服役期砼桥梁加固前后的可靠性论证.doc

1、服役期砼桥梁加固前后的可靠性论证摘 要：随着土木建设的大量兴起，服役桥梁已经成为社会的一笔巨大财富，在交通运输事业中有着非常重要的作用。文章就服役期砼桥梁加固前后的可靠性论证进行研究和分析，着重对 RC 桥梁的可靠性进行阐述。 关键词：服役期；砼桥梁；可靠性；RC 桥梁；加固 中图分类号：TU74 文献标识码：A 文章编号： 1 服役期砼桥梁可靠性的研究现状 1.1 RC 桥梁 RC 桥梁可靠度的研究比较早，目前对其的研究成果也比较丰富，其中表现最为突出的就是对材料性退化的可靠性研究。 1.1.1 抗力影响因素 （1）砼退化。其主要包括两个方面的问题：第一，砼中性化过程中，造成砼对钢筋的保护作

2、用逐步地被削减，其影响因素主要为氯离子的侵蚀以及碳化；第二，砼强度自身的时变性能，直接影响着结构抗力时变的规律。目前，砼碳化计算模型基本上都是遵循来进行的，其中 x是碳化深度，t 是时间，k 是碳化系数，基于 k 的计算方式不同，可把现有模型分为两种，即经验模型与理论模型，其中理论模型主要侧重于微观化学反应的相关原理，而经验模型则着重考虑的是对碳化造成影响的相关因素，并且结合结构具体服役环境的参数所建立的，这两种模型相对比较之下，经验模型公式更为简单和实用。 （2）钢筋腐蚀。钢筋腐蚀以后产生最直接的结果是其面积的损失，一般是以锈蚀钢筋截面的损失率来反映其受损的程度，同时这也是明确RC 桥梁构建

3、抗力的一个重要参数。影响钢筋锈蚀的原因有很多，如水灰比、掺合料、保护层厚度、氯离子浓度等。钢筋在发生锈蚀之前构件材料性能的退化是缓慢进行的一个过程，当钢筋表面钝化膜受到破坏以后，钢筋就会开始逐渐的侵蚀。钢筋侵蚀以后，其力学性能就会有所改变，其强度就会有所降低且延性也会变差。 1.1.2 抗力模型 （1）评估模型。抗力评估模型主要是针对目前时刻服役的状态，经过检测实际结构的几何尺寸以及材料的强度所获得随机样本，由于考虑到所检测参数存在变异性，把样本数据统计回归后，将其分布函数以及分布参数给出，继而修正抗力函数。在构建抗力评估模型的时候，需要对结构当前的时刻砼强度、锈蚀钢筋屈服强度的降低系数、锈蚀

4、钢筋砼协同工作系数以及钢筋截面锈蚀率进行实测或者分析。 （2）模型的预测。抗力预测模型也叫做时变抗力模型，其工作的机理为通过耐久性有关参数研究成果来构建相应的抗力模型，同时在构建抗力预测模型的时候也同样需要考虑钢筋的面积、钢筋砼协同工作的系数、砼的强度以及钢筋屈服强度等。 1.2PC 桥梁 对于 RC 桥梁而言，PC 桥梁可靠度研究要少的多，由于预应力钢束受到波纹管的保护，同时其保护层比较厚，导致其服役状况比较难获得。PC 桥梁可靠性的论证可以借鉴 RC 桥梁可靠性研究成果来进行，由于其有效预应力的获得比较难，同时其预应力钢束锈蚀还处于一种探索的阶段，使得 PC 桥梁结构抗力模型研究一直处于一

5、种停滞不前的状态。下面文章主要以 RC 桥梁加固前后的可靠性来进行阐述。 2 服役 RC 桥梁时变可靠度 2.1 服役 RC 桥梁材料性能的劣化计算模型 2.1.1 砼碳化模型以及对比分析 砼碳化模型从其建模的基础来进行划分的话，可以分为两种，即理论模型和经验模型，理论模型具有很强的理论基础，其优点在于各参数物理意义的明确，但同时其也存在着不足，即难以明确模型的参数，不可在实际计算中应用。而经验模型则是基于工程项目实际数据或者试验数据的拟合和回归所得到，相对于理论模型，经验模型的实用性更强一些。 目前获得认可的砼碳化模型主要为， 即承认了砼碳化深度和结构服役时间的平方根是成正比的，为了获得实桥

6、砼碳化的实际测量数据，文章主要对陕西境内某一高速公路上具有一定服役年限的四座桥梁实施了局部的微破损检测， 其技术参数与检测数据主要如表 1 和表 2 所示。 表 1 砼碳化深度检测桥梁的技术参数 表 2 砼碳化检测数据 2.1.2 锈蚀钢筋屈服强度的降低系数模型以及对比分析 该模型是基于截面修损率所建立的，其计算模型主要有以下几种：第一，为，其中代表的是锈蚀钢筋屈服强度的降低系数，是钢筋截面的修损率；第二，为；第三，为；第四，为；第五，为。将这几种模型进行比较，从中可以得出结论，即各个模型中的屈服强度降低系数会随着界面修损率的增大而降低。 2.1.3 服役 RC 桥梁时变抗力概率模型 由于构件

7、耐久性参数具有时变效应，在建立模型的时候，必须要考虑到这一点的内容，即该模型为，其中 R(t)是抗力随机过程，Kp 是计算模式不定性的随机变量，Rp（）是抗力计算函数，是第 i 根钢筋协同工作系数预测值。在该预测模型中，当 t 为 0 的时候，该模型就会转化为评估模型，通过上述模型来可以推断出不同截面形式自身的抗力预测概率模型。 2.2 程序的设计 服役 RC 桥梁构件的可靠度分析程序主要包括了三个方面的内容，即可靠指标求解模块、抗力时变预测模块以及荷载效应的计算模块等。在实际应用过程中，按照桥梁检测结果，结合有限元程序来分析并明确目标构件以后，通过该程序来分析服役桥梁构件的可靠度。其程序框架

8、图 如下图所示。 图一 程序框图 3 加固后 RC 桥梁的可靠度 桥梁结构构件在加固前后，其自身的抗力发生了一定的变化，在分析加固以后构件可靠度的时候，需综合考虑加固的类型以及加固的效率等，构建结构功能函数。对于具有一定龄期的旧砼桥而言，因其使用功能的改变、材料的老化以及在先前设计和施工过程中出现的人为差错等，在此时需要对其结构实施维修和加固。 3.1 桥梁加固的基本分析方法 在桥梁工程建设中，最为常用的加固方法为外贴片材和纤维布加固法，外贴片材加固法基于 RC 桥梁自身的恒载的作用，在原结构会产生相应的恒载初始应力，对于加固时状态而言，外贴片材并未分担第一阶段构件相应的应力，只有在进一步增加

9、荷载的时候，外贴片材才会参与受力，对此在受力上其存在着一定滞后应变，这种滞后应变被称之为“二次受力问题” 。纤维布加固和外贴片材的不同就在于前者的受力始终处于一种线弹性的工作状态，存在的初应变对加固以后的承载力大小会造成一定的影响。 纤维布加固构件的计算方式。纤维布加固是在受压构件的外侧或者构件的受拉区粘贴复合材料的一种方法，纤维布可对能量吸收、挠曲、拉伸、切剪和约束提供额外的增强能力，经过剪裁来适应形状的需求。因其质轻，所采用的复合材料很容易固定在结构体上，便于运输和装卸。此外该方法的优点就在于具有良好的耐腐蚀能力，不会增加结构的自重，在结构的不同部位都可施工，对于结构的使用所造成的影响比较

10、少等。 3.2 纤维布加固后 RC 桥梁构件的可靠性论证 加固后的构件抗力概率模型随机性，应该综合考虑现场测试以及抗力计算模式的不定性影响，其加固后的抗力概率模型如下，通过上式可以得到加固以后抗力统计参数，即，其中 R 是构件抗力随机变量，Rp（）是加固以后构件抗力函数，Kp 是抗力计算模式不定性的随机变量。 基于上面内容的阐述，文章就加固规范中加固以后的砼构件进行分析，根据可靠度相关的规范，选取其自身荷载与汽车荷载的组合，对其可靠度进行计算。因构件可靠度只和汽车荷载效应和恒载效应之间的比值 p 有关，本文将其比值 p 分别取为 2.5、0.1、0.5、1.5、0.5 和 1.0来进行讨论，并

11、且取恒载效应提高系数 2 为 11.2/0.1，汽车荷载效应提高系数 1 为 1.22/0.2，将这二者分别和比值 p 进行对比讨论，所得到的加固前后结构的活恒载效应比变化主要如表 3 所示。 表 3 加固前后结构的活恒载效应比变化 通过这些数据可以看出，加固以后的构件可靠指标要比可靠度规范标准略低，说明这和加固以后构件计算变异系数增大有关，当 1 和 2为 1.2 的时候，各构件指标最小，当 1 为 2，2 为 1 的时候，其可靠指标最大，则说明加固计算方法对于提级增幅比较大的构件，其安全设置水准比较大，这些内容均说明了汽车运行状态对于桥梁可靠度的影响是不能忽视的，不管是小跨径的桥梁，还是大

12、跨径桥梁，随着汽车荷载等级的升高，其安全度也会不断地增大，而在中等跨径桥梁 1 是 1.5的时候，其可靠指标最大。在此，笔者建议在加固这种类型桥梁的时候，汽车的荷载提高比例不可大于 50%。 4 结束语 综上所述，服役桥梁可靠性论证所涉及到的内容非常的广泛，在本文只是着重对 RC 桥梁加固前后的可靠性进行了论述，望能够对服役期砼桥梁结构可进行合理的评估。在未来桥梁工程研究过程中，还需加大对其可靠性的研究，以此确保桥梁使用寿命的延长。 参考文献： 1 闫磊.服役期砼桥梁加固前后的可靠度研究D.长安大学,2010. 2 徐冲.超载下既有桥梁加固后疲劳性能试验研究D.浙江大学,2011. 3 周鹍.既有钢筋混凝土桥梁时变可靠度研究D.广东工业大学,2011. 4 董伟伟.考虑碳排量和全寿命周期成本的服役梁桥维护优化决策D.浙江大学,2012. 5 彭可可,黄培彦,邓军等.在役钢筋混凝土拱桥时变可靠度分析J.中国铁道科学,2009,30(3):15-20. 6 袁明,刘建伟,颜东煌等.预应力混凝土连续箱梁桥设计的统计分析J.中外公路,2012,32(6):143-148.