第1章 緒 論

1.1項(xiàng)目背景及研究意義
1.1.1項(xiàng)目研究背景
2015年，全球近五十個(gè)國(guó)家加入由中國(guó)發(fā)起的亞洲基礎(chǔ)設(shè)施投資銀行，旨在通過各種融資投資進(jìn)行亞洲及周邊地區(qū)的基礎(chǔ)設(shè)施開發(fā)建設(shè)，此舉吸引了國(guó)際上眾多人士的關(guān)注，這表明在未來的發(fā)展中我國(guó)以及整個(gè)亞洲乃至全世界對(duì)基礎(chǔ)建設(shè)領(lǐng)域的重視，盡管在社會(huì)日益發(fā)達(dá)的今天，基礎(chǔ)設(shè)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(shí)，許多既有混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性能隨服役時(shí)間日漸劣化，長(zhǎng)時(shí)間疲勞損傷下致使結(jié)構(gòu)可靠性降低，無法達(dá)到設(shè)計(jì)使用年限而提前失效[1]，這在工程結(jié)構(gòu)領(lǐng)域是一個(gè)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(jià)高、易損壞、難維修等特點(diǎn)，無論是從前期勘察、設(shè)計(jì)、施工，還是后期的運(yùn)營(yíng)、維修、加固等方面考慮，都有著較高的經(jīng)濟(jì)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(dá)國(guó)家橋梁結(jié)構(gòu)多以鋼板梁橋和鋼桁架梁橋?yàn)橹�，緣于使用的�?jīng)濟(jì)性和便利性，我國(guó)橋梁形式多以混凝土梁橋?yàn)橹�，其�?shù)量至今約多達(dá)橋梁總數(shù)的90%。然而，在混凝土結(jié)構(gòu)造價(jià)低、施工便利的同時(shí)，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(zhǎng)時(shí)間工作而逐漸出現(xiàn)不同程度的損傷以致失效。

自上世紀(jì)全世界掀起基礎(chǔ)建設(shè)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(jìn)入了維修養(yǎng)護(hù)階段，病害橋梁的數(shù)量與日俱增，許多結(jié)構(gòu)遠(yuǎn)未達(dá)到預(yù)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(jì)損失。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，在科學(xué)技術(shù)比較發(fā)達(dá)的美國(guó)，1981年對(duì)全國(guó)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(yùn)營(yíng)進(jìn)行維修，到1987年，不同程度耐久性損傷的橋梁數(shù)目多達(dá)253，000余座，在現(xiàn)有統(tǒng)計(jì)50余萬座結(jié)構(gòu)中，近乎一半存在性能缺陷。美國(guó)國(guó)會(huì)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(zhǎng)了近2.5倍，帶來了巨大的經(jīng)濟(jì)困擾，相關(guān)歷史資料記錄，1989年美國(guó)僅積壓的待修橋梁維修費(fèi)用便高達(dá)1550億美元，此外，英國(guó)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(guó)民經(jīng)濟(jì)總產(chǎn)值的2%～4%。

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1.2結(jié)構(gòu)耐久性研究現(xiàn)狀分析
1.2.1耐久性損傷國(guó)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(shí)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(gè)隨時(shí)間增長(zhǎng)與多種環(huán)境作用而不斷劣化的過程，隨著服役時(shí)間的增長(zhǎng)，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(shí)間上存在不均勻分布，結(jié)合國(guó)內(nèi)外對(duì)混凝土材料的劣化機(jī)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。

結(jié)構(gòu)服役環(huán)境的復(fù)雜多樣性導(dǎo)致其耐久性損傷程度與形式不同，而其中大多是由多重環(huán)境因子耦合作用產(chǎn)生，并且具有反復(fù)交替性。目前國(guó)際上許多重大工程對(duì)于混凝土橋梁耐久性的研究，基本上僅考慮到一般的大氣環(huán)境條件或者其他單一的環(huán)境條件，而對(duì)于多種環(huán)境共同作用下混凝土結(jié)構(gòu)耐久性的研究還比較欠缺，近年來，通過國(guó)內(nèi)外學(xué)者大量工程試驗(yàn)與理論研究成果，認(rèn)為寒區(qū)橋梁結(jié)構(gòu)常遇的耐久性損傷主要包含砼碳化、凍融、鋼筋銹蝕等方面，其中由于環(huán)境侵蝕引起的鋼筋銹蝕最為嚴(yán)重[7]。

一些文獻(xiàn)[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(yàn)關(guān)系式，其中鐵道科學(xué)院馮仲偉認(rèn)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(xiàn)[13], [14], [15]考慮不同的混凝土抗壓強(qiáng)度，認(rèn)為α與其倒數(shù)幾乎呈線性關(guān)系；清華大學(xué)邸小壇通過收集近年來對(duì)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(xué)模型[16]；浙江大學(xué)基于碳化指數(shù)的不確定性概率分布模型，運(yùn)用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)建立較符合實(shí)際工程情況的數(shù)學(xué)模型；同濟(jì)大學(xué)做出了碳化對(duì)混凝土抗震不利和碳化對(duì)混凝土抗火不利的試驗(yàn)研究；此外，日本學(xué)者對(duì)不同濕度條件下的碳化速度做了相關(guān)研究[17]；Smolczyk認(rèn)為碳化深度與抗壓強(qiáng)度的二次方根成反比關(guān)系[18]；Meyer等人通過試驗(yàn)給出了不同水泥用量混凝土的碳化程度。

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第2章 橋梁結(jié)構(gòu)耐久性劣化形式及機(jī)理分析

2.1概述

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(dǎo)致結(jié)構(gòu)未達(dá)到預(yù)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(yù)測(cè)結(jié)構(gòu)耐久壽命，需對(duì)其損傷形式及劣化機(jī)理具有充分的認(rèn)識(shí)與理解。 本文通過混凝土宏觀和微觀結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)和缺陷，基于橋梁結(jié)構(gòu)所處外部環(huán)境因素，對(duì)混凝土基體的結(jié)構(gòu)損傷機(jī)理展開分析。

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2.2橋梁結(jié)構(gòu)耐久性損傷
2.2.1橋梁耐久性定義
工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范對(duì)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(huì)出現(xiàn)耐久性損傷，這也是人們對(duì)該性能沒有引起足夠重視的原因，然而隨著使用時(shí)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(dāng)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(shí)，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(yán)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(gè)層面，橋梁結(jié)構(gòu)由于構(gòu)造本身與服役環(huán)境的復(fù)雜多樣性，其耐久性影響因素十分復(fù)雜，可以簡(jiǎn)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(dǎo)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(fù)溫結(jié)冰膨脹，膨脹力導(dǎo)致未結(jié)冰水系遷移，形成靜水壓力，當(dāng)靜水壓力過大時(shí)，致使混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)發(fā)生抗拉破壞，隨著正負(fù)溫交替循環(huán)，凍與融反復(fù)進(jìn)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(shí)，由于寒冷地區(qū)冬季多冰雪氣候，為保證交通運(yùn)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(shí) Cl通過孔隙滲透，產(chǎn)生滲透壓力的同時(shí)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。

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第3章 結(jié)構(gòu)可靠度基本理論及計(jì)算方法........................22
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(jì)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(jì)算參數(shù)............................ 32
第5章 寒區(qū)鋼筋混凝土橋梁耐久性評(píng)價(jià)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(píng)價(jià)研究

5.1概述

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(jí)所需抗力的對(duì)應(yīng)關(guān)系，以確定橋梁結(jié)構(gòu)耐久性評(píng)定等級(jí)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(píng)價(jià)參數(shù)。

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5.2結(jié)構(gòu)可靠性參數(shù)轉(zhuǎn)換關(guān)系
橋梁結(jié)構(gòu)與建筑結(jié)構(gòu)在可靠度設(shè)計(jì)中存在兩點(diǎn)主要區(qū)別，即設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期差別與目標(biāo)可靠指標(biāo)差別，橋梁結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期為100年，建筑結(jié)構(gòu)為50年，設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期的不同將影響同條件下結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的目標(biāo)可靠指標(biāo)。橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范中目標(biāo)可靠指標(biāo)的選取一般考慮結(jié)構(gòu)安全等級(jí)為二級(jí)，破壞類型為延性破壞，根據(jù)不同結(jié)構(gòu)構(gòu)件達(dá)到同一目標(biāo)可靠指標(biāo)所需結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)抗力隨結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期的變化關(guān)系，對(duì)于延性破壞構(gòu)件，若想保持相同的可靠度水平，100年設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期時(shí)所需結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)抗力約為50年設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期所需結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)抗力的1.018倍。按《建筑工程結(jié)構(gòu)可靠度統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)》規(guī)定，建筑工程結(jié)構(gòu)將安全等級(jí)為二級(jí)的延性破壞構(gòu)件目標(biāo)可靠指標(biāo)取為3.2，由可靠指標(biāo)隨設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期的變化關(guān)系可知，將設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期延伸為100年，則相應(yīng)可靠指標(biāo)將減小為3.117，若想保證原有的目標(biāo)可靠水平，則結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)抗力應(yīng)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(dǎo)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(píng)定的主要參數(shù)，選用相應(yīng)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(jí)評(píng)定指標(biāo)建議值，進(jìn)行具體耐久性評(píng)定時(shí)，相關(guān)耐久性參數(shù)可參照《混凝土結(jié)構(gòu)耐久性評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)》進(jìn)行計(jì)算。

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結(jié)論與建議

一、結(jié)論
本文針對(duì)我國(guó)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(duì)橋梁結(jié)構(gòu)可靠度參數(shù)隨結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期的變化關(guān)系展開分析，以《混凝土結(jié)構(gòu)耐久性評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)》為基礎(chǔ)，提出橋梁結(jié)構(gòu)耐久性評(píng)價(jià)指標(biāo)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(píng)價(jià)準(zhǔn)則主要分為碳化準(zhǔn)則、凍融破壞準(zhǔn)則、鋼筋銹蝕準(zhǔn)則、銹脹開裂準(zhǔn)則。
橋梁結(jié)構(gòu)與建筑工程結(jié)構(gòu)在可靠度設(shè)計(jì)中主要存在設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期和目標(biāo)可靠指標(biāo)差別，并受結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)的影響。設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期同為100年時(shí)，橋梁結(jié)構(gòu)與建筑工程結(jié)構(gòu)目標(biāo)可靠指標(biāo)相差約兩個(gè)等級(jí)，若想使其在某一功能上達(dá)到相同的保證率，其對(duì)應(yīng)參數(shù)應(yīng)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(jí)具有一定保證率的基礎(chǔ)上，提出橋梁結(jié)構(gòu)耐久性等級(jí)評(píng)定指標(biāo)的近似建議值。

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參考文獻(xiàn)（略）

本文編號(hào)：242331