海洋环境混凝土桥梁耐久性参数敏感性分析_田浩.pdf

《海洋环境混凝土桥梁耐久性参数敏感性分析_田浩.pdf》由会员分享，可在线阅读，更多相关《海洋环境混凝土桥梁耐久性参数敏感性分析_田浩.pdf（5页珍藏版）》请在淘文阁 - 分享文档赚钱的网站上搜索。

1、第 29 卷 第 5 期佳 木 斯 大 学 学 报(自 然 科 学 版)Vol 29No 52011年 09 月Journal of Jiamusi University(Natural Science Edition)Sep2011文章编号:1008 1402(2011)05 0646 05海洋环境混凝土桥梁耐久性参数敏感性分析田浩1，宣新祥2，陈亮1(1 浙江省交通科学研究所，浙江 杭州 310006;2 诸暨市公路管理段，浙江 绍兴 311800)摘要:为了实现海洋环境混凝土桥梁耐久性参数敏感性分析的目标，首先给出了海洋环境混凝土桥梁耐久性退化过程中三个关键时刻的计算数学模型和截面削弱过

2、程的模拟方法 以一座预应力混凝土连续梁为对象，利用笔者自行编写的分析程序分析了保护层厚度、大气温度、钢筋锈蚀临界氯离子浓度、混凝土表面氯离子浓度和混凝土强度等设计参数对混凝土桥梁耐久性能的影响程度 结果表明:在整个退化过程中，保护层厚度对整个过程都有显著影响，钢筋锈蚀临界氯离子浓度和混凝土表面氯离子浓度对钢筋开始锈蚀时刻影响明显，大气温度和混凝土强度则对钢筋锈蚀速率有一定影响 增大保护层厚度和减小混凝土渗透性可明显改善海洋环境中混凝土桥梁的耐久性能关键词:海洋环境;混凝土桥梁;耐久性;参数敏感性分析;关键时刻;截面削弱中图分类号:TU375 4文献标识码:A0引言氯离子侵蚀是导致海洋环境下混凝

3、土桥梁结构性能退化的主要因素之一1 当钢筋表面的氯离子聚集到一定程度时钢筋开始锈蚀，进而导致结构整体力学性能退化 影响这一退化过程的设计参数有很多，主要包括:混凝土保护层厚度、大气温度、钢筋锈蚀临界氯离子浓度、混凝土表面氯离子浓度以及混凝土强度等 目前，针对这些设计参数对桥梁结构整体性能影响的分析大多为定性的，缺乏定量的研究成果 本文通过结合已有的耐久性退化关键时刻计算模型2 和笔者自行开发的分析程序 CBDAS3(Concrete Bridge Durability Analy-sis System)，对影响氯离子侵蚀作用的结构参数进行了敏感性分析1退化过程模拟1 1退化关键时刻氯离子侵蚀引

4、起的混凝土桥梁退化全过程可通过三个关键时刻 钢筋开始锈蚀时刻 t1、保护层开始开裂时刻 t2以及保护层完全剥落时刻 t3划分为四个阶段 退化过程的第一阶段由施工过程结束时刻(即成桥时刻)开始到钢筋表面的氯离子浓度累积到钢筋即将开始锈蚀时刻t1为止，该阶段也可称为氯离子侵蚀阶段2 根据现场及试验实测数据给出 t1的计算公式t1=c24D0t0 erf1(1 Mcr/Ms)211(1)式中:c=混凝土保护层厚度(mm)，D0=氯离子扩散系数(mm2/year)，t0=结构建成至检测时所经历的时间(years)，=D0的时间效应系数，Mcr=钢筋锈蚀临界氯离子浓度(kg/m3)，Ms=混凝土表面氯离

5、子浓度(kg/m3)图 1箱梁构造示意退化过程的第二阶段可定义为钢筋锈蚀产物膨胀阶段 从钢筋开始锈蚀时刻t1到钢筋锈蚀产物的膨胀即将引起混凝土保护层开裂时刻 t2，可表示收稿日期:2011 07 15基金项目:浙江省交通厅科技计划项目(2008C05)作者简介:田浩(1982 )，男，陕西西安人，浙江省交通科学研究所，工程师，工学博士，主要从事混凝土桥梁全寿命理论研究第 5 期田浩，等:海洋环境混凝土桥梁耐久性参数敏感性分析为2 t2=t1+crc1(2)其中:cr=保护层即将开裂时的钢筋临界锈蚀深度(mm)，cl=保护层开裂前钢筋年平均锈蚀率(mm/year)cr被拟合为混凝土保护层厚度 c

6、、钢筋直径 d 以及混凝土抗压强度 fc的函数2 cr=0 015(c/d)1 55+0 0014fc+0 0016(3)其中:d=普通钢筋直径(mm)，fc=混凝土抗压强度(MPa)cl由下式求得2 cl=11 6 i 103(4)其中:i=锈蚀电流密度(A/cm2)在退化过程的第三阶段钢筋锈蚀不断加深直至混凝土保护层完全剥落时刻 t3，此后进入第四阶段 在第四阶段中假设钢筋继续锈蚀而混凝土截面不再进一步削弱，根据这一假定结构性能将继续退化直至结构到达极限状态或设计使用寿命，意味着整个退化过程的结束 这里采用一个利用实验和工地现场数据拟合的实用公式计算 t32 t3=t2+d crcl1(5

7、)式中:d=保护层完全剥落时的钢筋临界锈蚀深度(mm)，cl1=保护层开裂后钢筋年平均锈蚀率(mm/year)d同样被拟合为混凝土保护层厚度 c、钢筋直径 d 以及混凝土抗压强度 fc的函数2 d=0 273+0 008c/d+0 00055fc(6)cl1被假定为cl的函数，同时考虑到保护层开裂后钢筋锈蚀速率的加快可表示为2 cl1=(4 5 26cl)cl(7)图 2不同保护层厚度下截面面积损失率图 3不同大气温度下截面面积损失率1 2截面削弱过程模拟对于混凝土截面，考虑到桥梁同一断面处各个方向可能拥有不同的环境条件，因此混凝土截面形状信息应该以其边缘为基本单位生成，每条边缘的耐久性设计参

8、数取值根据实际的环境条件确定 混凝土截面的具体模拟方法见文献 4，这里不再详述 对于钢筋截面，其削弱后的截面特性信息可通过钢筋的锈蚀量计算得到2模型梁介绍选取一座现浇3 25m等高度预应力混凝土连746佳 木 斯 大 学 学 报(自 然 科 学 版)2011 年续箱梁桥为研究对象，主梁构造简图如图 1 所示混凝土、预应力钢筋和普通钢筋选用的材料参见文献 4，这里不再详述图 4不同临界氯离子浓度下截面面积损失率图 5不同混凝土表面氯离子浓度下截面面积损失率图 6不同混凝土强度下截面面积损失率3参数敏感性分析以下分析中为表达方便，将三个耐久性退化时间段分别表示为t1=t1、t2=t2 t1、t3=

9、t3 t23 1保护层厚度在图 1(b)中，混凝土截面共有 16 条边缘(内外表面各 8 条)，边缘排序如图 1(b)所示 各边缘上普通钢筋的保护层厚度不同，在 23mm 41mm之间，平均值为 33mm 保持其他结构参数不变，在原保护层厚度的基础上 5mm、10mm，考虑5 种保护层厚度，并采用平均值(亦即 c)来表示，分别为 23，28，33，38，43mm由分析结果可知，边缘 1 当 c=23mm 时的三个关键时刻分别为12 3 年、15 4 年、17 3 年，而当c=43mm 时的三个关键时刻分别为 491 年、54 年、846第 5 期田浩，等:海洋环境混凝土桥梁耐久性参数敏感性分析

10、554 年，t1增加了3 倍，而保护层只加厚了不到一半 因此，保护层厚度是提高结构耐久性能的最有效措施图2给出了5种保护层厚度对应的普通钢筋和混凝土截面面积的损失率，保护层厚度越大，同一时刻普通钢筋的截面面积损失率就越小 在较小的保护层厚度(c=23mm 和 c=28mm)时，成桥100后普通钢筋截面全部发生锈蚀(即损失率为100%)混凝土截面的损失率变化相对复杂，保护层厚度越小，混凝土截面越早开始发生削弱，但是可供削弱的混凝土截面越小 因此，当 c=23mm时，混凝土截面保护层在成桥后 50 年时已经完全剥落，之后50 年不再发生改变;而当 c=43mm 时，混凝土截面保护层在成桥 40 后

11、才开始削弱，但在成桥后100 年损失率已经达到 22 6%，远大于 c=23mm 时的损失率3 2大气温度大气温度考虑 15，20，25，30，35 五种情况，其他结构参数保持不变 由分析结果可知大气温度对退化关键时刻的影响不如保护层厚度大 此外，各边缘钢筋开始锈蚀时刻相同，这是因为氯离子侵蚀作用下钢筋开始锈蚀时刻的计算模型中没有温度这一参数图3给出了5种大气温度对应的普通钢筋和混凝土截面面积的损失率 大气温度越高，同一时刻普通钢筋面积损失率就越大，但增加幅度较小，成桥100 年后，普通钢筋面积损失率由T=15 时的849%增加到 T=35 时的 96 3%混凝土面积损失率的变化较复杂，从图

12、2(b)可以发现，成桥20 年后5 种大气温度下混凝土截面均开始削弱，由于温度越高钢筋锈蚀速率越快，在成桥后 20 50年间大气温度越高则面积损失率越大 但由于混凝土保护层由开裂到完全剥落经历的时间很短，因此5 种大气温度下保护层从开裂到完全剥落处在同一时间段内，导致成桥 50 年时不同大气温度下截面损失率基本一样 在成桥 100 年时，五种大气温度下混凝土截面的损失率均达到了 22 5%3 3钢筋锈蚀临界氯离子浓度 Mcr根据文献 2中的相关规定，Mcr将考虑 13kg/m3、1 4kg/m3、1 5kg/m3、1 6kg/m3、1 7kg/m3五种情况，其他结构参数保持不变 边缘 1 在

13、Mcr=1 3kg/m3时的三个关键时刻分别为 23 年、27年、28 5 年，而 Mcr=1 7kg/m3时则分别为 31 6年、35 5 年、37 年 随着钢筋锈蚀临界氯离子浓度的增加，t1也有所增加，增加幅度为 8 6 年 但是，t2和t3基本保持不变，Mcr=1 3kg/m3时分别为4 年和 1 5 年，而 Mcr=1 7kg/m3时分别为 3 9 年和1 5 年 这是由于 Mcr仅控制开始锈蚀时刻，而当钢筋开始锈蚀后其对钢筋锈蚀的速率基本没有影响图4给出了5种钢筋锈蚀临界氯离子浓度对应的截面普通钢筋和混凝土面积的损失率，可以看出钢筋锈蚀临界氯离子浓度越大，同一时刻普通钢筋和混凝土的截

14、面面积损失率就越小，但变化幅度都不大 成桥100 年时，普通钢筋面积损失率由 Mcr=1 3kg/m3时的98 0%减小到Mcr=1 7kg/m3时的86 8%;而混凝土的面积损失率由 Mcr=1 3kg/m3时的 22 5%减小到 Mcr=1 7kg/m3时的19 9%3 4混凝土表面氯离子浓度 Ms根据文献 2中的相关规定，Ms将考虑 57kg/m3、6 3kg/m3、6 9kg/m3、7 5kg/m3、8 1kg/m3五种情况，其他结构参数保持不变分析结果显示混凝土表面氯离子浓度对钢筋开始锈蚀时刻的影响较大，其影响程度与钢筋锈蚀临界氯离子浓度相当，但不如保护层厚度大 边缘1 在 Ms=5

15、 7kg/m3时的三个关键时刻分别为345 年、38 9 年、40 6 年，而到 Ms=8 1kg/m3时的三个关键时刻分别为 22 6 年、26 2 年、27 6 年 同钢筋锈蚀临界氯离子浓度时的情况相反，随着混凝土表面氯离子浓度的增加，t1将减小 但是，t2和t3的变化幅度都很小，Ms=5 7kg/m3时为4 4 年和1 7 年，而 Ms=8 1kg/m3时为3 6 年和1 4 年，说明混凝土表面氯离子浓度不是后两个关键时刻的主要控制因素图5给出了5种混凝土表面氯离子浓度对应的截面普通钢筋和混凝土面积的损失率，可以看出混凝土表面氯离子浓度越大，同一时刻的普通钢筋和混凝土的截面面积损失率就越

16、大 在成桥 100 年时，普通钢筋的面积损失率由 Ms=5 7kg/m3时的79 8%增加到Ms=8 1kg/m3时的98 7%，而混凝土的面积损失率由 19 9%增加到 22 5%3 5混凝土强度桥梁结构中常用的混凝土强度介于 C40 C60946佳 木 斯 大 学 学 报(自 然 科 学 版)2011 年之间，因此下面将考虑 C40，C45，C50，C55 和 C60五种强度，其他结构参数保持不变分析结果表明混凝土强度对钢筋开始锈蚀时刻没有影响，对混凝土截面开始削弱时刻和保护层完全剥落时刻影响很小 边缘 1 在混凝土强度等级为 C40 时的关键时刻为 27 年、30 7 年、32 2 年，

17、强度等级为 C60 时分别为 27 年、31 2 年、32 8 年 所以，随着混凝土强度等级的增加，钢筋开始锈蚀时刻不变而后两个关键时间段略有增长图 6 给出了 5 种混凝土强度等级对应的截面普通钢筋和混凝土的面积损失率 可以看出混凝土强度等级越大，同一时刻普通钢筋和混凝土面积损失率就越小，但变化幅度都很小 成桥 100 年后，普通钢筋面积损失率由 C40 时的 94 0%减小到 C60时的 93 8%混凝土截面由于保护层完全剥落后截面不再继续削弱，而且混凝土强度的影响较小，因此成桥 100 年时 5 种混凝土强度下混凝土截面的损失率均达到 22 5%4结论(1)保护层厚度对钢筋锈蚀过程中的关

18、键时刻都有显著影响，保护层厚度的增加将大大减小普通钢筋和混凝土的面积损失率 因此，保护层厚度是提高结构耐久性能的最有效措施(2)大气温度对钢筋锈蚀速率有一定影响，温度越高钢筋锈蚀速率越快 但是，大气温度对氯离子侵蚀作用时钢筋开始锈蚀时刻则没有影响，这是由于钢筋开始锈蚀时刻的计算模型中没有温度参数(3)钢筋锈蚀临界氯离子浓度仅控制钢筋开始锈蚀时刻，当钢筋锈蚀后其对钢筋锈蚀的速率基本没有影响 临界氯离子浓度越大，钢筋开始锈蚀时刻越晚，则同一时刻普通钢筋和混凝土的面积损失率越小(4)混凝土表面氯离子浓度对钢筋开始锈蚀时刻的影响较大，其影响程度与钢筋锈蚀临界氯离子浓度相当，但其并不是混凝土保护层开裂时

19、刻和保护层完全剥落时刻的控制因素 混凝土表面氯离子浓度越大，钢筋开始锈蚀时刻越早，因此同一时刻普通钢筋和混凝土的面积损失率也越大(5)混凝土强度对钢筋开始锈蚀时刻没有影响，对混凝土截面开始削弱时刻和保护层完全剥落时刻影响很小 因此，同一时刻混凝土强度等级越大，普通钢筋和混凝土面积损失率就越小，但变化幅度都很小参考文献:1卢木 混凝土耐久性研究现状和研究方向J 工业建筑，1997，27(5):1 6 27 2西安建筑科技大学 混凝土结构耐久性评定标准S 北京:中国建筑工业出版社，2007 3田浩 给定寿命期内混凝土桥梁性能演变分析D 同济大学桥梁工程系，上海，2009 4田浩，李国平，陈艾荣 大

20、气环境混凝土桥梁耐久性参数敏感性分析J 桥梁建设，2009，4:24 27Parameter Sensitivity Analysis of Concrete BridgeDurability in Marine EnvironmentTIAN Hao1，XUAN Xin xiang2，CHEN Liang1(1 Zhejiang Scientific Research Institute of Communication，Hangzhou 310006，China;2 Zhuji Municipal Highway ManagementSection，Shaoxing 311800，Chin

21、a)Abstract:For the purpose of parameter sensitivity analysis of concrete bridge durability in marine environ-ment，computing formulas of three critical times and simulation method of section reduction in degradationprocess of concrete bridges exposed to marine environments were proposed first A prest

22、ressed concrete continu-ous bridge was illustrated as the numerical example，the effect degree of several design parameters，which arecover thickness，atmospheric temperature，corrosion critical chloride concentration，concrete chloride concentra-tion and concrete compressive strength on concrete bridge

23、durability，were analyzed with a program written by au-thor The results show that in the whole degradation process，cover thickness has significant effect on wholeprocess;corrosion critical chloride concentration and concrete chloride concentration have great effect on corro-sion initiation time;atmos

24、pheric temperature and concrete compressive strength have some effect on corrosionrate As a result，the concrete bridge durability in marine environment can be significantly improved by increas-ing the cover thickness or decreasing the concrete permeabilityKey words:marine environment;concrete bridge;durability;parameter sensitivity analysis;criticaltime;section reduction056