面向保護(hù)層非均勻銹脹的橋梁結(jié)構(gòu)耐久性評(píng)價(jià)及加固研究

呂崇志

(湖南省交通科學(xué)研究院， 湖南 長沙 410015)

面向保護(hù)層非均勻銹脹的橋梁結(jié)構(gòu)耐久性評(píng)價(jià)及加固研究

呂崇志

(湖南省交通科學(xué)研究院， 湖南 長沙 410015)

鋼筋銹蝕對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)損傷較大，但以往的研究大多基于均勻銹脹。對(duì)保護(hù)層銹脹致裂機(jī)理及規(guī)律進(jìn)行了研究，以有限元ABAQUS軟件施加非均勻位移場(chǎng)而模擬鋼筋的非均勻銹脹，計(jì)算結(jié)果表明鋼筋銹蝕更趨向于保護(hù)層一側(cè)銹脹而形成橢圓形銹脹圈，并提出基于銹脹的橋梁結(jié)構(gòu)剩余壽命評(píng)定方法及加固措施。以廣東某連續(xù)梁橋?yàn)楣こ虒?shí)踐，驗(yàn)證了基于鋼筋銹脹的耐久性評(píng)定及加固方案的正確性。

非均勻銹脹； 銹脹力； 開裂規(guī)律； 剩余壽命； 加固

0 引言

鋼筋混凝土橋梁由于受碳化或氯離子影響，鋼筋會(huì)發(fā)生一定程度的銹蝕并產(chǎn)生銹脹力，進(jìn)而使混凝土保護(hù)層產(chǎn)生順筋裂縫，裂縫的產(chǎn)生又使得鋼筋劣化加速，從而使得結(jié)構(gòu)安全穩(wěn)定儲(chǔ)能加速下降[1]。因此對(duì)于混凝土結(jié)構(gòu)保護(hù)層因鋼筋銹蝕膨脹引起開裂的研究，已經(jīng)具有一定的研究成果[2-5]。但是大多從理論研究、試驗(yàn)研究或數(shù)值分析集中在以均勻銹蝕為假設(shè)的前提下(即假定鋼筋銹蝕層為與鋼筋同軸的圓形)，且無法解釋銹脹發(fā)生機(jī)理及發(fā)展規(guī)律[6]。而在實(shí)際環(huán)境下鋼筋發(fā)生非均勻銹蝕，且靠近保護(hù)層側(cè)銹蝕速度更快，基本呈橢圓形狀[7]，因此對(duì)鋼筋發(fā)生非均勻銹蝕情況下的銹脹力的分布及裂縫的發(fā)展規(guī)律進(jìn)行理論分析，并基于鋼筋的銹脹研究混凝土橋梁結(jié)構(gòu)的剩余壽命估計(jì)與加固技術(shù)研究。

1 鋼筋非均勻銹脹理論

以往研究鋼筋銹蝕大多假設(shè)其為均勻銹脹，而事實(shí)上鋼筋銹蝕的輪廓近似于橢圓狀，且靠近保護(hù)層側(cè)銹蝕量大，為簡便計(jì)算不考慮徑向位移及剪切應(yīng)變，取平面應(yīng)力應(yīng)變計(jì)算，建立鋼筋開裂銹蝕示意圖見圖1。

圖1 鋼筋不均勻銹脹計(jì)算示意圖Figure 1 Schematic calculation of reinforced non-uniform rust expansion

令R為原鋼筋半徑，ds為鋼筋最大銹蝕半徑值，d1為鋼筋銹蝕膨脹名義最大半徑值，鋼筋銹蝕率ξ由下式可知：

(1)

引入鋼筋銹蝕體積膨脹率n，則鋼筋銹蝕變形協(xié)調(diào)關(guān)系式為：

d1+ds=2Rξ(n-1)

(2)

基于彈性力學(xué)可求得ds與d1的關(guān)系式：

(3)

式中：c為保護(hù)層厚度；μc、Ec分別為鋼筋泊松比及彈性模量；μr、Er分別為鋼筋銹蝕產(chǎn)物的名義泊松比及名義彈性模量。

在極坐標(biāo)中任一θ角處軌跡半徑為：

Rθ=R+daθ+d1θ

(4)

因假定鋼筋銹蝕線軌跡半徑符合橢圓關(guān)系式，因而軌跡半徑也可由式(5)決定：

(5)

進(jìn)而可求得保護(hù)層鋼筋非均勻銹脹力Qnon-u：

(6)

而基于鋼筋均勻銹脹，即銹蝕圈為均勻圓環(huán)時(shí)所得到的銹脹力Qu為：

(7)

由上可知：均勻銹脹與非均勻銹脹的原理不同，均勻銹脹僅在鋼筋保護(hù)層足夠厚的情形下才滿足，而非均勻銹脹假定鋼筋銹蝕基本呈橢圓狀，由銹脹力計(jì)算式可知考慮鋼筋非均勻銹脹時(shí)鋼筋徑向銹脹力與橢圓中θ角有關(guān)并沿保護(hù)層向擴(kuò)展。這顯然更接近于工程實(shí)際情況。

2 多鋼筋非均勻銹脹數(shù)值分析

采用有限元分析軟件ABAQUS建立平面模型，通過在預(yù)留的鋼筋孔洞內(nèi)壁施加非均勻位移場(chǎng)，來模擬銹蝕層的不均勻膨脹。在考慮鋼筋銹蝕沿鋼筋截面徑向的不均勻性時(shí)，假定沿軸向?yàn)榫鶆蜾P蝕，模型分析可簡化為平面問題。在模型中預(yù)留孔洞來模擬鋼筋，建立多根鋼筋模型(含邊中鋼筋與邊角鋼筋)見圖2。

圖2 多鋼筋非均勻銹脹計(jì)算模型Figure 2 Calculation model of multi-reinforced non-uniform rust expansion

2.1 鋼筋間混凝土銹脹應(yīng)力分析

分析多根鋼筋發(fā)生銹蝕時(shí)鋼筋間混凝土主拉應(yīng)力分布情況，假設(shè)鋼筋同時(shí)發(fā)生銹蝕，其中計(jì)算模型參數(shù)為鋼筋ft為2.01 MPa、鋼筋直徑18 mm、保護(hù)層厚度20 mm、鋼筋間距40 mm。圖3為多根鋼筋發(fā)生銹蝕時(shí)混凝土主拉應(yīng)力分布等值線圖。

圖3 混凝土主拉應(yīng)力等值線圖Figure 3 Concrete principal tensile stress contours

邊中區(qū)鋼筋發(fā)生銹蝕時(shí)，鋼筋與混凝土交界面上的主拉應(yīng)力將首先達(dá)到開裂極限，裂紋首先在此處產(chǎn)生；兩側(cè)裂紋產(chǎn)生區(qū)域靠近保護(hù)層一側(cè)，此處的裂紋將逐漸向兩側(cè)擴(kuò)展，并最終與相鄰鋼筋銹蝕產(chǎn)生的裂縫貫穿；保護(hù)層外緣主拉應(yīng)力較大，保護(hù)層裂縫將首先在保護(hù)層外邊緣發(fā)生，并逐漸向內(nèi)擴(kuò)展，直至貫穿。在邊角區(qū)鋼筋與混凝土交界面處，主拉應(yīng)力較大的點(diǎn)將首先出現(xiàn)微裂縫；隨后，左側(cè)和下側(cè)混凝土邊緣也將達(dá)到開裂極限，出現(xiàn)裂縫，與邊中區(qū)鋼筋不同的是，裂紋的擴(kuò)展將由交界面與混凝土邊緣共同擴(kuò)展，直至貫穿。在鋼筋銹蝕情況相同時(shí)，裂縫首先在邊中區(qū)鋼筋與混凝土交界面上出現(xiàn)。就貫穿混凝土保護(hù)層的裂縫而言，邊中區(qū)鋼筋與混凝土交界面上的主拉應(yīng)力小于混凝土邊緣，混凝土邊緣先出現(xiàn)裂紋；而邊角區(qū)鋼筋銹蝕后，裂紋將首先在鋼筋與混凝土交界面上出現(xiàn)，同一構(gòu)件中，邊角區(qū)混凝土開裂早于邊中區(qū)混凝土。

2.2 鋼筋間裂縫擴(kuò)展規(guī)律

選取混凝土抗拉強(qiáng)度ft為2.01 MPa，鋼筋直徑為18 mm，保護(hù)層厚度為20 mm的模型，施加非均勻位移場(chǎng)直至裂紋貫穿保護(hù)層，裂縫出現(xiàn)及擴(kuò)展見圖4。

(a) 裂紋形成前

(b) 裂縫出現(xiàn)

(c) 邊角區(qū)裂縫貫穿保護(hù)層

(d) 鋼筋間裂縫貫穿

邊中區(qū)保護(hù)層銹脹開裂時(shí)，裂縫首先在鋼筋與混凝土交界面出出現(xiàn)，隨后保護(hù)層邊緣處開裂，裂縫開始擴(kuò)展；在鋼筋周圍靠近混凝土邊緣一小塊區(qū)域內(nèi)，由于非均勻位移場(chǎng)的作用，將出現(xiàn)局部壓應(yīng)力區(qū)，裂縫在此處向兩側(cè)擴(kuò)展。邊角區(qū)鋼筋發(fā)生銹蝕時(shí)，裂縫首先在鋼筋與混凝土交界面上出現(xiàn)，隨后保護(hù)層邊緣出現(xiàn)裂縫并形成貫穿保護(hù)層的主裂縫。由于非均勻位移場(chǎng)的存在，鋼筋周圍出現(xiàn)了局部微裂縫，這些裂縫將導(dǎo)致鋼筋間的裂縫貫穿。在鋼筋間裂縫貫穿前，邊角區(qū)保護(hù)層已經(jīng)發(fā)生了開裂現(xiàn)象。鋼筋間裂縫呈現(xiàn)扁“V”字形貫穿鋼筋間保護(hù)層，此時(shí)邊中區(qū)的保護(hù)層裂縫開始擴(kuò)展，時(shí)間上晚于鋼筋間裂縫貫穿。

2.3 鋼筋間保護(hù)層銹脹開裂影響因素分析

通過施加徑向位移場(chǎng)的方法，觀察邊角區(qū)—邊中區(qū)，邊中區(qū)—邊中區(qū)鋼筋間裂縫發(fā)生和擴(kuò)展的全過程，并對(duì)鋼筋間距，鋼筋直徑和混凝土強(qiáng)度對(duì)臨界截面損失率的影響進(jìn)行了分析，分析結(jié)果見圖5～圖7。

圖5 截面損失率與鋼筋間距的關(guān)系Figure 5 Relations section loss rate and reinforcement spacing

圖6 截面損失率與鋼筋直徑的關(guān)系Figure 6 Relations section loss rate and reinforcement diameter

圖7 截面損失率與ft的關(guān)系Figure 7 Relations section loss rate and concrete ft

由圖5～圖7可知：鋼筋間的銹脹開裂臨界截面損失率與鋼筋間距和混凝土抗拉強(qiáng)度成正比，與鋼筋直徑成反比，但混凝土抗拉強(qiáng)度的影響程度不大。因此，在保障構(gòu)件安全穩(wěn)定的前提下，增大鋼筋間距和選用較小直徑的鋼筋有利于延緩鋼筋間的銹脹開裂。

3 基于銹脹開裂的橋梁剩余壽命評(píng)估及加 固

混凝土橋梁因鋼筋銹脹而使保護(hù)層開裂，且裂縫的產(chǎn)生將進(jìn)一步加速鋼筋的銹蝕。因此將鋼筋混凝土保護(hù)層產(chǎn)生順筋裂縫作為評(píng)定橋梁安全及進(jìn)行維修加固的指標(biāo)[8]?；炷两Y(jié)構(gòu)剩余壽命預(yù)測(cè)主要基于碳化及氯離子速度而進(jìn)行分析，因碳化分析方法原理簡單、操作方便，因此本文主要以碳化法進(jìn)行鋼筋銹脹下橋梁混凝土結(jié)構(gòu)剩余壽命的評(píng)估。

3.1 考慮鋼筋銹蝕的混凝土結(jié)構(gòu)剩余壽命

混凝土保護(hù)層銹脹開裂剩余耐久年限按下列公式計(jì)算：

Tcra=Ti+Tcr-Tu

(8)

式中：Ti為鋼筋開始銹蝕時(shí)間，a；Tcr為鋼筋開始銹蝕到保護(hù)層開裂時(shí)間，a；Tu為混凝土構(gòu)件已使用年限，a。Tcr與Tu的數(shù)值由下式?jīng)Q定：

(9)

因鋼筋保護(hù)層在碳化過程中存在碳化反應(yīng)區(qū)，在碳化深度到達(dá)鋼筋表層前，鋼筋即已發(fā)生銹蝕并形成銹脹區(qū)。在碳化區(qū)的一定范圍內(nèi)，碳化殘量由鋼筋銹蝕物及鋼筋的脫鈍速度控制，并且在該過程中，碳化依然進(jìn)行，因而采用碳化系數(shù)k、局部環(huán)境系數(shù)kcc以及保護(hù)層厚度c為參數(shù)能更接近于碳化殘量實(shí)際情況[9]。碳化系數(shù)k及碳化殘量x0按下式計(jì)算：

(10)

式中：Kcc為微環(huán)境影響系數(shù)。

3.2 銹脹混凝土加固措施

隨著保護(hù)層厚度的增加，試件所能承受的最大銹脹力增大。因而可通過增加保護(hù)層厚度而增大橋梁結(jié)構(gòu)的耐久性，另外增大鋼筋間距、選用較小直徑的鋼筋及設(shè)置箍筋有利于延緩鋼筋間的銹脹開裂。而在實(shí)際工程中采用增加保護(hù)層厚度、增大鋼筋間距及選用小直徑鋼筋對(duì)已銹脹混泥土進(jìn)行加固并不實(shí)際[10，11]。

裂縫是混凝土結(jié)構(gòu)損傷最直觀的體現(xiàn)，由于裂縫的存在，鋼筋受到腐蝕的威脅便進(jìn)一步增大，保護(hù)層混凝土的裂縫受鋼筋銹脹力及應(yīng)力集中的影響也隨之增長與增寬，從而對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)的耐久性與安全性產(chǎn)生不容小覷的影響。因此為增加結(jié)構(gòu)的整體性及安全性能，必須對(duì)裂縫進(jìn)行有針對(duì)性的修補(bǔ)處治。壓力注漿法處治裂縫是橋梁結(jié)構(gòu)加固常用方法之一，通過注漿材料對(duì)混凝土裂縫進(jìn)行封堵防治環(huán)境中有害物質(zhì)接觸鋼筋，且注漿材料可粘結(jié)開裂混凝土使整體性得到恢復(fù)，從而延緩或阻止鋼筋的銹脹與保護(hù)層的劣化以延長橋梁結(jié)構(gòu)的使用壽命及提高其安全儲(chǔ)能[12]。

碳纖維復(fù)合材料加固法是一種新型的補(bǔ)強(qiáng)加固技術(shù)，通過樹脂類膠結(jié)材料可有效提高銹蝕鋼筋與混凝土間的粘結(jié)性能并形成整體，具有加固效果強(qiáng)、適用面廣、施作便捷等優(yōu)點(diǎn)，因而在橋梁維修與加固中大放異彩[13]。

4 工程實(shí)例分析

廣東某連續(xù)梁橋?yàn)?垮總長共224 m，建成通車至檢測(cè)時(shí)已歷時(shí)29 a，由于服役時(shí)間較長目前已經(jīng)出現(xiàn)不等程度的病害，對(duì)行車安全具有較大的隱患。因此需對(duì)其進(jìn)行耐久性檢測(cè)，以評(píng)定其剩余壽命及進(jìn)行相關(guān)加固處治措施。該橋混凝土設(shè)計(jì)強(qiáng)度等級(jí)為C25，保護(hù)層厚度設(shè)計(jì)值為25 mm，所處河流上方常年相對(duì)濕度74%，對(duì)中跨梁某處進(jìn)行測(cè)量知其實(shí)測(cè)最大碳化深度為31 mm，保護(hù)層實(shí)測(cè)厚度為24 mm，混凝土實(shí)測(cè)抗壓強(qiáng)度值32.1 MPa，保護(hù)層裂縫大多狹短，寬度平均值為0.12 mm。因此可計(jì)算得該橋的剩余服役壽命為22 a。考慮到該橋位處交通要道，為保證該區(qū)域的交通運(yùn)輸，經(jīng)技術(shù)經(jīng)濟(jì)對(duì)比采用注漿補(bǔ)縫的方法對(duì)該橋進(jìn)行加固處治，以延緩鋼筋的銹脹與增大構(gòu)件的整體性，從而提高其整體安全儲(chǔ)能。

5 結(jié)論

鋼筋銹蝕膨脹而引起保護(hù)層開裂是橋梁混凝土結(jié)構(gòu)最常見的病害之一，目前基于鋼筋銹蝕主要集中于均勻銹脹分析且對(duì)銹脹機(jī)理并不明朗，因此本文基于鋼筋非均勻銹脹機(jī)理研究保護(hù)層開裂規(guī)律、混凝土結(jié)構(gòu)剩余壽命及加固措施的研究，主要研究結(jié)論如下：

① 鋼筋在混凝土中呈橢圓形非均勻銹脹，且沿保護(hù)層方向銹蝕量更大，由于鋼筋的銹脹引起順筋向裂縫產(chǎn)生，而銹脹產(chǎn)物吸水性更強(qiáng)能進(jìn)一步增大鋼筋的銹脹。通過均勻與非均勻銹脹下鋼筋銹脹力的計(jì)算式對(duì)比可知，非均勻銹脹力考慮了實(shí)際銹蝕橢圓圈的情況而更有實(shí)際意義。

② 以有限元ABAQUS計(jì)算軟件通過施加非均勻位移場(chǎng)而模擬鋼筋的非均勻銹脹，通過數(shù)值計(jì)算可知邊中區(qū)鋼筋發(fā)生銹蝕時(shí)，鋼筋與混凝土交界面上的主拉應(yīng)力將先達(dá)到開裂極限，兩側(cè)裂紋產(chǎn)生區(qū)域靠近保護(hù)層一側(cè)并逐漸向兩側(cè)擴(kuò)展最終與相鄰鋼筋銹蝕產(chǎn)生的裂縫貫穿；保護(hù)層外緣主拉應(yīng)力較大，保護(hù)層裂縫將首先在保護(hù)層外邊緣發(fā)生，并逐漸向內(nèi)擴(kuò)展直至貫穿。在邊角區(qū)鋼筋與混凝土交界面處，主拉應(yīng)力較大的點(diǎn)首先出現(xiàn)微裂縫，隨后左側(cè)和下側(cè)混凝土邊緣出現(xiàn)裂縫，裂紋的擴(kuò)展將由交界面與混凝土邊緣共同擴(kuò)展，直至貫穿。

③ 面向鋼筋非均勻銹蝕采用測(cè)試碳化法進(jìn)行混凝土結(jié)構(gòu)的剩余壽命估計(jì)簡便并切近實(shí)際情況，加固方法常用方法為壓力注漿填縫及碳纖維復(fù)合材料黏結(jié)等方法。經(jīng)廣東某連續(xù)梁橋檢測(cè)分析，驗(yàn)證了基于鋼筋非均勻銹脹用于橋梁結(jié)構(gòu)耐久性評(píng)定、剩余壽命估計(jì)及選定加固技術(shù)的可行性。

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Durability Evaluation and Reinforcement of Bridge Structure Oriented Protective Layer Non-uniform Rust Expansion

LU Chongzhi

(Hunan Communications Research Institute， Changsha， Hunan 410015， China)

Steel corrosion in concrete structural damage is large，but most previous studies based on uniform corrosion expansion.The protective layer of rust on the expansion fracturing mechanism and disciplinarian were studied in order to apply the finite element software ABAQUS non-uniform displacement field and simulated stainless steel non-uniform expansion，the results tend to indicate that steel corrosion protection layer formed on one side oval rust expansion shaped expansion ring rust and rust proposed expansion of the bridge structure and remaining life assessment method based on reinforcement measures.A continuous girder bridge in Guangdong as for the engineering practice，to verify the correctness of the durability of steel corrosion-based assessment and strengthening program.

non-uniform rust expansion； corrosion expansion force； crack rule； residual life； reinforcement

2015 — 11 — 16

呂崇志(1980 — )，男，湖南邵東人，工程師，從事工程監(jiān)理工作。

U 445.7+2

A

1674 — 0610(2016)06 — 0155 — 04