寒區(qū)除冰鹽凍融環(huán)境下的混凝土橋梁耐久性研究
第1章 緒 論
1.1.1項目研究背景
2015年，全球近五十個國家加入由中國發(fā)起的亞洲基礎設施投資銀行，旨在通過各種融資投資進行亞洲及周邊地區(qū)的基礎設施開發(fā)建設，此舉吸引了國際上眾多人士的關(guān)注，這表明在未來的發(fā)展中我國以及整個亞洲乃至全世界對基礎建設領域的重視，盡管在社會日益發(fā)達的今天，基礎設施的需求量仍處于較高的水平。然而，在新興產(chǎn)業(yè)誕生的同時，許多既有混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性能隨服役時間日漸劣化，長時間疲勞損傷下致使結(jié)構(gòu)可靠性降低，無法達到設計使用年限而提前失效[1]，這在工程結(jié)構(gòu)領域是一個難以解決的重要問題。橋梁工程作為道路交通的主要組成部分，具有造價高、易損壞、難維修等特點，無論是從前期勘察、設計、施工，還是后期的運營、維修、加固等方面考慮，都有著較高的經(jīng)濟與技術(shù)要求。隨著工程技術(shù)不斷成熟，橋梁形式也日漸更新，90年代初期，，發(fā)達國家橋梁結(jié)構(gòu)多以鋼板梁橋和鋼桁架梁橋為主，緣于使用的經(jīng)濟性和便利性，我國橋梁形式多以混凝土梁橋為主，其數(shù)量至今約多達橋梁總數(shù)的90%。然而，在混凝土結(jié)構(gòu)造價低、施工便利的同時，其材料本身具有易老化性，再加上服役期間所承受重荷載及惡劣環(huán)境等因素的作用，致使結(jié)構(gòu)隨長時間工作而逐漸出現(xiàn)不同程度的損傷以致失效。
自上世紀全世界掀起基礎建設熱潮以來，橋梁產(chǎn)業(yè)如雨后春筍般出現(xiàn)，而僅在短短的幾十年間，許多結(jié)構(gòu)便提前進入了維修養(yǎng)護階段，病害橋梁的數(shù)量與日俱增，許多結(jié)構(gòu)遠未達到預期使用壽命而提前損壞，甚至引發(fā)事故，造成了巨大的經(jīng)濟損失。據(jù)不完全統(tǒng)計，在科學技術(shù)比較發(fā)達的美國，1981年對全國514，000座公路橋梁的耐久性狀況調(diào)查中，有20%的橋梁需要暫停運營進行維修，到1987年，不同程度耐久性損傷的橋梁數(shù)目多達253，000余座，在現(xiàn)有統(tǒng)計50余萬座結(jié)構(gòu)中，近乎一半存在性能缺陷。美國國會相關(guān)部門調(diào)查發(fā)現(xiàn)，在1975年到1985年的十年間，因各種腐蝕而造成的損失增長了近2.5倍，帶來了巨大的經(jīng)濟困擾，相關(guān)歷史資料記錄，1989年美國僅積壓的待修橋梁維修費用便高達1550億美元，此外，英國同樣也面臨巨大的結(jié)構(gòu)腐蝕損傷問題，其每年造成的損失約占國民經(jīng)濟總產(chǎn)值的2%～4%。
......
1.2.1耐久性損傷國內(nèi)外研究現(xiàn)狀
結(jié)構(gòu)耐久性是指結(jié)構(gòu)性能隨著服役時間增加不斷劣化，在正常使用和維修條件下，能夠繼續(xù)保持其既有功能的能力[5]。結(jié)構(gòu)耐久性損傷是一個隨時間增長與多種環(huán)境作用而不斷劣化的過程，隨著服役時間的增長，構(gòu)件既有使用功能或超過其所能承受的極限狀態(tài)，無法滿足原有可靠度水平而失效。在工程結(jié)構(gòu)中，由于材料本身具有易老化性，結(jié)構(gòu)耐久性病害主要表現(xiàn)為基于環(huán)境作用下鋼筋混凝土材料性能的劣化。由于地域差異，各地的環(huán)境條件在空間和時間上存在不均勻分布，結(jié)合國內(nèi)外對混凝土材料的劣化機理及耐久性能主要環(huán)境影響因素的相關(guān)研究，可將結(jié)構(gòu)的服役環(huán)境劃分為五類[6]，如表1.2-1所示。
一些文獻[9], [10], [11]給出了α與混凝土水泥品種、水灰比、水泥含量的經(jīng)驗關(guān)系式，其中鐵道科學院馮仲偉認為碳化深度隨水灰比與含氣量的增大而增大，且給出了一定的界限值[12]；一些文獻[13], [14], [15]考慮不同的混凝土抗壓強度，認為α與其倒數(shù)幾乎呈線性關(guān)系；清華大學邸小壇通過收集近年來對混凝土碳化的研究成果，給出了精確的混凝土碳化系數(shù)數(shù)學模型[16]；浙江大學基于碳化指數(shù)的不確定性概率分布模型，運用神經(jīng)網(wǎng)絡系統(tǒng)建立較符合實際工程情況的數(shù)學模型；同濟大學做出了碳化對混凝土抗震不利和碳化對混凝土抗火不利的試驗研究；此外，日本學者對不同濕度條件下的碳化速度做了相關(guān)研究[17]；Smolczyk認為碳化深度與抗壓強度的二次方根成反比關(guān)系[18]；Meyer等人通過試驗給出了不同水泥用量混凝土的碳化程度。
......
第2章 橋梁結(jié)構(gòu)耐久性劣化形式及機理分析
由于橋梁結(jié)構(gòu)工作性質(zhì)與服役環(huán)境的特殊性，往往比其他工程結(jié)構(gòu)更容易出現(xiàn)各種各樣的耐久性損傷，導致結(jié)構(gòu)未達到預期使用壽命而過早劣化失效。結(jié)構(gòu)出現(xiàn)耐久性損傷究其原因主要是由于結(jié)構(gòu)材料在外部惡劣環(huán)境條件下發(fā)生結(jié)構(gòu)性腐蝕與損壞，若想提高結(jié)構(gòu)耐久性以及合理預測結(jié)構(gòu)耐久壽命，需對其損傷形式及劣化機理具有充分的認識與理解。 本文通過混凝土宏觀和微觀結(jié)構(gòu)的特點和缺陷，基于橋梁結(jié)構(gòu)所處外部環(huán)境因素，對混凝土基體的結(jié)構(gòu)損傷機理展開分析。
......
2.2.1橋梁耐久性定義
工程結(jié)構(gòu)設計規(guī)范對結(jié)構(gòu)在使用年限內(nèi)的耐久性能具有一定要求，所以結(jié)構(gòu)在使用初期，往往不會出現(xiàn)耐久性損傷，這也是人們對該性能沒有引起足夠重視的原因，然而隨著使用時間的增加，結(jié)構(gòu)頻繁受到各種外力及侵蝕性環(huán)境的多重作用，致使結(jié)構(gòu)逐漸出現(xiàn)不同程度的損傷與病害，當結(jié)構(gòu)或某一構(gòu)部件所受損傷程度超過所能承受的極限程度時，結(jié)構(gòu)將失去原有性能無法繼續(xù)工作，由于橋梁結(jié)構(gòu)的特殊性，耐久性損傷往往比建筑工程結(jié)構(gòu)嚴重的多，其全壽命周期內(nèi)耐久性能使用狀態(tài)可用圖2.2-1表示。
2.2.2橋梁耐久性損傷
結(jié)構(gòu)耐久性是可靠性中最為薄弱的一個層面，橋梁結(jié)構(gòu)由于構(gòu)造本身與服役環(huán)境的復雜多樣性，其耐久性影響因素十分復雜，可以簡單概括為材料自身特性及結(jié)構(gòu)所處使用環(huán)境條件兩方面。其中，由于侵蝕性環(huán)境作用導致的材料性能損傷是構(gòu)部件乃至整體失效的直接因素，考慮到不同環(huán)境作用因素的影響，可將橋梁結(jié)構(gòu)耐久性損傷用圖2.2-2表示。
混凝土凍融破壞是混凝土內(nèi)部微觀結(jié)構(gòu)物相變化的過程，在冬季寒冷氣候條件下，混凝土水泥漿體中部分孔隙水由于負溫結(jié)冰膨脹，膨脹力導致未結(jié)冰水系遷移，形成靜水壓力，當靜水壓力過大時，致使混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)發(fā)生抗拉破壞，隨著正負溫交替循環(huán)，凍與融反復進行，混凝土表層由于不耐疲勞損傷而發(fā)生剝落，隨著使用年限的增加，混凝土由表及里逐漸出現(xiàn)結(jié)構(gòu)性開裂。同時，由于寒冷地區(qū)冬季多冰雪氣候，為保證交通運輸暢通安全，常以除冰鹽（NaCl ）作為融雪劑，形成 Cl侵蝕環(huán)境，冰層融化后產(chǎn)生冷沖擊，同時 Cl通過孔隙滲透，產(chǎn)生滲透壓力的同時加快了飽水程度，致使鹽溶液過飽和結(jié)晶產(chǎn)生結(jié)晶壓力，在不同程度上加劇了凍融損傷。
......
3.1概述.................................................. 22
3.2結(jié)構(gòu)可靠度理論基本概念.............................. 22
第4章 橋梁結(jié)構(gòu)可靠度計算及變化規(guī)律.................... 32
4.1概述............................................. 32
4.2橋梁結(jié)構(gòu)可靠度計算參數(shù)............................ 32
第5章 寒區(qū)鋼筋混凝土橋梁耐久性評價研究................ 53
5.1概述................................................. 53
5.2結(jié)構(gòu)可靠性參數(shù)轉(zhuǎn)換關(guān)系..........................53
第5章 寒區(qū)鋼筋混凝土橋梁耐久性評價研究
本章通過推斷橋梁結(jié)構(gòu)與建筑結(jié)構(gòu)滿足同一耐久性等級所需抗力的對應關(guān)系，以確定橋梁結(jié)構(gòu)耐久性評定等級的耐久性分值，基于寒冷地區(qū)橋梁結(jié)構(gòu)的服役環(huán)境，采用混凝土碳化及氯鹽侵蝕引起的鋼筋銹蝕和凍融損傷作為寒區(qū)混凝土橋梁耐久性的評價參數(shù)。
......
橋梁結(jié)構(gòu)與建筑結(jié)構(gòu)在可靠度設計中存在兩點主要區(qū)別，即設計基準期差別與目標可靠指標差別，橋梁結(jié)構(gòu)的設計基準期為100年，建筑結(jié)構(gòu)為50年，設計基準期的不同將影響同條件下結(jié)構(gòu)設計的目標可靠指標。橋梁結(jié)構(gòu)設計規(guī)范中目標可靠指標的選取一般考慮結(jié)構(gòu)安全等級為二級，破壞類型為延性破壞，根據(jù)不同結(jié)構(gòu)構(gòu)件達到同一目標可靠指標所需結(jié)構(gòu)設計抗力隨結(jié)構(gòu)設計基準期的變化關(guān)系，對于延性破壞構(gòu)件，若想保持相同的可靠度水平，100年設計基準期時所需結(jié)構(gòu)設計抗力約為50年設計基準期所需結(jié)構(gòu)設計抗力的1.018倍。按《建筑工程結(jié)構(gòu)可靠度統(tǒng)一標準》規(guī)定，建筑工程結(jié)構(gòu)將安全等級為二級的延性破壞構(gòu)件目標可靠指標取為3.2，由可靠指標隨設計基準期的變化關(guān)系可知，將設計基準期延伸為100年，則相應可靠指標將減小為3.117，若想保證原有的目標可靠水平，則結(jié)構(gòu)設計抗力應提高為原來的1.018倍。
寒冷地區(qū)橋梁結(jié)構(gòu)多處于除冰鹽凍融多重侵蝕性環(huán)境作用下，考慮到環(huán)境因素侵蝕可能導致的結(jié)構(gòu)材料性能耐久性損傷，采用混凝土碳化及氯鹽侵蝕引起的鋼筋銹蝕和凍融損傷作為橋梁結(jié)構(gòu)耐久性評定的主要參數(shù)，選用相應的裕度比作為耐久性分值，表5.3-3、5.3-4分別為鋼筋銹蝕與凍融破壞的耐久性等級評定指標建議值，進行具體耐久性評定時，相關(guān)耐久性參數(shù)可參照《混凝土結(jié)構(gòu)耐久性評定標準》進行計算。
......
結(jié)論與建議
本文針對我國北方寒冷地區(qū)混凝土橋梁耐久性損傷特性，基于結(jié)構(gòu)可靠度理論對橋梁結(jié)構(gòu)可靠度參數(shù)隨結(jié)構(gòu)設計基準期的變化關(guān)系展開分析，以《混凝土結(jié)構(gòu)耐久性評定標準》為基礎，提出橋梁結(jié)構(gòu)耐久性評價指標的近似建議值，通過研究得出如下主要結(jié)論：
基于環(huán)境作用影響因素將寒冷地區(qū)混凝土橋梁的主要耐久性損傷形式概括為混凝土碳化、凍融破壞、鋼筋銹蝕三大方面，耐久性評價準則主要分為碳化準則、凍融破壞準則、鋼筋銹蝕準則、銹脹開裂準則。
橋梁結(jié)構(gòu)與建筑工程結(jié)構(gòu)在可靠度設計中主要存在設計基準期和目標可靠指標差別，并受結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)的影響。設計基準期同為100年時，橋梁結(jié)構(gòu)與建筑工程結(jié)構(gòu)目標可靠指標相差約兩個等級，若想使其在某一功能上達到相同的保證率，其對應參數(shù)應相差約1.2倍。
通過橋梁結(jié)構(gòu)與建筑工程結(jié)構(gòu)之間可靠性參數(shù)的轉(zhuǎn)換關(guān)系，在耐久性等級具有一定保證率的基礎上，提出橋梁結(jié)構(gòu)耐久性等級評定指標的近似建議值。
......
參考文獻（略）
本文編號：242331
本文鏈接：http://sikaile.net/wenshubaike/caipu/242331.html
