考慮風(fēng)壓影響混凝土箱梁的碳化規(guī)律及耐久性設(shè)計

藺鵬臻，王雲(yún)一 ，顏維毅，張若男，保 琛

(1.蘭州交通大學(xué) 甘肅省道路橋梁與地下工程重點實驗室，甘肅 蘭州 730070；2.蘭州交通大學(xué) 土木工程學(xué)院，甘肅 蘭州 730070)

建筑物在長期使用過程中，在內(nèi)部和外部因素作用下，材料隨時間的推移發(fā)生不可逆的劣化，結(jié)構(gòu)也會逐漸出現(xiàn)損傷，這將導(dǎo)致結(jié)構(gòu)承載力下降和耐久性能降低，進而影響結(jié)構(gòu)的使用功能，甚至安全性[1].

混凝土結(jié)構(gòu)在大氣環(huán)境下導(dǎo)致其耐久性失效大多是由鋼筋銹蝕引起的[2-3],鋼筋銹蝕會導(dǎo)致混凝土結(jié)構(gòu)的保護層剝落.從耐久性失效的混凝土結(jié)構(gòu)實際檢測情況來看，碳化是造成鋼筋銹蝕的主要原因[4].混凝土碳化又稱中性化，是指空氣中的二氧化碳等酸性氣體通過孔隙滲透到混凝土內(nèi)，與其堿性物質(zhì)發(fā)生反應(yīng)，生成碳酸鈣或其他物質(zhì)的現(xiàn)象.混凝土碳化會降低混凝土的pH值，完全碳化混凝土的pH值約為8.5～9.0，使混凝土中的鋼筋脫鈍、失去保護而銹蝕.混凝土碳化的影響因素包括[5]：(1)混凝土本身的密實度；(2)空氣中二氧化碳含量；(3)環(huán)境濕溫度；(4)結(jié)構(gòu)的受力狀態(tài)；(5)外界風(fēng)壓，其中風(fēng)速大小和作用時間長短是風(fēng)壓影響混凝土碳化的主要控制因素.風(fēng)速越大、作用時間越久，碳化速率越快，風(fēng)形成的漩渦及交替風(fēng)壓也會加速混凝土的碳化.大氣環(huán)境下風(fēng)壓對混凝土耐久性的影響主要體現(xiàn)在風(fēng)使混凝土中的二氧化碳氣體擴散加快，以及空氣中的水、氧氣和其他有害氣體雜質(zhì)(如氯離子)在混凝土中的加速滲透，這些因素都會加快混凝土的劣化.

蘇聯(lián)學(xué)者古謝諾夫調(diào)研巴庫地區(qū)高壓輸電塔混凝土支座的耐久性，發(fā)現(xiàn)在強風(fēng)長期作用下，混凝土支座在迎風(fēng)面的碳化深度是其他面碳化深度的1.5～2.0倍[6].屈文俊等[7-8]對中國川黔鐵路線上服役34 a的橋梁進行調(diào)研，發(fā)現(xiàn)在混凝土碳化深度方面，受風(fēng)影響較大面是其他面的1.15倍，迎風(fēng)面角區(qū)混凝土由碳化引起鋼筋銹蝕導(dǎo)致的破壞提前發(fā)生.實際工程中，風(fēng)加速混凝土碳化導(dǎo)致結(jié)構(gòu)截面耐久性不等，這一現(xiàn)象是客觀存在的.因此，針對風(fēng)影響混凝土的碳化規(guī)律研究具有重要工程意義.

陳道普等[9-12]通過在同濟大學(xué)耐候?qū)嶒炇疫M行風(fēng)壓加速混凝土碳化的試驗，分析了風(fēng)加速矩形截面梁，T型截面梁和Π型截面梁等碳化規(guī)律，證明了風(fēng)可以導(dǎo)致混凝土構(gòu)件截面耐久性不等，進一步驗證了這種影響的客觀性.在風(fēng)壓作用下，二氧化碳在混凝土中的流動為滲透作用，符合達西定律和傳質(zhì)守恒定律.白文靜等[13]根據(jù)達西定律和介質(zhì)中質(zhì)量傳播定律建立了風(fēng)壓加速混凝土碳化的數(shù)學(xué)模型，驗證了該模型的正確性，并對風(fēng)壓影響混凝土的碳化規(guī)律進行了初步分析.

涉及風(fēng)影響混凝土碳化的國內(nèi)外研究中，大多是針對矩形截面梁這類簡單結(jié)構(gòu)，而對風(fēng)加速箱梁等復(fù)雜結(jié)構(gòu)的研究較少；本文在已有理論研究和試驗工作的基礎(chǔ)上，基于有限元分析軟件FLUENT，以混凝土箱梁為研究對象，分析箱梁周圍的風(fēng)壓、風(fēng)速以及流場分布，結(jié)合風(fēng)加速混凝土碳化試驗結(jié)果，給出風(fēng)作用下混凝土箱梁截面等耐久性設(shè)計的初步建議，進而為后續(xù)的風(fēng)加速箱梁等復(fù)雜結(jié)構(gòu)碳化研究提供理論支持與參考依據(jù).

1 風(fēng)壓加速混凝土碳化

1.1 風(fēng)壓加速混凝土碳化計算模型

利用文獻[13]中建立的迎風(fēng)面風(fēng)加速混凝土碳化的計算模型公式,即

(1)

式中：k為滲透系數(shù)，k=5.592×10-17m2·s-1；μ為氣體的粘性系數(shù)，μ=1.95×10-5Pa·s；m0為大氣中CO2的質(zhì)量密度；ρ(CO2)為混凝土中CO2的質(zhì)量濃度.

由式(1)可見，先求出混凝土內(nèi)CO2的質(zhì)量濃度分布，再求出CO2滲透引起的碳化深度.碳化深度x、時間t和外界風(fēng)壓都會影響混凝土內(nèi)部壓力p的取值，因此，建立合理的p-x-t模型極為重要.

p-x-t關(guān)系采用p=cxαtβ+d模型[13]，對p-x-t關(guān)系式兩次求導(dǎo)，得

?2p/?x2=cα(α-1)xα-2tβ

(2)

將式(2)代入式(1)，并對時間t積分，得

(3)

迎風(fēng)面壓強p=p0，大氣中CO2質(zhì)量濃度為6.0×10-4kg·m-3，邊界條件①：p(x=0,t=任意值) = -p0，求得d=-p0.設(shè)風(fēng)壓在x≤50 mm范圍內(nèi)下降為0，時間為25 a，則得邊界條件②：p(x=50 mm,t=25)=0，即

c50α25β=p0

(4)

CO2濃度在混凝土中分布狀態(tài)是非線性的，為方便計算，CO2濃度按線性分布考慮.不考慮部分碳化區(qū)，僅考慮CO2濃度變化，假設(shè)完全碳化處ρ(CO2)=0.3ρ0.參考文獻[13]構(gòu)造的算例，取β=-1.5，且8.5 a由風(fēng)引起的滲透作用碳化深度為2.85 mm，得到邊界條件④：ρ(x=2.85 mm,t=8.5a)=0.3ρ0.設(shè)系數(shù)b為常數(shù)，則可以得到邊界條件③：ρ(x=0,t為任意值)=6.0×10-4kg·m-3，計算出b=6.0×10-4kg·m-3.代入式(3)，得

(5)

由式(4)和式(5)可求出c和α，從而得到風(fēng)壓影響混凝土碳化的p-x-t表達式.

1.2 風(fēng)壓加速混凝土碳化試驗

文獻[9]中陳道普團隊對三種不同截面梁試件進行了風(fēng)壓加速混凝土碳化試驗研究：在相同溫濕度和二氧化碳濃度條件下，對相同配合比試件進行試驗.如圖1所示，括號內(nèi)的數(shù)值為風(fēng)壓力系數(shù).

圖1 試件截面尺寸(單位:mm)Fig.1 Section size of specimens/mm

在該試驗中，測定達到既定反應(yīng)時間的混凝土試件碳化深度，整理實驗數(shù)據(jù)，分別得到試件各面混凝土碳化深度，以不受風(fēng)作用面碳化深度為基準，計算出風(fēng)作用下梁體各面平均碳化深度的比值.表1為梁試件各面碳化深度比值.

文獻[9]中通過風(fēng)對混凝土碳化加速試驗以及工程中實際檢測結(jié)果，初步得到風(fēng)加速混凝土碳化的基本規(guī)律：

(1)大氣環(huán)境下，導(dǎo)致混凝土碳化加速的主要原因之一就是風(fēng)壓作用.不斷變化的風(fēng)壓會比較平穩(wěn)的風(fēng)壓更能加快混凝土結(jié)構(gòu)的碳化破壞，因為，不斷變化的風(fēng)壓可以在孔隙內(nèi)部產(chǎn)生壓力，另外，不斷變化的風(fēng)壓比較容易形成漩渦，使混凝土內(nèi)外部的氣體加速交換.風(fēng)受結(jié)構(gòu)表面擾動也會產(chǎn)生一定的渦旋氣流，混凝土孔隙內(nèi)的氣體與大氣環(huán)境交換加快，加速混凝土碳化.

(2)由風(fēng)壓引起的混凝土結(jié)構(gòu)碳化，在滲透作用下，在后期高強混凝土的碳化深度比低強混凝土更加明顯，風(fēng)對混凝土碳化的最主要影響原因是由風(fēng)壓轉(zhuǎn)變?yōu)轱L(fēng)的漩渦導(dǎo)致混凝土碳化加速.

(3)對于在結(jié)構(gòu)內(nèi)部有壕溝的混凝土結(jié)構(gòu)，受風(fēng)壓作用后，必定有風(fēng)壓存在于壕溝內(nèi).外部風(fēng)作用消失后，內(nèi)部的風(fēng)流場并不能馬上消失，因此，不管結(jié)構(gòu)的尺寸大小如何， 壕溝內(nèi)部面的混凝土碳化深度在交替風(fēng)壓下會比結(jié)構(gòu)外部其他面的碳化深度更大.

表1 試件各面碳化深度比值Tab.1 Carbonization depth ratio of each surface of specimens

2 有限元分析混凝土箱梁周圍流場分布

2.1 箱梁模型、邊界條件及數(shù)值方法

箱梁跨度為6 000 mm，橫截面如圖2所示.實際工程中為減少箱內(nèi)外溫差，常常在箱梁兩側(cè)腹板設(shè)置通風(fēng)孔，該模型設(shè)置直徑10 mm的通風(fēng)孔，順橋向間距為1 500 mm，孔中心距箱梁底面160 mm.

圖2 箱梁的截面尺寸(單位:mm)Fig.2 Section size of box girder/mm

風(fēng)對箱梁的繞流是一個完全開口的流場，但是在有限元軟件分析計算時，必須給定一個在箱梁周圍有限大小的計算區(qū)域，為使風(fēng)流場充分發(fā)展，計算域大小為：8 400 mm×5 900 mm×2 700 mm.流體為空氣，風(fēng)力等級為4～5級風(fēng)，風(fēng)速為8 m/s.整個模型包含222 759個網(wǎng)格，網(wǎng)格劃分結(jié)果如圖3所示.模型計算域各邊界條件：

(1)入口邊界：采用速度入口邊界條件；

(2)出口邊界：采用完全發(fā)展流動邊界條件；

(3)箱梁表面固定不動，采用無滑移壁面條件.

圖3 箱梁模型與網(wǎng)格劃分Fig.3 Boxgirder model and grid partition

橋梁結(jié)構(gòu)是非流線體，也稱為鈍體，對風(fēng)表現(xiàn)為鈍體形狀，空氣繞過橋梁結(jié)構(gòu)時，其邊界上形成流動分離，流場存在分離流和剪切層的非定常振動，鈍體周圍的流場是由撞擊、分離、再附、環(huán)繞和漩渦等確定的[14]，十分復(fù)雜多變.另外橋梁結(jié)構(gòu)位于大氣邊界層中，氣體流動雜亂無序，流動表現(xiàn)為湍流運動.湍流最主要特征是流體微團在時間和空間上都是非線性隨機運動的，在工程應(yīng)用中，Realizable k-ε模型能在整體上很好地反映出箱梁結(jié)構(gòu)表面風(fēng)壓的變化規(guī)律，模擬結(jié)果精確度較高，與試驗值相差較小且計算效率高，所以采用該模型.考慮到風(fēng)對箱梁的作用屬于定常狀態(tài)，由于SIMPLE可以加快收斂速度，因而壓力-速度耦合方程的解法采用SIMPLE算法.

2.2 計算結(jié)果

(1)箱梁截面周圍風(fēng)速分布

選取跨中截面的分析結(jié)果，可得到箱梁截面周圍風(fēng)速分布如圖4所示.

圖4 箱梁周圍風(fēng)速分布圖Fig.4 Windvelocity distribution graph around box girder

參考風(fēng)對結(jié)構(gòu)物作用的有關(guān)文獻[14-16]，由風(fēng)速分布圖和跡線分布圖可以看出，箱梁阻風(fēng)面較大，風(fēng)流場到達箱梁迎風(fēng)面時，風(fēng)向迅速轉(zhuǎn)變，氣流繞流到箱梁上下表面，并且偏離箱梁上下表面，此時流動速度加快，然后在背風(fēng)面形成回流，在側(cè)風(fēng)面和背風(fēng)面形成不規(guī)則漩渦，風(fēng)通過腹板兩側(cè)通風(fēng)孔及箱梁兩端進入箱梁內(nèi)部，也會產(chǎn)生漩渦.

(2)箱梁截面周圍風(fēng)壓分布

選取跨中截面的分析結(jié)果，可得到箱梁截面周圍風(fēng)壓分布如圖5所示.

圖5 箱梁周圍風(fēng)壓分布圖Fig.5 Wind pressure distribution graph around box girder

由風(fēng)壓分布圖可以看出，迎風(fēng)面腹板和翼緣下側(cè)風(fēng)壓最大，對于風(fēng)流場來勢，翼緣迎風(fēng)面較突出，動壓力較大.氣流在迎風(fēng)面和側(cè)風(fēng)面角區(qū)分離，在側(cè)風(fēng)面角區(qū)產(chǎn)生最大負壓力，順著風(fēng)向側(cè)風(fēng)面受到的負壓力逐漸減小，并轉(zhuǎn)變?yōu)檎龎毫?由于側(cè)風(fēng)面較大，前半部分受到的平均作用力為吸力，后半部分受到的平均作用力為壓力，側(cè)風(fēng)面的氣體在表面附著較多，在負壓力作用及表面不規(guī)則漩渦的影響下，氣流交換速度較快.

2.3 迎風(fēng)面滲透碳化深度

(1)迎風(fēng)A面平均壓強p=p0=65 Pa，結(jié)合式(4)和式(5)可求出c=2.3×10-5，α=5.02.風(fēng)壓表達式為

p=2.3×10-5x5.02t-1.5-65

(6)

A面在風(fēng)壓作用下(滲透引起的)混凝土中CO2質(zhì)量濃度為

ρ=-4.86×10-5x3.02t-0.5+6.0×10-4

(7)

A面在滲透作用下的碳化深度為

(8)

(2)迎風(fēng)G面平均壓強p=p0=40 Pa，結(jié)合式(4)和式(5)可求出c=3.2×10-5，α=4.83.風(fēng)壓表達式為

p=3.2×10-5x4.83t-1.5-40

(9)

G面在風(fēng)壓作用下(滲透引起的)混凝土中CO2質(zhì)量濃度為

ρ=-6.43×10-5x2.83t-0.5+6.0×10-4

(10)

G面在滲透作用下的碳化深度為

(11)

p-x-t關(guān)系如圖6所示，滲透碳化深度x與時間t的關(guān)系如圖7所示.

圖6 p-x-t關(guān)系Fig.6 p-x-t Relationship

圖7 碳化深度-時間關(guān)系Fig.7 x-t Relationship

3 等耐久性設(shè)計

混凝土構(gòu)件由鋼筋銹蝕引起的脹裂大多發(fā)生在直接受風(fēng)壓作用面的角區(qū)(角區(qū)混凝土受雙向侵蝕作用)，通過對既有混凝土結(jié)構(gòu)耐久性檢測表明，混凝土構(gòu)件角區(qū)部位最先發(fā)生耐久性破壞[17-19]，說明按傳統(tǒng)方法對混凝土結(jié)構(gòu)進行耐久性設(shè)計時，并沒有考慮到這一因素，這會導(dǎo)致混凝土梁截面耐久性不等.因此，本文建議在設(shè)計箱梁混凝土保護層厚度過程中，將風(fēng)壓對混凝土碳化的不利影響考慮在內(nèi)，對箱梁各面的混凝土保護層厚度重新設(shè)計，使截面各邊鋼筋鈍化膜破壞時間基本一致，避免耐久性能的浪費，從而達到截面等耐久性設(shè)計的目的, 其設(shè)計流程為：

(1)根據(jù)規(guī)范給出混凝土結(jié)構(gòu)基本保護層厚度C；

(2)調(diào)查橋梁建設(shè)地區(qū)風(fēng)氣象資料，包括各個季節(jié)的風(fēng)力等級、風(fēng)向等；

(3)根據(jù)查閱的氣象資料，整理得到該地區(qū)的風(fēng)作用規(guī)律，結(jié)合相關(guān)試驗結(jié)論、既有橋梁檢測結(jié)果，以及風(fēng)對結(jié)構(gòu)物作用相關(guān)理論，利用有限元軟件分析混凝土箱梁在風(fēng)作用下周圍的流場分布，針對箱梁各表面風(fēng)壓和漩渦的分布情況，分別給出箱梁各個面的混凝土碳化影響系數(shù)Ki；

(4)箱梁截面各邊的混凝土保護層厚度Ci等于Ki乘以基本保護層厚度C，即：Ci=Ki×C.

現(xiàn)在分析常見風(fēng)環(huán)境下箱梁混凝土碳化影響系數(shù)Ki，根據(jù)風(fēng)壓加速混凝土碳化試驗數(shù)據(jù)整理出的表1試件碳化深度比值，并結(jié)合FLUENT分析風(fēng)作用下混凝土箱梁的流場分布，可以得到以下共同特點：大面積迎風(fēng)面碳化深度比值為1.1～1.2；背風(fēng)面碳化深度比值為1.0～1.1；小面積迎風(fēng)面和背風(fēng)面碳化深度比值為1.4～1.5；箱梁內(nèi)部各受風(fēng)面碳化深度比值為1.1～1.2.試驗室內(nèi)的風(fēng)是單一風(fēng)向的，風(fēng)環(huán)境比較簡單，但是自然界中的風(fēng)環(huán)境比試驗室的風(fēng)環(huán)境更加復(fù)雜，所以應(yīng)偏安全設(shè)計，建議實際工程中箱梁在風(fēng)環(huán)境中各面碳化影響系數(shù)取值如表2所示：

表2 箱梁各面碳化影響系數(shù)Tab.2 Carbonization influence coefficient of each surface of box girder

4 等耐久性設(shè)計應(yīng)用

位于三門峽的蒙華鐵路一座公鐵兩用橋梁，梁體截面采用箱梁，其截面形狀及尺寸見圖8所示.箱梁截面高3.4 m，約為跨度的1/11.76，考慮2%的橋面橫坡，箱梁中心線處梁高3.488 m，頂板寬度為12.1 m，底板寬度為5.5 m，截面中心線處頂板厚0.418 m，底板厚0.3 m，腹板厚0.48 m，翼緣板厚為0.25～0.6 m.為減少箱內(nèi)外溫差的影響，箱梁在結(jié)構(gòu)兩側(cè)腹板上設(shè)置直徑100 mm的通風(fēng)孔，順橋向間距2 m，豎向位置距箱梁底面1.7 m.為保證箱內(nèi)排水，在底板處設(shè)置直徑100 mm的泄水孔.混凝土強度等級為C50，保護層厚度為30 mm，混凝土單向碳化系數(shù)A=4.1，已知當(dāng)?shù)匾?～6級風(fēng)為主.簡單起見，混凝土保護層優(yōu)化設(shè)計僅考慮風(fēng)的影響,橋梁受風(fēng)壓作用及改變鋼筋保護層厚度的部位如圖9所示.

圖8 箱梁的截面形狀及尺寸(單位:mm)Fig.8 Section shape and dimension of box girder/mm

圖9 考慮風(fēng)壓作用下箱梁保護層厚度調(diào)整比值Fig.9 Adjustmentratio of thickness of concrete cover for box girder considering the effect of wind pressure

原設(shè)計中，箱梁鋼筋保護層厚度為30 mm，不考慮風(fēng)作用下，耐久壽命為

式中，tn為不考慮風(fēng)作用橋梁的耐久壽命，單位a；c為混凝土保護層厚度，單位mm；t為碳化時間，可取t=30 a；xc,t為單一擴散作用在t年時引起的碳化深度，當(dāng)t=30 a時，xc,t=22.5 mm.

考慮風(fēng)加速混凝土碳化的影響，在擴散和滲透雙重作用下，箱梁的A面、B面、C面耐久壽命tn,A、tn,B、tn,C分別為

通過對橋梁耐久壽命計算可知，如果未考慮風(fēng)加速混凝土碳化這一影響因素，橋梁服役時間達到27 a時，梁體鋼筋就會出現(xiàn)脫鈍銹蝕的現(xiàn)象.如果將這一因素考慮在內(nèi)，重新進行等耐久性設(shè)計，對保護層厚度進行適當(dāng)調(diào)整，橋梁的耐久壽命將會達到53 a，服役壽命延長95.96%.

對保護層厚度進行重新設(shè)計后，每延米增加的混凝土用量為0.43 m3，即,每延米多使用約4.57%的混凝土.從算例可以看出，采用新設(shè)計理論，僅增加較少的材料投入就能有效的延長橋梁的服役壽命，極大地減少了因為耐久性問題帶來的經(jīng)濟損失.

5 結(jié)論

(1)通過理論分析、試驗結(jié)論和既有橋梁檢測結(jié)果顯示，風(fēng)壓加速混凝土碳化這一現(xiàn)象是客觀存在的，這也是導(dǎo)致實際工程中混凝土結(jié)構(gòu)耐久性不等，并過早發(fā)生碳化破壞的原因之一；

(2)以實際工程中常見的箱梁結(jié)構(gòu)為研究對象，在針對箱梁結(jié)構(gòu)等耐久性設(shè)計過程中，首次考慮風(fēng)壓對箱梁耐久性的影響，并改進等耐久性設(shè)計方法，給出了箱梁各表面碳化影響系數(shù)，為混凝土結(jié)構(gòu)等耐久性設(shè)計理論的建立做了初步工作；

(3)弄清風(fēng)對混凝土碳化的影響規(guī)律，完善風(fēng)加速混凝土橋梁碳化相關(guān)理論，盡可能減少外界環(huán)境中的有害物質(zhì)對混凝土橋梁結(jié)構(gòu)的侵蝕，使橋梁結(jié)構(gòu)服役到設(shè)計使用年限甚至更久，對實際工程具有重要的經(jīng)濟價值.