 2 0 0 9 ， 1 2 ( 5 ) ： 6 1 3 6 1 6 f 3 3 张建峰， 罗平， 周世华 纤维对混凝土早期塑性开裂的影响J 】 混凝 土 ， 2 0 1 0 ( 7 ) ： 7 6 7 8 4 肖琦， 王安军， 石凤玉纤维混凝土早龄期抗裂性能试验研究f J 1 混凝 土 ， 2 0 0 9 ( 5 ) ： 9 3 9 5 作者简介 ： 联 系地址 ： 联 系电话 ： 钱红萍( 1 9 6 6 一 ) ， 女， 副教授， 主要从事土木工程材料研究。 江苏省常州市通江南路 2 9 9 号 常州工学院土木建筑工程 学院( 2 1 3 0 0 2 ) O 51 9 -8 5 2 1 7 57 4 迥 霸 辍 媳 士 螺 窖 +分布 数为1 0 +分布 数为5 0 +分布 数为1 0 0 - 分布 数为5 0 0 +分布 数为1 0 0 0 服役 年限 图 8 抗力参数均值在不同分布数随服役年 限的变化 计参数随着分布数量和服役年限的增加 ， 均出现下降的趋势。 本研究 的研究弥补 了坑蚀对混凝土构件可靠性研究 的不 足 ， 可 为后续研究提供理论依据。 参考文献 ： 1 】S T E WA R T M G S p m i al v a ri a b i l i t y o f p i t t i n g c o r r o s i o n a n d i t s i n f l u e n c e o n s t r u c t u r a l f r a g i l i t y a n d r e l i abi l i t y o f R C b e a m s i n fl e x u r e O S t r u c t u r a l S a f e t y ， 2 0 0 4 ( 2 6 ) ： 4 5 3 - 4 7 0 【 2 马亚丽 基于可靠性分析的钢筋混凝土结构耐久寿命预) IJ t D 北京： 北京工业大学建筑工程学院， 2 0 0 6 【 3 V U K A T ， S TE WA R T M G S t r u c t u r a l r e l i a b i l i t y of c o n c r e t e b ri d g e s i n e l u d i n g i mp r o v e d c h l o r i d e - i n d u e e d c o r r o s i o n m o d e l s J S t r u c t u r al S afe t y ， 2 0 0 0， 2 2 ( 4 ) ： 3 1 3 3 3 3 【 4 谢明皆 既有混凝土桥梁结构的动态可靠性分析【 J 1 兰州交通大学学 报， 2 0 0 6 ( 3 ) ： 3 7 4 0 5 屈文俊， 张誉 侵蚀性环境下混凝土结构耐久寿命预测方法探讨f J 1 _ 工业建筑 ， 1 9 9 9 ， 4 ( 2 9 ) ： 4 0 4 4 6 G O N Z A L E Z J A， A N D R AD E C， AL O NS 0 C， e t a 1 C o mp a ri s o n o f r a t e s o f g e n e r al c o r r o s i o n a n d m i mu m p i t t i n g p e n e t r a t i o n o n c o n c r e t e e mb e d d e d s t e e l r e i n f o r c e m e n t J C e me n t C o n c r e t e R e s e a r c h ， 1 9 9 5 ， 2 5 ( 2 ) ： 2 5 7 2 6 4 7 】S T E WA R T M G， RO S O WS K Y D V T i me - d e p e n d e n t r e l i abi l i t y of d e t e - r i o r a t i n g i nfo me d c o n c r e t e b ri d g e d e c k J S t r u c t u r a l S a f e t y ， 1 9 9 8 ( 2 o ) ： 91 -1 0 9 8 】安伟光结构系统可靠性和基于可靠性的优化设计 M E 京 ： 国防工 业出版 社 ， 1 9 9 7 作 者简 介 ： 马亚 丽( 1 9 7 3 一 ) ， 女 ， 博士 ， 副教授 ， 主要从 事混凝土结构 、 桥梁结构等结构可靠性、 耐久性的检测和评定。 联 系地址 ： 郑州市大学中路 2 号 联 系电话 ： I 3 5 2 5 5 7 9 0 7 4 ( 4 5 0 0 1 5 ) ： 2蚰 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m