不同环境钢筋混凝土受弯构件承载力退化计算

曹 茜

1 概述

混凝土桥梁结构耐久性设计问题实质上是环境和荷载共同作用下的混凝土材料乃至构件、结构性能退化问题。大量工程实践证明,在钢筋混凝土结构中,钢筋的锈蚀是影响服役结构耐久性的主要因素。

随着混凝土中钢筋锈蚀的发生与发展,钢筋锈蚀对受弯构件承载能力的影响程度不同,可以分为三类:

1)当保护层锈胀开裂前,钢筋的锈蚀率一般较小,在承载力计算时可不考虑钢筋锈蚀的影响;

2)锈胀裂缝出现后,当钢筋锈蚀率小于10%时,随着钢筋锈蚀发展,由于锈蚀钢筋力学性能的降低和钢筋与混凝土之间的粘结力退化,受弯构件的承载力明显降低;

3)当钢筋锈蚀率大于10%,混凝土保护层未脱落时,受弯构件可能发生适筋梁弯曲破坏,也可能发生超筋、少筋破坏,甚至发生粘结破坏和剪切破坏。

下面仅对第二类情况作进一步地分析。当钢筋锈蚀率小于10%时,锈后钢筋混凝土受弯构件截面的平均应变分布仍基本符合平截面假定。因此,仍可按照JDG D62-2004公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范中正截面抗弯承载力计算公式计算。计算时,需考虑钢筋力学性能退化影响及钢筋与混凝土间粘结性能退化对承载能力的影响。

锈后钢筋混凝土受弯构件的正截面抗弯承载力计算公式为:

其中,RM′(t)为锈蚀梁在 t时刻的正截面抗弯承载力,kN;(t)为锈蚀钢筋在 t时刻的截面面积,mm2为锈蚀钢筋的屈服强度,MPa为腐蚀混凝土的轴心抗压强度,MPa;h0为截面有效高度,mm;b为截面宽度,mm。

2 钢筋混凝土受弯构件承载力退化计算

2.1 桥梁概况

本桥为三跨简支梁桥,跨径组合为8 m+13 m+8 m,设计荷载为城市B级,设计基准期100年。其中8 m板梁采用钢筋混凝土空心板梁,混凝土标号C30。现选取8 m钢筋混凝土空心板梁(梁高 h=0.52 m,梁底宽0.99 m的中板)作为计算模型,来分析钢筋混凝土结构耐久性能退化规律。

中板横断面配筋见图1。

为了更好地说明不同环境对结构耐久性的影响,特将该桥理论上移至近海区域,距海岸距离小于1 km。即分析同一座桥梁处于不同环境下耐久性退化规律,对比混凝土碳化影响下和氯离子侵蚀下的桥梁耐久性退化的差异。

2.2 作用效应计算

通过计算,得到中板自重效应标准值为 MGK=83 kN·m,取汽车荷载横向分布系数为0.152,冲击系数1+μ=1.227。简支梁截面耐久性计算选择弯矩最大的跨中截面进行。考虑冲击系数影响,经计算,汽车荷载效应标准值为:

于是,按照规范承载能力极限状态设计时的作用组合设计值为:

2.3 抗力效应计算

参照GB/T 50283-1999公路工程结构可靠度统一标准,根据相应的计算公式,通过Monte Carlo模拟来计算各耐久性设计参数。

由于人类在抗炎症疾病和农渔牧业养殖中不合理使用抗生素，导致耐药菌株不断增加。目前，临床上可供选择的抗菌素越来越少。在人类与疾病的抗争史中，中草药用于炎症的治疗有明确记载。从中草药中发现新的抗菌药成为很多医药学者研究的目标。

2.3.1 钢筋开始锈蚀时间

由碳化系数和碳化残量的均值和标准差可以看到,角部碳化系数的均值是非角部碳化系数的1.4倍。碳化系数越大,完全碳化区长度就越长,相反碳化残量越小。

图2为平均碳化深度随时间的变化趋势。当t=100年,非角部最大平均碳化深度为16.738 mm;角部最大平均碳化深度为23.433 mm。即在混凝土碳化的单独作用下,混凝土的完全碳化还未到达钢筋表面。

由于碳化残量的存在,即使混凝土的完全碳化还未到达钢筋表面,钢筋亦开始锈蚀。且氯离子侵蚀对结构钢筋的锈蚀影响要比混凝土碳化显著得多,仅为混凝土碳化下钢筋开始锈蚀时间的19%(见表1)。

2.3.2 混凝土保护层锈胀开裂时间

混凝土碳化下的锈胀开裂时间计算结果见表2。随着钢筋锈蚀的发展,角区的锈蚀程度要比非角区的锈蚀程度越来越严重。氯离子侵蚀下的锈胀开裂时间仅为混凝土碳化下保护层锈胀开裂时间的29%,为混凝土碳化下钢筋开始锈蚀时间的47%。即结构在混凝土碳化下钢筋还未开始锈蚀时,结构在氯离子侵蚀下混凝土的保护层早已锈胀开裂有十几年。

表1 钢筋开始锈蚀时间 年

表2 混凝土保护层的锈胀开裂时间 年

2.3.3 钢筋截面积

随着钢筋锈蚀的发展,钢筋剩余面积不断减小(见表3)。

表3 50年后单根钢筋剩余面积 mm2

图3则给出了混凝土碳化下(非角部、角部)和氯离子侵蚀下的单根钢筋剩余面积随时间变化的对比图。可以看到,碳化下的钢筋面积变化微弱,但氯离子侵蚀下的钢筋腐蚀严重。钢筋一旦开始锈蚀,由于锈蚀过程中Cl-的循环利用,Cl-对钢筋的侵蚀就一直持续,锈蚀量不断增加,钢筋剩余面积不断减小。当t=100年,剩余钢筋面积约为原钢筋面积的1/2。

2.3.4 承载力退化

选用牛荻涛给出的一般大气环境及海洋环境下混凝土强度平均值和标准差的经时变化数学模型来考虑混凝土强度的经时变化。同时选用送审稿提出的混凝土胀裂前、胀裂时、胀裂后的钢筋锈蚀速率和锈蚀深度公式、锈后钢筋混凝土协同工作降低系数,并选用牛荻涛给出的锈蚀钢筋强度降低系数,来考虑锈后结构承载力的经时变化。

表4给出了50年后混凝土碳化、氯离子侵蚀下结构剩余承载力(考虑混凝土强度经时变化)。50年后氯离子侵蚀下结构平均剩余承载力是混凝土碳化结构平均剩余承载力的63%。

表4 50年后构件剩余承载力 mm2

图4给出了混凝土碳化、氯离子侵蚀下(考虑与不考虑混凝土强度的经时变化)结构剩余承载力随时间变化的对比图。可以看到,考虑与不考虑混凝土强度的经时变化对承载能力的影响很小,考虑值比不考虑值略高,实际工程中常不考虑混凝土强度的经时变化,而是将其作为结构的强度储备。

碳化下结构剩余承载力在70年后才开始有下降趋势,100年后承载力下降了20%。氯离子侵蚀下的结构承载力在约前10年未有变化,10年后则快速下降,到约55年已下降了40%,随后结构承载力下降趋势有所减弱,到100年,结构剩余承载力仅为原承载力的36%,略大于作用效应值。但实际情况要比理论计算的条件复杂,桥梁实际应用中还会受到各种因素的影响,如桥梁建设施工质量、使用中的冲撞、实际车辆荷载的增长等,将使得桥梁实际服役情况更不理想,难以达到设计基准期的要求。

2.4 计算结果分析

混凝土碳化下,截面角部位置碳化系数、平均碳化深度均比非角部位置碳化系数、平均碳化深度要大,相反碳化残量要小。且随着时间的增加,角区钢筋锈蚀程度要比非角区越来越严重。但是相比碳化作用,氯离子侵蚀引起的钢筋锈蚀程度严重得多。氯离子侵蚀引起的钢筋开始锈蚀时间仅为混凝土碳化下的19%;氯离子侵蚀引起的混凝土保护层锈胀开裂时间仅为混凝土碳化下的29%,是碳化引起的钢筋开始锈蚀时间的47%。氯离子侵蚀下的钢筋面积损失严重,相比之下可忽略混凝土碳化下的钢筋面积变化。100年后,桥梁跨中截面抗弯承载力在混凝土碳化下仅下降了20%,仍旧能够很好地满足抗弯承载力要求;但在氯离子侵蚀下,截面抗弯承载力下降64%,无法满足100年后结构所需抗弯承载力。

2.5 结论和建议

混凝土桥梁结构耐久性退化问题是环境和荷载共同作用下的退化问题。不同的环境下桥梁有着不一样的退化机理。一般大气环境,混凝土无明显腐蚀效应,不存在冻融损失和化学腐蚀,但可因碳化引起钢筋锈蚀。因此混凝土碳化是一般大气环境下桥梁退化的主要机理。

近海地区可能造成氯离子腐蚀的大气环境,沿海地带的潮汐区、浪溅区以及除冰盐、掺加氯盐的环境,混凝土桥梁结构耐久性退化的主要机理在于氯离子侵蚀。氯离子侵蚀引起的钢筋锈蚀,其锈蚀速度要比碳化引起的钢筋锈蚀快得多。

我国地域辽阔,各地环境条件差异非常明显,应根据环境作用的区划图来指导我国混凝土桥梁的耐久性设计。

[1]标准编制组.混凝土结构耐久性评定标准(送审稿).2005.

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[4]牛荻涛.混凝土结构耐久性与寿命预测[M].北京:科学出版社,2003.

[5]吴年超,徐一卓.钢筋混凝土受弯构件恢复力模型研究[J].山西建筑,2009,35(1):106-107.