寒区除冰盐冻融环境下的混凝土桥梁耐久性研究
第1章 绪 论
1.1.1项目研究背景
2015年，全球近五十个国家加入由中国发起的亚洲基础设施投资银行，旨在通过各种融资投资进行亚洲及周边地区的基础设施开发建设，此举吸引了国际上众多人士的关注，这表明在未来的发展中我国以及整个亚洲乃至全世界对基础建设领域的重视，尽管在社会日益发达的今天，基础设施的需求量仍处于较高的水平。然而，在新兴产业诞生的同时，许多既有混凝土结构的耐久性能随服役时间日渐劣化，长时间疲劳损伤下致使结构可靠性降低，无法达到设计使用年限而提前失效[1]，这在工程结构领域是一个难以解决的重要问题。桥梁工程作为道路交通的主要组成部分，具有造价高、易损坏、难维修等特点，无论是从前期勘察、设计、施工，还是后期的运营、维修、加固等方面考虑，都有着较高的经济与技术要求。随着工程技术不断成熟，桥梁形式也日渐更新，90年代初期，，发达国家桥梁结构多以钢板梁桥和钢桁架梁桥为主，缘于使用的经济性和便利性，我国桥梁形式多以混凝土梁桥为主，其数量至今约多达桥梁总数的90%。然而，在混凝土结构造价低、施工便利的同时，其材料本身具有易老化性，再加上服役期间所承受重荷载及恶劣环境等因素的作用，致使结构随长时间工作而逐渐出现不同程度的损伤以致失效。
自上世纪全世界掀起基础建设热潮以来，桥梁产业如雨后春笋般出现，而仅在短短的几十年间，许多结构便提前进入了维修养护阶段，病害桥梁的数量与日俱增，许多结构远未达到预期使用寿命而提前损坏，甚至引发事故，造成了巨大的经济损失。据不完全统计，在科学技术比较发达的美国，1981年对全国514，000座公路桥梁的耐久性状况调查中，有20%的桥梁需要暂停运营进行维修，到1987年，不同程度耐久性损伤的桥梁数目多达253，000余座，在现有统计50余万座结构中，近乎一半存在性能缺陷。美国国会相关部门调查发现，在1975年到1985年的十年间，因各种腐蚀而造成的损失增长了近2.5倍，带来了巨大的经济困扰，相关历史资料记录，1989年美国仅积压的待修桥梁维修费用便高达1550亿美元，此外，英国同样也面临巨大的结构腐蚀损伤问题，其每年造成的损失约占国民经济总产值的2%～4%。
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1.2.1耐久性损伤国内外研究现状
结构耐久性是指结构性能随着服役时间增加不断劣化，在正常使用和维修条件下，能够继续保持其既有功能的能力[5]。结构耐久性损伤是一个随时间增长与多种环境作用而不断劣化的过程，随着服役时间的增长，构件既有使用功能或超过其所能承受的极限状态，无法满足原有可靠度水平而失效。在工程结构中，由于材料本身具有易老化性，结构耐久性病害主要表现为基于环境作用下钢筋混凝土材料性能的劣化。由于地域差异，各地的环境条件在空间和时间上存在不均匀分布，结合国内外对混凝土材料的劣化机理及耐久性能主要环境影响因素的相关研究，可将结构的服役环境划分为五类[6]，如表1.2-1所示。
一些文献[9], [10], [11]给出了α与混凝土水泥品种、水灰比、水泥含量的经验关系式，其中铁道科学院冯仲伟认为碳化深度随水灰比与含气量的增大而增大，且给出了一定的界限值[12]；一些文献[13], [14], [15]考虑不同的混凝土抗压强度，认为α与其倒数几乎呈线性关系；清华大学邸小坛通过收集近年来对混凝土碳化的研究成果，给出了精确的混凝土碳化系数数学模型[16]；浙江大学基于碳化指数的不确定性概率分布模型，运用神经网络系统建立较符合实际工程情况的数学模型；同济大学做出了碳化对混凝土抗震不利和碳化对混凝土抗火不利的试验研究；此外，日本学者对不同湿度条件下的碳化速度做了相关研究[17]；Smolczyk认为碳化深度与抗压强度的二次方根成反比关系[18]；Meyer等人通过试验给出了不同水泥用量混凝土的碳化程度。
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第2章 桥梁结构耐久性劣化形式及机理分析
由于桥梁结构工作性质与服役环境的特殊性，往往比其他工程结构更容易出现各种各样的耐久性损伤，导致结构未达到预期使用寿命而过早劣化失效。结构出现耐久性损伤究其原因主要是由于结构材料在外部恶劣环境条件下发生结构性腐蚀与损坏，若想提高结构耐久性以及合理预测结构耐久寿命，需对其损伤形式及劣化机理具有充分的认识与理解。 本文通过混凝土宏观和微观结构的特点和缺陷，基于桥梁结构所处外部环境因素，对混凝土基体的结构损伤机理展开分析。
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2.2.1桥梁耐久性定义
工程结构设计规范对结构在使用年限内的耐久性能具有一定要求，所以结构在使用初期，往往不会出现耐久性损伤，这也是人们对该性能没有引起足够重视的原因，然而随着使用时间的增加，结构频繁受到各种外力及侵蚀性环境的多重作用，致使结构逐渐出现不同程度的损伤与病害，当结构或某一构部件所受损伤程度超过所能承受的极限程度时，结构将失去原有性能无法继续工作，由于桥梁结构的特殊性，耐久性损伤往往比建筑工程结构严重的多，其全寿命周期内耐久性能使用状态可用图2.2-1表示。
2.2.2桥梁耐久性损伤
结构耐久性是可靠性中最为薄弱的一个层面，桥梁结构由于构造本身与服役环境的复杂多样性，其耐久性影响因素十分复杂，可以简单概括为材料自身特性及结构所处使用环境条件两方面。其中，由于侵蚀性环境作用导致的材料性能损伤是构部件乃至整体失效的直接因素，考虑到不同环境作用因素的影响，可将桥梁结构耐久性损伤用图2.2-2表示。
混凝土冻融破坏是混凝土内部微观结构物相变化的过程，在冬季寒冷气候条件下，混凝土水泥浆体中部分孔隙水由于负温结冰膨胀，膨胀力导致未结冰水系迁移，形成静水压力，当静水压力过大时，致使混凝土内部结构发生抗拉破坏，随着正负温交替循环，冻与融反复进行，混凝土表层由于不耐疲劳损伤而发生剥落，随着使用年限的增加，混凝土由表及里逐渐出现结构性开裂。同时，由于寒冷地区冬季多冰雪气候，为保证交通运输畅通安全，常以除冰盐（NaCl ）作为融雪剂，形成 Cl侵蚀环境，冰层融化后产生冷冲击，同时 Cl通过孔隙渗透，产生渗透压力的同时加快了饱水程度，致使盐溶液过饱和结晶产生结晶压力，在不同程度上加剧了冻融损伤。
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3.1概述.................................................. 22
3.2结构可靠度理论基本概念.............................. 22
第4章 桥梁结构可靠度计算及变化规律.................... 32
4.1概述............................................. 32
4.2桥梁结构可靠度计算参数............................ 32
第5章 寒区钢筋混凝土桥梁耐久性评价研究................ 53
5.1概述................................................. 53
5.2结构可靠性参数转换关系..........................53
第5章 寒区钢筋混凝土桥梁耐久性评价研究
本章通过推断桥梁结构与建筑结构满足同一耐久性等级所需抗力的对应关系，以确定桥梁结构耐久性评定等级的耐久性分值，基于寒冷地区桥梁结构的服役环境，采用混凝土碳化及氯盐侵蚀引起的钢筋锈蚀和冻融损伤作为寒区混凝土桥梁耐久性的评价参数。
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桥梁结构与建筑结构在可靠度设计中存在两点主要区别，即设计基准期差别与目标可靠指标差别，桥梁结构的设计基准期为100年，建筑结构为50年，设计基准期的不同将影响同条件下结构设计的目标可靠指标。桥梁结构设计规范中目标可靠指标的选取一般考虑结构安全等级为二级，破坏类型为延性破坏，根据不同结构构件达到同一目标可靠指标所需结构设计抗力随结构设计基准期的变化关系，对于延性破坏构件，若想保持相同的可靠度水平，100年设计基准期时所需结构设计抗力约为50年设计基准期所需结构设计抗力的1.018倍。按《建筑工程结构可靠度统一标准》规定，建筑工程结构将安全等级为二级的延性破坏构件目标可靠指标取为3.2，由可靠指标随设计基准期的变化关系可知，将设计基准期延伸为100年，则相应可靠指标将减小为3.117，若想保证原有的目标可靠水平，则结构设计抗力应提高为原来的1.018倍。
寒冷地区桥梁结构多处于除冰盐冻融多重侵蚀性环境作用下，考虑到环境因素侵蚀可能导致的结构材料性能耐久性损伤，采用混凝土碳化及氯盐侵蚀引起的钢筋锈蚀和冻融损伤作为桥梁结构耐久性评定的主要参数，选用相应的裕度比作为耐久性分值，表5.3-3、5.3-4分别为钢筋锈蚀与冻融破坏的耐久性等级评定指标建议值，进行具体耐久性评定时，相关耐久性参数可参照《混凝土结构耐久性评定标准》进行计算。
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结论与建议
本文针对我国北方寒冷地区混凝土桥梁耐久性损伤特性，基于结构可靠度理论对桥梁结构可靠度参数随结构设计基准期的变化关系展开分析，以《混凝土结构耐久性评定标准》为基础，提出桥梁结构耐久性评价指标的近似建议值，通过研究得出如下主要结论：
基于环境作用影响因素将寒冷地区混凝土桥梁的主要耐久性损伤形式概括为混凝土碳化、冻融破坏、钢筋锈蚀三大方面，耐久性评价准则主要分为碳化准则、冻融破坏准则、钢筋锈蚀准则、锈胀开裂准则。
桥梁结构与建筑工程结构在可靠度设计中主要存在设计基准期和目标可靠指标差别，并受结构重要性系数的影响。设计基准期同为100年时，桥梁结构与建筑工程结构目标可靠指标相差约两个等级，若想使其在某一功能上达到相同的保证率，其对应参数应相差约1.2倍。
通过桥梁结构与建筑工程结构之间可靠性参数的转换关系，在耐久性等级具有一定保证率的基础上，提出桥梁结构耐久性等级评定指标的近似建议值。
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参考文献（略）
本文编号：242331
本文链接：https://www.wllwen.com/wenshubaike/caipu/242331.html
