混凝土橋梁耐久性壽命預(yù)測模型

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河南省交通科學(xué)技術(shù)研究院有限公司（450006）

混凝土橋梁耐久性壽命預(yù)測模型

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橋梁是國家重要的基礎(chǔ)設(shè)施投資項(xiàng)目，是生命線工程的重要組成部分，在國民經(jīng)濟(jì)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(yùn)營風(fēng)險逐漸增大。特別是正在運(yùn)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(jié)構(gòu)應(yīng)力幅值較大，長期重載交通下易出現(xiàn)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(yù)測

自改革開放以來，我國公路橋梁建設(shè)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(dá)125 373公里，公路橋梁總數(shù)近80萬座，其中90%以上是鋼筋混凝土或預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)。無論是小型簡支梁橋、拱橋，還是特大型的斜拉橋、懸索橋，設(shè)計時都優(yōu)先采用混凝土結(jié)構(gòu)。然而，在運(yùn)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(yù)測

對于鋼筋混凝土橋梁而言，其耐久性破壞最終表現(xiàn)形式為鋼筋銹蝕和混凝土剝落?！痘炷两Y(jié)構(gòu)評定標(biāo)準(zhǔn)》根據(jù)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(hù)層銹脹開裂；③混凝土表面出現(xiàn)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(yù)測的重要研究內(nèi)容。

目前，國內(nèi)外對混凝土碳化機(jī)理以及影響因素已經(jīng)有了比較成熟的認(rèn)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(xué)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(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ秃突跀U(kuò)散理論與試驗(yàn)的實(shí)用模型。碳化壽命多數(shù)采用的是實(shí)用模型，并能為混凝土橋梁的設(shè)計、施工及維護(hù)提供可靠的依據(jù)。而鋼筋銹蝕造成的混凝土銹脹開裂壽命預(yù)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(yù)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(yù)測模型，如Tuutti模型、Morinaga模型等。

2 混凝土結(jié)構(gòu)耐久性壽命的判斷準(zhǔn)則

2.1 碳化壽命準(zhǔn)則

碳化壽命判斷準(zhǔn)則是以保護(hù)層混凝土碳化，從而失去對鋼筋的保護(hù)作用,使鋼筋開始產(chǎn)生銹蝕的時間作為混凝土結(jié)構(gòu)的壽命。即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。用該準(zhǔn)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(shù)；c為混凝土保護(hù)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(zhǔn)則

銹脹開裂壽命理論是以混凝土表面出現(xiàn)沿筋的銹脹裂縫所需時間作為結(jié)構(gòu)的使用壽命。該準(zhǔn)則認(rèn)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(jié)構(gòu)安全，需要加固維修的依據(jù)。此時，混凝土保護(hù)層出現(xiàn)銹脹裂縫的極限狀態(tài)方程為：

式中：Z（t）為功能函數(shù)；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(yù)測模型

3.1 碳化模型1

在全面分析混凝土碳化的機(jī)理和影響因素后，基于碳化理論分析與試驗(yàn)結(jié)果給出了混凝土碳化的數(shù)學(xué)模型，簡稱模型1：

式中：kRH為環(huán)境濕度影響系數(shù)；kCO2為環(huán)境二氧化碳濃度影響系數(shù)；kT為環(huán)境溫度影響系數(shù)；γHD為水泥水化程度修正系數(shù)，取90 d養(yǎng)護(hù)為1.0，28 d養(yǎng)護(hù)為0.85；γc為水泥品種修正系數(shù)，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(yīng)力狀態(tài)影響系數(shù)；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(qiáng)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(yù)測模型，簡稱模型2：

式中：knw為室內(nèi)室外混凝土影響系數(shù)，室內(nèi)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(jī)性，建立預(yù)測混凝土碳化深度的實(shí)用隨機(jī)模型，簡稱模型3：

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

4 結(jié)論

這里結(jié)合混凝土耐久性準(zhǔn)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(jù)混凝土碳化壽命預(yù)測理論,分別建立了3個混凝土碳化壽命預(yù)測模型。

[1]許麗萍，黃士元.預(yù)測混凝土中碳化深度的數(shù)學(xué)模型[J].上海建材學(xué)院學(xué)報，1991，4（4）：347-356.

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

[3]張譽(yù)，蔣利學(xué).基于碳化機(jī)理的混凝土碳化深度實(shí)用數(shù)學(xué)模型[J].工業(yè)建筑，1998,28（1）：16-19.

[4]牛荻濤.混凝土結(jié)構(gòu)耐久性與壽命預(yù)測[M].北京：科學(xué)出版社,2003.