鋼筋混凝土T型簡(jiǎn)支梁耐久性指標(biāo)研究

雷艷麗，施小明

（黃河水利職業(yè)技術(shù)學(xué)院，河南 開封 475004）

0 引言

鋼筋混凝土T 型簡(jiǎn)支梁是鋼筋混凝土簡(jiǎn)支梁橋常用的主梁形式，主梁耐久性直接影響橋梁結(jié)構(gòu)的耐久性。 橋梁結(jié)構(gòu)耐久性問題已引起了國內(nèi)外業(yè)界越來越多的關(guān)注，相關(guān)的研究已經(jīng)取得較多成果，但大多數(shù)研究?jī)H僅關(guān)注材料本身的耐久性問題，有些研究成果還不易量化，實(shí)際應(yīng)用受到限制。 關(guān)于橋梁這種多種構(gòu)件結(jié)構(gòu)體系的耐久性研究還較欠缺，這對(duì)結(jié)構(gòu)耐久性的評(píng)定十分不利。針對(duì)我國存在的大量混凝土橋梁的現(xiàn)狀，開展橋梁結(jié)構(gòu)耐久性評(píng)定研究已勢(shì)在必行。 本文試針對(duì)鋼筋混凝土簡(jiǎn)支梁橋的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，基于現(xiàn)有的鋼筋混凝土耐久性研究成果，采用多指標(biāo)分級(jí)加權(quán)法為其受力主梁——T型梁建立耐久性指標(biāo)。

1 鋼筋混凝土簡(jiǎn)支梁橋耐久性劣化的機(jī)理分析及其相關(guān)的預(yù)測(cè)模型

通過對(duì)有關(guān)橋梁耐久性的分析和調(diào)查可知，影響鋼筋混凝土簡(jiǎn)支梁橋耐久性的最主要因素是混凝土的碳化以及鋼筋的銹蝕。

1.1 混凝土碳化

混凝土碳化會(huì)降低混凝土的堿度（完全碳化的混凝土pH 值約為8.5～9.0）,引起混凝土中的鋼筋脫鈍，給混凝土中鋼筋銹蝕帶來不利的影響。 而且，隨著年份的增長(zhǎng)，混凝土的碳化速度也會(huì)加快[1]。 因此，碳化與混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性密切相關(guān)，是衡量鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)物可靠度與耐久性的重要指標(biāo)。 朱安民[2]采用經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ徒o出了預(yù)測(cè)混凝土碳化深度的公式，如公式（1）所示。

式中：X 為碳化深度，mm；K 為混凝土碳化速度系數(shù)；t 為碳化時(shí)間，年；為混凝土的水灰比；r1為水泥品種影響系數(shù)，礦渣水泥取1.0，普通水泥取0.5～0.7；r2為粉煤灰影響系數(shù)，取代水泥量小于15%時(shí)取1.1；r3為氣象條件影響系數(shù)，中部一般地區(qū)取1.0，南方潮濕地區(qū)取0.5～0.8，北方干燥地區(qū)取1.1～1.2。

1.2 鋼筋銹蝕

鋼筋腐蝕的直接結(jié)果是鋼筋的截面面積減小。不均勻銹蝕導(dǎo)致鋼筋表面凸凹不平，產(chǎn)生應(yīng)力集中現(xiàn)象，使鋼筋的力學(xué)性能退化（如強(qiáng)度降低、脆性增大、延性變差），導(dǎo)致構(gòu)件的承載能力、結(jié)構(gòu)的耐久性降低。 一般用混凝土保護(hù)層銹脹開裂的時(shí)間來表征鋼筋銹蝕情況。

鋼筋銹蝕后，銹蝕產(chǎn)物的體積是原來體積的3～4 倍。從而使鋼筋周邊混凝土受到膨脹壓力，造成混凝土保護(hù)層沿鋼筋開裂。 混凝土保護(hù)層銹脹開裂時(shí)間可由公式（2）確定[3]：

式中： δcr為混凝土保護(hù)層銹脹開裂時(shí)鋼筋銹蝕深度，mm； λel為保護(hù)層銹脹開裂前的鋼筋銹蝕速度，mm/年；tcr為鋼筋開始銹蝕到銹脹開裂的時(shí)間，年。

混凝土保護(hù)層銹脹開裂時(shí)變形鋼筋銹蝕深度計(jì)算公式[3]為：

式中：c 為混凝土保護(hù)層厚度，mm；d 為鋼筋直徑，mm；fcu 為混凝土立方體抗壓強(qiáng)度，MPa；kcrs為鋼筋位置影響系數(shù)，角部鋼筋取1.0，非角部鋼筋取1.35。

混凝土保護(hù)層開裂前鋼筋銹蝕速度計(jì)算公式[3]為

式中： λel為銹脹開裂前的鋼筋銹蝕速度，mm/年；kcr為鋼筋位置修正系數(shù)，角部鋼筋取1.6，中部鋼筋取1.0；kce為小環(huán)境條件修正系數(shù)，建議潮濕地區(qū)室外環(huán)境kce取3.0～4.0，潮濕地區(qū)室外環(huán)境kce取1.0～1.5，干燥地區(qū)室外環(huán)境kce取2.5～3.5，干燥地區(qū)室內(nèi)環(huán)境kce取1.0；c 為混凝土保護(hù)層厚度，mm；fcu為混凝土立方體抗壓強(qiáng)度，MPa；T 為環(huán)境溫度，℃；RH 為環(huán)境濕度，%。

2 鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)壽命評(píng)估的準(zhǔn)則

結(jié)構(gòu)的壽命準(zhǔn)則是判斷結(jié)構(gòu)壽命的依據(jù)。 在進(jìn)行結(jié)構(gòu)耐久性壽命預(yù)測(cè)或評(píng)估之前，要用結(jié)構(gòu)的壽命準(zhǔn)則來判斷結(jié)構(gòu)的功能是否失效。 目前，在鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)耐久性評(píng)估中，主要有以下幾種壽命準(zhǔn)則。

2.1 碳化壽命準(zhǔn)則

碳化壽命準(zhǔn)則是以保護(hù)層混凝土碳化、失去對(duì)鋼筋的保護(hù)作用、使鋼筋開始產(chǎn)生銹蝕的時(shí)間作為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的壽命。 到目前為止，基本上是以混凝土碳化深度達(dá)到鋼筋表面作為鋼筋開始銹蝕的標(biāo)志。 這一準(zhǔn)則比較適合不允許鋼筋銹蝕的鋼筋混凝土構(gòu)件（如預(yù)應(yīng)力構(gòu)件等）。 但對(duì)于大多數(shù)混凝土結(jié)構(gòu)來說，以鋼筋開始銹蝕作為結(jié)構(gòu)使用壽命終止的標(biāo)志，顯然過于保守，也不太現(xiàn)實(shí)。

2.2 裂縫寬度與鋼筋銹蝕量限制壽命準(zhǔn)則

這一準(zhǔn)則認(rèn)為，銹脹裂縫寬度或鋼筋銹蝕量達(dá)到某一界限值時(shí)，壽命終止。 參照國內(nèi)中國建筑科學(xué)研究院、同濟(jì)大學(xué)，以及日本、德國和歐洲規(guī)范的部分研究成果，鋼筋混凝土使用壽命可偏保守地采用T=ta+tb（年）[4]來表示。 其中，ta為混凝土碳化深度達(dá)到鋼筋表面的銹蝕初始時(shí)間，年；tb為鋼筋開始銹蝕到引起混凝土開裂的時(shí)間，年。

2.3 銹脹開裂壽命準(zhǔn)則

銹脹開裂壽命準(zhǔn)則是以混凝土表面出現(xiàn)沿鋼筋的銹脹裂縫所需時(shí)間作為結(jié)構(gòu)的使用壽命。 這一準(zhǔn)則認(rèn)為，混凝土中的鋼筋銹蝕使混凝土產(chǎn)生縱向裂紋以后，鋼筋銹蝕速度明顯加快。 于是，將這一界限視為危及結(jié)構(gòu)安全，需要維修加固的前兆。 早在20 世紀(jì)80 年代初，Tuutti[5]就提出基于鋼筋銹蝕的結(jié)構(gòu)構(gòu)件使用壽命兩階段預(yù)測(cè)模型，對(duì)于一般大氣環(huán)境而言，結(jié)構(gòu)使用壽命T=tc+td。 其中，tc為混凝土保護(hù)層完全碳化、鋼筋脫鈍開始銹蝕的時(shí)間；td為因鋼筋銹蝕發(fā)展導(dǎo)致結(jié)構(gòu)構(gòu)件達(dá)到耐久性極限狀態(tài)的時(shí)間。

3 鋼筋混凝土T型簡(jiǎn)支梁耐久性指標(biāo)

鋼筋混凝土T 型簡(jiǎn)支梁作為一個(gè)建筑實(shí)體，影響其耐久性的因素很多。 以上3 種壽命評(píng)估準(zhǔn)則都有其不足。 為此，本文把這3 種壽命準(zhǔn)則結(jié)合起來，給出耐久性指標(biāo)，即用碳化深度等于保護(hù)層厚度的時(shí)間t1作為反映結(jié)構(gòu)耐久性的指標(biāo)；用混凝土保護(hù)層銹脹開裂的時(shí)間t2作為反應(yīng)結(jié)構(gòu)耐久性的指標(biāo)。各指標(biāo)對(duì)T 型簡(jiǎn)支梁耐久性的影響用權(quán)重來表示，權(quán)重用層次分析法來確定，各指標(biāo)在各自的壽命準(zhǔn)則下又是獨(dú)立的，故本文采用加權(quán)法給出T 型簡(jiǎn)支梁耐久性指標(biāo)。

3.1 T型梁耐久性指標(biāo)

T 型簡(jiǎn)支梁耐久性指標(biāo)表達(dá)式為

式中：β 為簡(jiǎn)支T 型梁的耐久性指標(biāo)，年；t1為碳化深度等于混凝土保護(hù)層厚度所用的時(shí)間，年，可由公式（1）得出；t2為混凝土保護(hù)層銹脹開裂的時(shí)間，年，可由公式（2）得出； 1、 2 為權(quán)重，用層次分析法計(jì)算。

3.2 層次分析模型及權(quán)重確定

層次分析法 （Analytic Hierarchy Process 簡(jiǎn)記AHP）[6～8]是一種層次權(quán)重決策分析方法。本文建立的層次結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

采用圖1 所示的層次結(jié)構(gòu)圖，通過對(duì)T 型梁耐久性指標(biāo)各影響因素的分析，并參考其他資料，給出主梁判斷矩陣：

通過一致性檢驗(yàn)，可用其歸一化特征向量w 作為權(quán)向量。

4 結(jié)語

圖1 遞階層次結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Hierarchy structure

綜上所述，通過對(duì)有關(guān)橋梁耐久性的分析和調(diào)查，認(rèn)為影響鋼筋混凝土簡(jiǎn)支T 型梁耐久性的最主要因素是混凝土碳化和鋼筋銹蝕。 根據(jù)現(xiàn)有研究成果，給出碳化深度和鋼筋銹蝕時(shí)間的計(jì)算方法，并綜合考慮鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)壽命評(píng)估的準(zhǔn)則，提出反映結(jié)構(gòu)耐久性的指標(biāo)t1、t2，用層次分析法計(jì)算各指標(biāo)對(duì)T 型梁耐久性影響的權(quán)重，從而采用多指標(biāo)分級(jí)加權(quán)法，給出T 型梁的耐久性指標(biāo)。 本研究從理論角度為橋梁耐久性設(shè)計(jì)和評(píng)估提供了依據(jù)。

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