混凝土橋梁耐久性壽命預測模型

馬

河南省交通科學技術研究院有限公司（450006）

混凝土橋梁耐久性壽命預測模型

河南省交通科學技術研究院有限公司（450006）

橋梁是國家重要的基礎設施投資項目，是生命線工程的重要組成部分，在國民經濟發(fā)展中起著舉足輕重的作用。然而，隨著部分橋梁的服役時間的增長，以及車輛軸重和行車密度的加大，橋梁安全運營風險逐漸增大。特別是正在運營的中小跨徑常規(guī)橋梁，由于其恒載較小，車輛荷載比重較大，結構應力幅值較大，長期重載交通下易出現安全事故。因此研究橋梁壽命，對保障橋梁安全具有重要的意義。

混凝土橋梁；耐久性；檢測；壽命預測

自改革開放以來，我國公路橋梁建設以令世人驚嘆的規(guī)模和速度迅猛發(fā)展，取得了巨大成就，截至2015年底,全國高速公路總里程已達125 373公里，公路橋梁總數近80萬座，其中90%以上是鋼筋混凝土或預應力混凝土結構。無論是小型簡支梁橋、拱橋，還是特大型的斜拉橋、懸索橋，設計時都優(yōu)先采用混凝土結構。然而，在運營過程中，鋼筋混凝土橋梁將逐漸老化損傷，給橋梁的安全管理帶來很大的困難。研究橋梁服役壽命，對保障橋梁安全具有重要的意義。

1 耐久性壽命預測

對于鋼筋混凝土橋梁而言，其耐久性破壞最終表現形式為鋼筋銹蝕和混凝土剝落。《混凝土結構評定標準》根據以上兩種病害定義了三種耐久性極限狀態(tài)：①鋼筋開始銹蝕；②混凝土保護層銹脹開裂；③混凝土表面出現可接受的最大外觀損傷。因此，混凝土碳化深度和鋼筋銹蝕是混凝土橋梁壽命預測的重要研究內容。

目前，國內外對混凝土碳化機理以及影響因素已經有了比較成熟的認知，碳化深度與碳化時間的平方根成正比的規(guī)律已廣為眾多學者們接受。混凝土橋梁的碳化壽命模型目前存在三類：理論模型、經驗模型和基于擴散理論與試驗的實用模型。碳化壽命多數采用的是實用模型，并能為混凝土橋梁的設計、施工及維護提供可靠的依據。而鋼筋銹蝕造成的混凝土銹脹開裂壽命預測的研究有兩類。一類是針對混凝土碳化因素建立的壽命預測模型，如Bazant模型、劉西拉模型、牛荻濤模型以及K.Y.Ann模型等；另一類是針對氯離子侵蝕建立的壽命預測模型，如Tuutti模型、Morinaga模型等。

2 混凝土結構耐久性壽命的判斷準則

2.1 碳化壽命準則

碳化壽命判斷準則是以保護層混凝土碳化，從而失去對鋼筋的保護作用,使鋼筋開始產生銹蝕的時間作為混凝土結構的壽命。即以混凝土碳化深度達到鋼筋表面作為鋼筋開始銹蝕的標志。用該準則判斷混凝土耐久性失效，即鋼筋發(fā)生銹蝕的極限狀態(tài)方程為：

式中：Z（t）為功能函數；c為混凝土保護層厚度（mm）；x0為碳化殘量（mm）；X（t）為碳化深度（mm）。

2.2 銹脹開裂壽命準則

銹脹開裂壽命理論是以混凝土表面出現沿筋的銹脹裂縫所需時間作為結構的使用壽命。該準則認為,混凝土中的鋼筋銹蝕使混凝土縱裂以后，鋼筋銹蝕速度明顯加快，將這一界限視為危及結構安全，需要加固維修的依據。此時，混凝土保護層出現銹脹裂縫的極限狀態(tài)方程為：

式中：Z（t）為功能函數；δcr為鋼筋臨界時的銹蝕深度（mm）；δe1（t）為銹脹開裂前的鋼筋銹蝕量（mm）。

3 混凝土碳化深度預測模型

3.1 碳化模型1

在全面分析混凝土碳化的機理和影響因素后，基于碳化理論分析與試驗結果給出了混凝土碳化的數學模型，簡稱模型1：

式中：kRH為環(huán)境濕度影響系數；kCO2為環(huán)境二氧化碳濃度影響系數；kT為環(huán)境溫度影響系數；γHD為水泥水化程度修正系數，取90 d養(yǎng)護為1.0，28 d養(yǎng)護為0.85；γc為水泥品種修正系數，硅酸鹽水泥取1.0，其他水泥取1.0-摻合料含量；ks為混凝土應力狀態(tài)影響系數；W/C為水灰比；C為水泥含量（kg/ m3）；CCO2為二氧化碳濃度（%）；t為碳化時間（d）。

3.2 碳化模型2

選取混凝土強度等級、環(huán)境溫度、相對濕度、二氧化碳濃度和碳化時間為主要影響混凝土碳化深度的因素，建立了混凝土碳化深度的預測模型，簡稱模型2：

式中：knw為室內室外混凝土影響系數，室內取1.87，室外取1.0；Hr為環(huán)境相對濕度（%），適用范圍在[40%，95%]；T為環(huán)境溫度（℃），適用范圍[10，50]；C0為二氧化碳濃度（%）。

3.3 碳化模型3

考慮混凝土碳化的隨機性，建立預測混凝土碳化深度的實用隨機模型，簡稱模型3：

式中：Kmc為計算模式不定性隨機變量；kj為角部修正系數；kCO2為環(huán)境二氧化碳濃度影響系數；kp為澆筑面修正系數；ks為工作應力影響系數；T為環(huán)境溫度（℃）；fcu為混凝土立方體抗壓強度（MPa）；mc為混凝土立方體抗壓強度平均值與標準值之比。

4 結論

這里結合混凝土耐久性準則，對混凝土橋梁壽命分為混凝土碳化壽命和混凝土銹脹開裂壽命兩類。根據混凝土碳化壽命預測理論,分別建立了3個混凝土碳化壽命預測模型。

[1]許麗萍，黃士元.預測混凝土中碳化深度的數學模型[J].上海建材學院學報，1991，4（4）：347-356.

[2]龔洛書,柳春圃.混凝土結構的耐久性及其防護修補[M].北京：中國建筑工業(yè)出版社,1990.

[3]張譽，蔣利學.基于碳化機理的混凝土碳化深度實用數學模型[J].工業(yè)建筑，1998,28（1）：16-19.

[4]牛荻濤.混凝土結構耐久性與壽命預測[M].北京：科學出版社,2003.