基于可靠度的寒冷地区混凝土桥梁碳化寿命分析.pdf

第3 4 卷第4 期 2 0 0 5 年7 月 中国矿业大学学报 J o u r n a lo fC h i n aU n i v e r s i t yo fM i n i n g T e c h n o l o g y 文章编号1 0 0 0 1 9 6 4 2 0 0 5 0 4 0 4 5 8 0 4 V 0 1 ．3 4N o ．4 J u l ．2 0 0 5 基于可靠度的寒冷地区混凝土桥梁碳化寿命分析 孙晓燕1 ，孙保沭2 ，黄承逵3 ，史 波2 1 ．清华大学土木水利学院，北京1 0 0 0 8 4 ；2 ．华北水利水电学院水利系，河南郑州4 5 0 0 0 8 ； 3 ．大连理工大学土木水利学院，辽宁大连 1 1 6 0 2 3 摘要讨论了混凝土的碳化影响因素和碳化深度模型，给出了适用于寒冷地区混凝土桥梁的碳 化时变随机模型．以混凝土碳化至钢筋表面作为结构耐久性失效的极限状态，建立了混凝土桥梁 碳化时变可靠度分析及剩余寿命预测模型，提供了实用的分析和计算方法，并以一座现有钢筋混 凝土桥梁为例，对其进行碳化可靠度分析及剩余寿命评估．该方法得到的结论对实际桥梁的耐久 性评价和桥梁日常维护决策提供了重要的依据和参考作用． 关键词混凝土桥梁；混凝土碳化；寒冷地区；剩余寿命；时变可靠度 中图分类号T U3 1 1 ．2文献标识码A C a r b o n i z a t i o nR e l i a b i l i t yA s s e s s m e n ta n dL i f e t i m eP r e d i c t i o n f o rR e i n f o r c e dC o n c r e t eB r i d g e si nC o l dA r e a S U NX i a o y a n l ，S U NB a o s h u 2 。H U A N GC h e n g k u i 3 ，S H IB 0 3 1 ．D e p a r t m e n to fC i v i lE n g i n e e r i n g t ，S c h o o lo fC i v i l ＆H y d r a u l i cE n g i n e e r i n g ， T s i n g h u aU n i v e r s i t y ，B e i j i n g10 0 0 8 4 ，C h i n a ；2 ．D e p a r t m e n to fW a t e rC o n s e r v a n c yE n g i n e e r i n g ， N o r t hC h i n aI n s t i t u t eo fW a t e rC o n s e r v a n c ya n dH y d r o p o w e r ，Z h e n g z h o u ，H e n a n4 5 0 0 0 8 ，C h i n a ； 3 ．S c h o o lo fC i v i l8 LH y d r a u l i cE n g i n e e r i n g ，D a l i a nU n i v e r s i t yo ft e c h n o l o g y ，D a l i a n ，L i a o n i n g1 1 6 0 2 3 ，C h i n a A b s t r a c t T h em e c h a n i s mo fc o n c r e t ec a r b o n i z a t i o na n dt h em o d e lo fc a r b o n i z a t i o nd e p t ho f r e i n f o r c e dc o n c r e t es t r u c t u r e sw e r ed i s c u s s e d ．Am o d e lo fc o n c r e t ec a r b o n i z a t i o nd e p t ht h a ti S s u i t a b l ef o rr e l i a b i l i t ya n a l y s i so fr e i n f o r c e dc o n c r e t eb r i d g e si nc o l da r e aw a se s t a b l i s h e d ．R e l i a b i l i t y a n a l y s i sa n dr e s i d u a l1 i f e t i m ep r e d i c t i o nb a s e do nc o n c r e t ec a r b o n i z a t i o nw e r ep r e s e n t e d 。w i t ht h e s t a t ew h i l ec o n c r e t ec a r b o n i z a t i o nr e a c h e st h es u r f a c eo ft h er e i n f o r c e m e n ta st h ed u r a b i l i t yl i m i t s t a t e ．T h ec a l c u l a t i o nm e t h o d sw e r ea l s og i v e n ．Ap r a c t i c a lr e i n f o r c e dc o n c r e t eb r i d g ew a st a k e na s a ne x a m p l et oe s t i m a t et h er e l i a b i l i t yo fc a r b o n i z a t i o na n dt h er e s i d u a lc a r b o n i z a t i o nl i f e t i m e ．T h e r e s u l t sc a nb eu s e da sag u i d ef o rd u r a b i l i t ya s s e s s m e n ta n dm a i n t e n a n c es t r a t e g yf o rd e t e r i o r a t i n g r e i n f o r c e dc o n c r e t eb r i d g e s ． K e yw o r d s r e i n f o r c e dc o n c r e t eb r i d g e ；c o n c r e t ec a r b o n i z a t i o n ；c o l da r e a ；r e s i d u a ll i f e t i m e ；t i m e d e p e n d e n tr e l i a b i l i t y 钢筋混凝土桥梁在服役过程中，不但要承受各 种荷载的作用，还遭受环境因素的侵袭．随着桥梁 结构服役期的增长，混凝土逐渐发生碳化，对钢筋 失去保护作用，从而影响结构抗力和耐久性．混凝 土碳化是一般大气环境下钢筋锈蚀的前提条件，是 导致结构性能劣化及耐久性降低的主要原因之一， 探讨碳化的实用预测模型对于混凝土结构的耐久 性分析与剩余寿命评估具有重要的实际意义，可以 收稿日期2 0 0 4 1 l 一3 0 基金项目辽宁省交通科技重点项目 0 1 0 1 作者简介孙晓燕 1 9 7 6 一 ，女，河北省故城县人，工学博士，从事在役及加固后桥梁安全性和耐久性及特大桥梁健康监测方面的研究 E m a i l x y s u n t s i n g h u a ．e d u ．c n 万方数据 第4 期孙晓燕等基于可靠度的寒冷地区混凝土桥梁碳化寿命分析4 5 9 揭示结构潜在的风险，为及时作出结构维护决策提 供重要依据． 混凝土碳化影响因素众多，其中首要因素为环 境因素．我国幅员辽阔，因此，建立适用于各种环境 条件下的统一混凝士碳化模型是不可行、不适用 的．近年来，有关南方湿热环境下，氯离子侵蚀环境 下的耐久性研究不断开展[ 1 ≈] ，而对于北方地区干 燥寒冷条件下的耐久性研究很有限[ 3 ] ．本文在2 0 余座服役桥梁的实际检测数据的基础上，结合国内 外相关资料，建立了符合寒冷地区的混凝土桥梁的 碳化深度和碳化深度标准差的经时变化模型，并分 析了混凝土桥梁的碳化可靠度，给出了基于可靠度 的碳化寿命预测方法，并针对一座实际桥梁，进行 了碳化寿命分析． 1混凝土碳化的理论模型及其分析 1 ．1现有混凝土碳化的时变模型 基于F i c k 第一扩散定律，可以得到混凝土碳 化理论模型为 z 一庸， 式中z 为碳化深度；D 。为C O 。在混凝土中的有效 扩散系数；C 。为环境中的C O 。浓度；M 。为单位体 积混凝土吸收C O z 的量；≠为碳化时间．其中，有效 扩散系数D 。反映了C O 。在混凝土中的扩散能力， 主要受混凝土材料的强度、孔隙结构、湿润状态和 温度等的影响；M o 反映了碳化过程中混凝土吸收 C O 。的能力，主要由水泥用量和品种决定．因此，混 凝土碳化速度主要取决于混凝土质量和环境条件． 牛荻涛等[ 3 ] 在此基础上考虑环境湿度，C 0 。浓 度和混凝土质量等因素，提出了如下混凝土碳化模 型 x k T k g H k c 0 ．k c ／f ， 2 式中k T 为环境温度影响系数，可以表示为是T 一 √6 1 ／6 0 ，其中口。为碳化环境的温度，吼为标准环 境的温度；是R H 为环境相对湿度影响系数，可以表示 为k g H 龛誊等糍，其中，R 日，为碳化环境 的相对湿度，R H 。为标准环境的相对湿度；k c o ．为 C O 。浓度影响系数，可以表示为k c o 。 √C 。；k c 为 混凝土质量影响系数． 1 ．2 寒冷地区混凝土碳化时变模型 本文在进行寒冷地区混凝土碳化检测和对既 有模型分析研究的基础上，考虑混凝土质量和环境 条件为主要影响因素，兼顾考虑碳化部位、养护方 式等因素，建立如下适合寒冷地区的混凝土桥梁的 混凝土碳化模型 X ￡ 2 ．0 9 K 。k ，k c ocy 可 1 一，k R H [ 茬吨2 0 ] 厅， ㈤ 式中K 。为计算模式不定性系数，主要反映碳化模 型计算结果与实测结果之间的差异，同时也反映一 些在计算模型中未能考虑的因素对碳化结果的影 响，据检测数据反复校正验算，本文中取为0 ．9 ；k J 为碳化部位影响系数，由于角部碳化是两个方向进 行，因此，角部碳化影响系数取为1 ．4 ，其他部位取 1 ．0 ；愚c o 。为考虑混凝土结构所处环境的C O 。浓度 对碳化结果的影响，忌c o 。 √c c 吼／0 ．0 3 ，其中，c c 瓯 为环境C O 。的浓度，实际应用中，如果缺乏环境 C O 。的浓度数据，可根据桥梁所处工作环境进行估 计，对于我国北方寒冷地区，建议取是c o 。 1 ．0 ～ 1 ．4 ；愚c 为混凝土养护影响系数，北方地区很多桥 梁采用蒸汽养护，据试验研究[ 4 ] ，蒸汽养护混凝土 碳化深度大于自然养护的碳化深度，约为其1 ．2 5 倍．因此蒸汽养护k c 1 ．3 ，自然养护k c 1 ．0 ；伊为 环境温度，℃；足H 为环境相对湿度；厶为混凝土立 方体抗压强度，M P a ；f 为结构服役时间，a ． 采用该碳化模型计算的碳化深度与北方寒冷 地区1 0 座大桥上的2 2 个测点实际检测结果进行 比较，如图1 所示．模型计算与实际检测得到了较 好的符合，说明该模型可用作预测寒冷地区混凝土 桥梁碳化时变模型． 图1 碳化时变模型与实际检测结果比较 F i g ．1 T h et i m e d e p e n d e n tm o d e la n di n s p e c t i o nd a t a ．o fc o n c r e t ec a r b o n i z a t i o nd e p t h 2 混凝土碳化深度的时变随机模型 由于混凝土碳化的影响因素众多，而且碳化深 度与服役时间关系密切，因此采用非平稳随机过程 对碳化过程进行描述是合理的．通过对大量服役结 构混凝土碳化的调查结果分析研究，认为碳化深度 服从正态分布[ 5 ] ，其一维概率密度函数为 万方数据 4 6 0中国矿业大学学报第3 4 卷 础∽ 而1 啪，e x p { 一黜 ．㈤ 1 混凝土碳化深度均值的时变模型 按照前述分析，采用考虑寒冷地区环境条件和 混凝土质量因素影响的混凝土碳化时变模型，即 触 t 一2 ．0 9 K 。k J b 。k ∥0 1 ～尺日 f 等吨20 1 厅． 5 【√／。J 2 混凝土碳化深度标准差的时变模型 文献E 6 ] 收集了国内外不同年代多组碳化深度 数据进行分析，认为碳化深度标准差的时变模型可 以表示为呶 ￡ - 一A B t 2 ．利用不同服役时间的多 座桥梁多组碳化数据进行回归分析，得寒冷地区环 境条件下碳化深度标准差时变模型为鲰 ≠ 5 ．3 0 ．0 0 3 4 t 2 ，将模型计算结果与实际检测结果进 行对比，如图2 所示． 图2 碳化标准差时变模型与实际检测结果比较 F i g ．2 T h et i m e d e p e n d e n tm o d e la n di n s p e c t i o nd a t ao f c o n c r e t ec a r b o n i z a t i o ns t a n d a r dd e v i a t i o n 3 基于可靠度的混凝土碳化寿命分析 3 ．1混凝碳化控制准则 对于重要结构的构件，例如重要线路的桥梁或 者大型桥梁，不容许钢筋发生锈蚀或者只容许钢筋 轻微锈蚀，此时采用碳化寿命准则进行耐久性评 估．对于常年处于室外环境工作的桥梁结构，一般 以碳化发生到钢筋表面作为耐久性失效的准则[ 7 ] ． 3 ．2 混凝碳化极限状态方程 Z f R 。一S ￡ 0 ， 6 式中R c 为碳化合格指标，对于桥梁结构，取为 c △，其中，f 为混凝土保护层厚度，△为根据桥梁 重要性和工作环境所取的调整值，对于比较重要或 工作环境恶劣的桥，可以取为0 ，而不很重要或允 许轻微锈蚀的桥梁，可取为2 0m m [ 8 ] ．保护层厚度 作为时不变的随机变量，服从正态分布，可以按照 公路工程可靠度设计统一标准[ 9 3 中提供的统计 参数，均值为1 ．0 1 78 ，变异系数为0 ．0 4 96 ． 则混凝土桥梁结构的碳化时变可靠度可以表 示为 P 丁一P { Z ≠ 0 ． 7 对于一般结构，可以取碳化控制可靠指标为 0 ．7 5 [ 4 ] ． 3 ．3 服役桥梁碳化寿命分析 综上所述，得到如下服役混凝土桥梁基于可靠 度的碳化寿命分析步骤 根据实际桥梁结构的环境和混凝土质量以及 碳化部位、养护方式等因素，利用本文的寒冷地区 混凝土碳化深度时变模型确定碳化深度均值时变 模型；确定混凝土碳化深度标准差的时变模型；按 照公式 7 的极限状态方程计算碳化时变可靠度， 绘制混凝土桥梁结构碳化时变可靠度曲线；判断碳 化控制可靠度与时变可靠度曲线的相交时间，得到 结构的碳化寿命． 4算例分析 姚千户大桥位于深一十线，建于1 9 7 4 年．全桥 长1 6 7 ．9m ，共1 0 孔，单孔跨径为1 6 ．7 9m ．该桥上 部为工字型梁桥，下部采用桩基础、双柱式墩台．考 虑到边主梁的碳化较严重，因此以边主梁的碳化可 靠度为依据偏于保守地探讨其该桥的碳化寿命．边 主梁混凝土强度，采用寒冷地区混凝土碳化模型计 算得到混凝土碳化深度均值时变模型和混凝土碳 化深度标准差时变模型如图3 所示．本课题组于 2 0 0 2 年6 月 此时服役期为2 8a 对该桥进行了耐 久性检测，发现该桥由于自建成以来没有任何维护 措施，碳化锈蚀比较严重，边主梁顺筋裂缝宽度最 大达到4 ．3m m ，实测服役期为2 8a 的碳化深度平 均值为4 0 ．9m m ，与碳化深度均值时变模型所得 到的2 8a 预测点4 1 ．2 7m m 较接近，这说明该时变 模型与实际桥梁碳化情况比较吻合．根据碳化时变 模型计算该梁的碳化时变可靠度如图4 所示，根据 前述方法可以判断出该桥的碳化寿命为t 一1 2 ．5 a ．该结果表明，钢筋锈蚀是在服役期约为1 2a 时 开始发生．因此相比较承载能力寿命准则和基于裂 缝宽度的剩余寿命准则[ 10 | ，碳化寿命准则更为严 格．对于重要的结构，严格不发生锈蚀和开裂，可以 通过碳化寿命准则进行控制，把碳化寿命作为维护 检修的最大时间间隔进行日常维护，以避免钢筋锈 蚀的发生和结构耐久性能的退化，但是不可以把碳 化寿命作为判断桥梁结构是否需要加固和重建的 依据，进行维修加固决策，维修加固决策宜建立在 可靠度、经济因素和承载能力寿命准则的基础上进 行． 万方数据 第4 期孙晓燕等基于可靠度的寒冷地区混凝土桥梁碳化寿命分析4 6 1 6 0 5 0 蜷4 0 杂 晕3 0 崔 2 0 1 0 02 04 06 0 时间／a 图3 混凝土碳化时变模型 F i g ．3 T h et i m e d e p e n d e n tc o n c r e t ec a r b o n i z a t i o nm o d e l 1 ．6 0 ．8 O ．4 O2 0加6 0 时间／a 图4 边主梁的变碳化可靠度 F i g ．4T h et i m e - d e p e n d e n tc a r b o n i z a t i o nr e l i a b i l i t y 5 结论 本文基于现有理论模型和实际检测数据，建立 了寒冷地区的混凝土桥梁的碳化深度均值和碳化 深度标准差的经时变化模型，在此基础上分析了混 凝土桥梁的碳化时变可靠度，给出了基于可靠度的 碳化寿命预测方法，实际计算表明，碳化寿命准则 适用于确定维护检修的最大时间间隔从而避免钢 筋锈蚀的发生和结构耐久性能的退化，但不适用于 作为桥梁结构是否需要加固和重建的依据．由于本 文碳化时变模型建立在寒冷地区实际桥梁检测的 基础上，因此具有较强的实用性和可靠性． 参考文献 E l i 林宝玉，单国良．南方海港浪溅区钢筋混凝土耐久性 研究E J l ．水运工程，1 9 9 8 1 1 - 4 ． L i nBY ，S h a nGL ．R e s e a r c ho nd u r a b i l i t yo f r e i n f o r c e dc o n c r e t ee x p o s e da tw a v e s p l a s h e da r e ai n s o u t h e r ns e ap o r t [ J ] ．M a r i n eT r a f f i cE n g i n e e r i n g ， 1 9 9 8 1 1 - 4 ． [ 2 ] A l o n s oC ，A n d r a d eC ，C a s t e l l o t eM ，e ta 1 ．C h l o r i d e t h r e s h o l dv a l u e st od e p a s s i v a t e r e i n f o r c i n g b a r s e m b e d d e di nas t a n d a r dO P Cm o r t a r [ J ] ．C e m e n ta n d C o n c r e t eR e s e a r c h ，2 0 0 0 3 0 1 0 4 7 - 1 0 5 5 ． [ 3 ] 牛荻涛，董振平，浦聿修．预测混凝土碳化深度的随机 模型[ J ] ．工业建筑，1 9 9 9 ，9 2 9 4 1 4 5 ． N i uDT ，D o n gZP ，P uYX ．R a n d o mm o d e lo f p r e d i c t i n gt h ec a r b o n a t e dc o n c r e t ed e p t h r , J ] ．I n d u s t r a l C o n s t r u c t i o n ，1 9 9 9 ，9 2 9 4 1 4 5 ． [ 4 ] 颜承越．混凝土碳化与强度关系的建立与应用[ J ] ．混 凝土与水泥制品，i 9 9 3 6 1 1 1 6 ． Y a nCY ．T h er e l a t i o no fc o n c r e t ec a r b o n i z a t i o na n d s t r e n g t h r , J ] ．C o n c r e t ea n dC e m e n t ，1 9 9 3 6 1 卜1 6 ． [ 5 ] 屈文俊，车惠民．既有混凝土桥梁碳化分析及耐久性 预测[ J ] ．铁道学报，1 9 9 6 ，3 1 8 8 0 8 5 ． Q UWJ ，C h e nHM ．A n a l y s i so fc o n c r e t e c a r b o n i z a t i o na n dd u r a b i l i t y p r e d i c t i o n f o re x i s t i n g c o n c r e t eb r i d g e s [ J ] ．J o u r n a lo fT h eC h i n aR a i l w a y S o c i e t y ，1 9 9 6 ，3 1 8 8 0 - 8 5 ． [ 6 3 牛荻涛，石玉钗，雷怡生．预测混凝土碳化的概率模型 及碳化可靠度分析[ J ] ．西安建筑科技大学学报， 1 9 9 5 ，3 2 7 2 5 2 2 5 6 ． N i uDT ，S h iYC ，L e iY S ．R e l i a b i l i t ya n a l y s i sa n d p r o b a b i l i t ym o d e l f o rc a r b o n a t i o no f c o n c r e t e s t r u c t u r e s [ J ] ．J o u r n a lo f X i ’a nU n i v e r s i t yo f A r c h i t e c t u r ea n dT e c h n o l o g y ，1 9 9 5 ，3 2 7 2 5 2 - 2 5 6 ． [ 7 ] 禹智涛，韩大建．既有钢筋混凝土桥梁碳化可靠度评 估方法口] ．华南理工大学学报，2 0 0 4 ，2 3 2 5 0 6 6 ． Y uZT ，H a nDJ ．M e t h o do fc a r b o n i z a t i o nr e l i a b i l i t y a s s e s s m e n tf o re x i s t i n gr e i n f o r c e dc o n c r e t eb r i d g e s r , J ] ． J o u r n a lo fS o u t hC h i n aU n i v e r s u t yT e c h n o l o g y ， 2 0 0 4 ，2 3 2 5 0 6 6 ． [ 8 3 牛荻涛，陈亦奇，于澎．混凝土结构的碳化模式与碳 化寿命分析[ J ] ．西安科技大学学报，1 9 9 5 ，4 2 7 3 6 5 3 6 9 ． N i uDT ，C h e nYQ ，Y uP e n g ．M o d e la n dr e l i a b i l i t y a n a l y s i sf o rc a r b o n a t i o no fc o n c r e t es t r u c t u r e s [ J ] ． J o u r n a lo fX i ’a nU n i v e r s i t yo fA r c h e t e c t u r ea n d T e c h n o l o g y ，1 9 9 5 ，4 2 7 3 6 5 - 3 6 9 ． [ 9 ]G B ／T 5 0 2 8 3 1 9 9 9 ．公路工程可靠度设计统一标准 I s ] ．北京中国计划出版社，1 9 9 9 ． [ 1 0 ] 孙晓燕，黄承逵，赵国藩，等．基于动态可靠度和经济 优化相结合的服役桥梁维修加固风险决策r J ] ．工程 力学，2 0 0 4 ，5 2 1 5 - 1 0 ． S u nXY ，H u a n gCK ，Z h a oGF ，e ta 1 ．R i s k r a n k i n g d e c i s i o no f r e p a i r a n ds t r e n g t h e n i n go f e x i s t i n gb r i d g e sb a s e do nt i m e d e p e n d e n tr e l i a b i l i t y a n de c o n o m i c a lo p t i m i z a t i o n [ J ] ． E n g i n e e r i n g M e c h a n i c s ，2 0 0 4 ，5 2 1 5 1 0 ． 责任编辑陈其泰 嚣瓣晕舔 万方数据