混凝土桥梁结构耐久性可靠性浅析

宋茂林

（山西省交通科学研究院，山西 太原 030006）

1 研究背景

混凝土桥梁的耐久性劣化主要体现在混凝土的碳化作用。具体而言，碳化作用将导致混凝土变脆，构件延性降低。同时，也会使混凝土产生了不可逆的收缩，若在约束条件下进行，往往导致混凝土表面微裂纹，因而又加剧碳化过程。姜海波[1]等采用可靠度理论进行失效概率的估计，对该梁剩余使用期内的失效概率进行了估计；彭可可[2]等基于时变可靠度理论，提出评估在役桥梁结构可靠度的FNM法。而在可靠度指标上，欧盟耐久性设计规范将目标可靠指标取决于耐久性成本，即由于考虑结构的耐久性而导致设计成本提高的费用（P）与不考虑耐久性设计的养护花费（M）比值，给出设计使用年限为50年的可接受可靠指标 β：若P＜M，β取3.72；若 P≈M，β取2.57；若 P＞M，β 取 1.28。刘海等[3]经过计算认为，对于碳化耐久性有严格要求的重要混凝土结构，可靠指标建议取1.28。

综上所述，关于混凝土桥梁结构耐久性可靠性的研究成果仍较多地集中在宏观上控制和保证结构的耐久性，但在诸多文献中对实现可靠性的耐久性评估指标量化规定较少。基于已有研究成果的基础上，本文考虑混凝土的结构属性，对混凝土桥梁结构耐久性可靠性检测方法展开研究和分析。

2 构件耐久性评估指标体系和检测指标

混凝土结构的耐久性评估指标体系主要包括目标可靠指标、构件外观检测指标、构件保护指标等[4]。对于外观检测指标，主要分构件缺陷指标和耐久性病害指标。混凝土构件的缺陷指标包括混凝土的蜂窝麻面、孔洞、空洞、露筋等。当蜂窝麻面超过构件面积的50%、孔洞和空洞面积超过5%时，需要结合蜂窝麻面和空洞孔洞深度的具体情况考虑对混凝土保护层厚度折减。耐久性病害指标包括裂缝、剥落、溶蚀等，用以判断耐久性病害的严重程度。而构件保护效应指标则是指构件混凝土保护层厚度。而对于构件的保护层厚度检测，要求检测数量宜不少于构件总数的5%～10%，且不应少于6个构件，若同类构件数少于6个时，应逐个测试。对于T梁、空心板和箱梁构件，宜对外露面主筋全部纵向筋的保护层厚度进行检测。对于大型箱梁构件，在外露面和箱梁内侧面均匀选择不少于1/3主筋区域，在梁端和跨中各取1～2 m区域进行检测；对于墩柱类构件，均选择不少于1/3的主筋区域，在墩柱两端和中部各取1～2 m区域进行检测；每测区每根钢筋保护层厚度测点不应少于3个，构件角部钢筋应检测两侧的保护层厚度，取小值[5-6]。

3 基于可靠性的耐久性评估指标研究

对于混凝土桥梁而言，可靠度直接用来度量桥梁的可靠性程度，表示为规定的时间内和规定的条件下完成预定功能的概率pr，相应的结构失效的概率为 pf，则有：

当施加在桥梁上的直接作用或引起结构外加变形或约束变形的间接作用引起内力、变形等用S表示；而其抗力用R表示，极限状态方程为：

对于考虑碳化作用的混凝土桥梁结构，式（2）表示为：

式中：c为混凝土保护层厚度，mm；x为碳化深度，mm；k为碳化系数。可知，实测碳化深度计算得出现阶段碳化系数，假定碳化系数一直保持不变，便可利用现有碳化系数计算不同年限的可靠指标。其中保护层厚度取现场检测所得均值及变异系数，其服从正态分布c～N(μc,σc)，碳化系数取实测碳化系数与变异系数，也服从正态分布 k～N(μk,σk)，其中 μ 为均值，δ为变异系数，t为时间。因此，构件耐久性可靠指标为：

在完成构件耐久性相应指标的检测基础上，应根据构件的类型、受力特性、检测难易程度和概率统计需求，进行构件混凝土碳化深度检测位置和测点数量分析。由于混凝土碳化是影响混凝土构件耐久性的主要原因，因此，取实测碳化深度值进行分析[7-9]。

4 工程实例

为验证该耐久性可靠性检测方法的可行性，以某跨径组合为（60+100+60）m的预应力混凝土箱梁为例进行验证。其中，主桥为单箱单室，三向预应力。引桥为混凝土T梁。箱梁混凝土标号为C60，T梁采用C50，桥墩、盖梁采用均为C40。有限元模型如图1所示。

图1 有限元模型

表1 实测保护层厚度与碳化系数的分布参数 mm

图2 主要构件耐久性可靠指标

根据国内外已有研究的成果，以及现有设计的构件耐久性校核值，钢筋混凝土构件中钢筋刚发生锈蚀时，即钢筋混凝土构件到达第I类极限状态，取规范规定的下限值为1.28[10]。对于预应力混凝土构件，由于在锈蚀后容易发生脆断破坏，取可靠指标上限值为1.64。通过分析已有病害调研，目标可靠指标在100年使用年限中都超过2.0，指标值较高，按照规范校准得到的耐久性目标可靠指标除空心板稍小外。预应力混凝土构件目标可靠指标取1.64。由图2可知，对于盖梁、T 梁、箱梁，β100＞βT，表明该结构构件在100年内能够继续完成其预期功能，其碳化耐久性满足要求。从现场检测情况来看，目前尚未出现钢筋锈蚀现象。

5 结论

a）确定了梁桥构件耐久性评估的目标可靠指标，可作为混凝土梁桥构件耐久性评估的依据。

b）结合耐久性评估指标体系，给出混凝土碳化可靠度的计算方法。

c）本文给出的混凝土碳化可靠度的计算方法，能够较好地评估在役混凝土结构耐久性可靠性。