混凝土橋梁結構耐久性可靠性淺析

宋茂林

（山西省交通科學研究院，山西 太原 030006）

1 研究背景

混凝土橋梁的耐久性劣化主要體現在混凝土的碳化作用。具體而言，碳化作用將導致混凝土變脆，構件延性降低。同時，也會使混凝土產生了不可逆的收縮，若在約束條件下進行，往往導致混凝土表面微裂紋，因而又加劇碳化過程。姜海波[1]等采用可靠度理論進行失效概率的估計，對該梁剩余使用期內的失效概率進行了估計；彭可可[2]等基于時變可靠度理論，提出評估在役橋梁結構可靠度的FNM法。而在可靠度指標上，歐盟耐久性設計規范將目標可靠指標取決于耐久性成本，即由于考慮結構的耐久性而導致設計成本提高的費用（P）與不考慮耐久性設計的養護花費（M）比值，給出設計使用年限為50年的可接受可靠指標 β：若P＜M，β取3.72；若 P≈M，β取2.57；若 P＞M，β 取 1.28。劉海等[3]經過計算認為，對于碳化耐久性有嚴格要求的重要混凝土結構，可靠指標建議取1.28。

綜上所述，關于混凝土橋梁結構耐久性可靠性的研究成果仍較多地集中在宏觀上控制和保證結構的耐久性，但在諸多文獻中對實現可靠性的耐久性評估指標量化規定較少。基于已有研究成果的基礎上，本文考慮混凝土的結構屬性，對混凝土橋梁結構耐久性可靠性檢測方法展開研究和分析。

2 構件耐久性評估指標體系和檢測指標

混凝土結構的耐久性評估指標體系主要包括目標可靠指標、構件外觀檢測指標、構件保護指標等[4]。對于外觀檢測指標，主要分構件缺陷指標和耐久性病害指標。混凝土構件的缺陷指標包括混凝土的蜂窩麻面、孔洞、空洞、露筋等。當蜂窩麻面超過構件面積的50%、孔洞和空洞面積超過5%時，需要結合蜂窩麻面和空洞孔洞深度的具體情況考慮對混凝土保護層厚度折減。耐久性病害指標包括裂縫、剝落、溶蝕等，用以判斷耐久性病害的嚴重程度。而構件保護效應指標則是指構件混凝土保護層厚度。而對于構件的保護層厚度檢測，要求檢測數量宜不少于構件總數的5%～10%，且不應少于6個構件，若同類構件數少于6個時，應逐個測試。對于T梁、空心板和箱梁構件，宜對外露面主筋全部縱向筋的保護層厚度進行檢測。對于大型箱梁構件，在外露面和箱梁內側面均勻選擇不少于1/3主筋區域，在梁端和跨中各取1～2 m區域進行檢測；對于墩柱類構件，均選擇不少于1/3的主筋區域，在墩柱兩端和中部各取1～2 m區域進行檢測；每測區每根鋼筋保護層厚度測點不應少于3個，構件角部鋼筋應檢測兩側的保護層厚度，取小值[5-6]。

3 基于可靠性的耐久性評估指標研究

對于混凝土橋梁而言，可靠度直接用來度量橋梁的可靠性程度，表示為規定的時間內和規定的條件下完成預定功能的概率pr，相應的結構失效的概率為 pf，則有：

當施加在橋梁上的直接作用或引起結構外加變形或約束變形的間接作用引起內力、變形等用S表示；而其抗力用R表示，極限狀態方程為：

對于考慮碳化作用的混凝土橋梁結構，式（2）表示為：

式中：c為混凝土保護層厚度，mm；x為碳化深度，mm；k為碳化系數。可知，實測碳化深度計算得出現階段碳化系數，假定碳化系數一直保持不變，便可利用現有碳化系數計算不同年限的可靠指標。其中保護層厚度取現場檢測所得均值及變異系數，其服從正態分布c～N(μc,σc)，碳化系數取實測碳化系數與變異系數，也服從正態分布 k～N(μk,σk)，其中 μ 為均值，δ為變異系數，t為時間。因此，構件耐久性可靠指標為：

在完成構件耐久性相應指標的檢測基礎上，應根據構件的類型、受力特性、檢測難易程度和概率統計需求，進行構件混凝土碳化深度檢測位置和測點數量分析。由于混凝土碳化是影響混凝土構件耐久性的主要原因，因此，取實測碳化深度值進行分析[7-9]。

4 工程實例

為驗證該耐久性可靠性檢測方法的可行性，以某跨徑組合為（60+100+60）m的預應力混凝土箱梁為例進行驗證。其中，主橋為單箱單室，三向預應力。引橋為混凝土T梁。箱梁混凝土標號為C60，T梁采用C50，橋墩、蓋梁采用均為C40。有限元模型如圖1所示。

圖1 有限元模型

表1 實測保護層厚度與碳化系數的分布參數 mm

圖2 主要構件耐久性可靠指標

根據國內外已有研究的成果，以及現有設計的構件耐久性校核值，鋼筋混凝土構件中鋼筋剛發生銹蝕時，即鋼筋混凝土構件到達第I類極限狀態，取規范規定的下限值為1.28[10]。對于預應力混凝土構件，由于在銹蝕后容易發生脆斷破壞，取可靠指標上限值為1.64。通過分析已有病害調研，目標可靠指標在100年使用年限中都超過2.0，指標值較高，按照規范校準得到的耐久性目標可靠指標除空心板稍小外。預應力混凝土構件目標可靠指標取1.64。由圖2可知，對于蓋梁、T 梁、箱梁，β100＞βT，表明該結構構件在100年內能夠繼續完成其預期功能，其碳化耐久性滿足要求。從現場檢測情況來看，目前尚未出現鋼筋銹蝕現象。

5 結論

a）確定了梁橋構件耐久性評估的目標可靠指標，可作為混凝土梁橋構件耐久性評估的依據。

b）結合耐久性評估指標體系，給出混凝土碳化可靠度的計算方法。

c）本文給出的混凝土碳化可靠度的計算方法，能夠較好地評估在役混凝土結構耐久性可靠性。