1、I内容摘要近年来，随着交通事业的迅速发展，越来越多的跨海大桥在建或已建成通车，而钢筋混凝土结构的耐久性失效己逐渐成为困扰土建工程界的一个世界性问题，尤其是处于海洋或恶劣环境下，混凝土结构耐久性的问题更加突出。跨海大桥工程不仅耗资巨大，而且关系着国计民生，如果因为耐久性不足而成为“短命工程”，将对国家造成不可估量的损失。本文在分析影响混凝土桥梁耐久性各方面因素的基础上，相应提出了提高混凝土桥梁耐久性的不同措施，对推动我国混凝土桥梁的耐久性研究提供了理论基础。关键词耐久性；氯离子扩散；钢筋锈蚀；耐久性评估；时变可靠度II目录内容摘要I引言11绪论211跨海混凝土桥梁耐久性研究的意义212跨海混凝土
2、桥梁耐久性研究的主要内容52氯离子环境下钢筋锈蚀的研究1021氯离子环境下钢筋锈蚀机理1022钢筋锈蚀的主要特点1123影响跨海大桥混凝土中钢筋锈蚀的主要因素1224海洋环境下混凝土结构钢筋防锈措施143跨海大桥混凝土结构耐久性评估1631可靠度理论1632海洋环境下基于可靠度的混凝土结构耐久性评估224混凝土桥梁耐久性改善措施2941重视混凝土桥梁耐久性的设计2942在施工工程中重视桥梁的耐久性问题2943采用高性能混凝土3044加强混凝土养护及维修工作3045在钢筋表面涂刷防腐蚀涂层315案例分析3251杭州湾跨海大桥混结构耐久性研究与应用3252混凝土结构耐久性的两个基本问题及对策325
3、3案例分析小结376结论39参考文献40致谢411引言本文按照现场检测耐久性分析耐久性评估剩余使用寿命预测耐久性优化设计的思路对跨海大桥混凝土构件耐久性进行了研究，研究的主要内容如下1介绍了跨海大桥混凝土结构耐久性研究的重要意义、研究内容以及国内外研究现状。2在前人研究的基础上归纳总结了氯离子侵蚀作用下钢筋的锈蚀机理，对海洋环境下钢筋锈蚀的主要影响因素进行了分析，尤其对氯离子的侵蚀机理和渗透模型进行了重点研究，总结了海洋环境下钢筋锈蚀模型，并阐述了锈后钢筋的力学性能及其对承载力的影响，结合已有的钢筋防锈措施提出了海洋环境下混凝土结构钢筋防锈措施。3根据一般大气环境下混凝土结构耐久性评估准则提出
4、了海洋环境下混凝土结构耐久性评估准则，重点研究了蒙特卡罗方法在可靠度分析中的应用，提出了应用蒙特卡罗方法计算钢筋混凝土偏心受压短柱和钢筋混凝土受弯构件的抗力统计参数，重点分析了其各自的可靠度影响因素。21绪论11跨海混凝土桥梁耐久性研究的意义桥梁建设是国家重要的基础建设之一，桥梁工程是关系社会和经济协调发展的生命线工程。近十几年以来，随着我国交通事业的迅速发展，越来越多的跨海桥在建或已建成通车，例如杭州湾跨海大桥，东海大桥，广西杭州湾跨海大桥等，见图1114。表11国内已建和正在建设的跨海大桥耐久性情况桥名结构形式耐久性措施杭州湾大桥全长36公里，北通航孔为双塔双索面斜拉桥，跨径448米。南通
5、航孔为独塔斜拉桥跨径228米,半飘浮体系。中国第一座将结构耐久性设计作为独立章节纳入结构设计内容的桥梁。为使该桥在设计使用基准期内100年钢筋不锈蚀，采取了一系列措施，如控制裂缝宽度、加大混凝土保护层厚度、使用海工耐久混凝土等。东海大桥全长274公里，主通航孔为双塔单索面钢混叠合梁桥，主跨420米。在国内首次采用100年设计基准期。根据工程调研和环境条件分析，影响东海大桥混凝土结构耐久性的首要因素是CL的渗透，根据具体情况，东海大桥采取以高性能混凝土技术为核心的综合耐久性策略和方案。深圳湾大桥全长4770米，主跨为210米和180米不等跨独塔钢梁斜拉桥，是国家主干线直通香港的唯一高速公路通道。
6、设计寿命120年，所有混凝土抗氯离子渗透性1000C，水下钢筋为不锈钢和环氧钢筋。杭州湾跨海大桥全长2898米，刚构连续结构体系，是合山高速公路连接北海杭州湾跨海与合浦县山口镇的一座跨海特大桥，有“广西第一桥”之称。设计使用寿命100年，采取了一系列耐久性措施，如控制水灰比、限制裂缝宽度、使用钢筋阻锈剂以及混凝土表面涂敷保护层等。3混凝土是目前跨海桥梁工程建设的主导材料，在许多国家，混凝土结构都面临着耐久性不良的严重问题，尤其是处于海洋或恶劣环境下，混凝土结构耐久性的问题更加突出。由于跨海大桥处在海洋环境中，受到氯离子侵蚀、干湿作用、海浪冲击等复杂作用的影响，钢筋锈蚀情况比较严重。钢筋锈蚀是混
7、凝土结构耐久性失效的主要表现之一，钢筋锈蚀引起混凝土结构的过早破坏，已成为世界各国普遍关注的一大灾害，大量混凝土结构由于钢筋锈蚀导致耐久性失效，不得不维修或拆除，甚至发生倒塌，造成巨大的经济损失。图11杭州湾大桥图12杭州湾跨海大桥图13东海大桥图14深圳湾大桥4在美国，最普遍的耐久性破坏形式是混凝土桥梁、路面、停车场及海港结构中的钢筋锈蚀，每年总损失高达1260亿美元。铁路由于钢筋锈蚀每年维修费用约200亿美元，仅撒化冰盐引起的钢筋锈蚀每年造成的损失就达10亿美元。截至1980年，因钢筋锈蚀有50万座桥梁桥面板需要维修。在英国，根据运输部门1989年的报告英格兰和威尔士有75的钢筋混凝土桥梁
8、受到氯离子侵蚀，维护维修费用是原来造价的两倍，为解决海洋环境下钢筋混凝土结构锈蚀与防护问题，每年花费近20亿英镑。在日本，大约有214的钢筋混凝土结构损失是由于钢筋锈蚀引起的，著名的新干线使用不到10年，就出现大面积混凝土开裂、剥落等现象。前苏联有关统计资料表明仅厂房受钢筋锈蚀损坏的总额就占其固定资产的16，有些厂房的钢筋混凝土结构使用10年左右即严重破坏，经常需要维修，有些建筑维修费用已超过其原始造价。我国台湾重修澎湖大桥和不断发生的“海砂屋”事件，也是氯盐腐蚀钢筋所造成的。在我国大陆，近年来也日益暴露出因耐久性不足引起的混凝土结构破坏，如20世纪50年代初建的大坝，许多已成为陷入危境的“病
9、坝”。截至到1997年底，佛子岭、梅山、响洪甸三座老坝共亏损1亿多元。20世纪80年代原水电部水工混凝土耐久性调查组对全国32座大型混凝土坝进行了调查，结论为被查坝体全部存在裂缝。2001年河海大学对处于内陆河的江苏省淮阴闸工程调查，也发现明显的钢筋锈蚀引起的裂缝，并有发展趋势。交通部等有关单位分别于1963年、1965年、1980年、1996年，针对我国沿海港口工程混凝土结构破坏状况组织过四次调查，调查结果指出80以上都发生了严重或较严重的钢筋锈蚀破坏，出现锈蚀破坏的时间有的仅有510年。南京水科院对1980年建成的宁波北仑港10万吨矿石码头进行了调查，发现该码头使用不到10年，其上部结构就
10、发生了严重的锈蚀破坏。天津港客运码头1979年建成，使用不到10年，就发现前承台板有50左右出现锈蚀破坏。天津新港从1958年到1985年共建25个码头泊位，岸线长达6000M，其结构均为高桩承台式，使用时间长的有30多年，短则56年，在使用过程中不断发现梁、板、桩等构件有不同程度的损坏，影响码头的正常使用。1996年，交通部四航局科研所对1986年后建成的华南地区的C港和E港的20个泊位进行了调查，发现E港大部分纵、横钢筋的锈蚀年限均不足10年和5年，在码头建成56年后即发现大量锈蚀裂缝。2001年河海大学对某港西大堤钢筋混凝土护栏工程进行现场调查，该工程虽运行不足45年，但已出现严重钢筋锈
11、蚀、保护层开裂、混凝土剥落和钢筋锈断。江苏省水科所对华东84座沿海混凝土挡潮闸进行了调查，钢筋锈蚀严重需要维修或大修的为71座，其中有些挡潮闸胸墙、启闭机工作桥大梁钢筋已经锈断。开展对混凝土桥梁耐久性的研究，一方面能对已有的混凝土桥梁进行科学的耐久性评定和剩余寿命预测，以选择对其正确的处理方法；另一方面也可对新建工程项目进行耐久性设计与研究，提示影响桥梁生命全过程的主要因素。因此，它既有服务于现役结构的现实意义，又有指导待建桥梁进行耐久性设计的重要作用，同时，对于丰富和发展钢筋混凝土桥梁可靠度理论也具有一定的理论价值。12跨海混凝土桥梁耐久性研究的主要内容影响混凝土结构耐久性的因素分为内在因素
12、和外在因素两个方面。内在因素主要为混凝土结构保护层厚度、水灰比和密实度、水泥品种、标号和用量、外加剂类型、结构或构件的构造、混凝土和钢筋的应力大小、裂缝等。外部因素主要为气候、潮湿、高温、氯离子侵蚀、化学介质侵蚀、还有冻融、磨损破坏等。跨海大桥处于海洋环境下，属于强氯离子侵蚀环境，其研究内容与普通混凝土结构耐久性不同的是应重点突出氯离子侵蚀及其对钢筋锈蚀影响的研究。结合一般大气环境下混凝土结构耐久性研究内容，跨海大桥耐久性研究的主要内容用图15示出。121材料层次的耐久性研究材料的耐久性研究主要是从影响结构耐久性的因素入手，分析它们在单因素或多因素作用下的破坏机理，建立耐久性损伤的预报模型和经
13、验公式，实现由定性分析到定量分析的过程。从己有的文献来看，目前海洋环境下混凝土结构材料耐久性的研究主要集中在氯离子侵蚀和钢筋锈蚀等方面6图15跨海大桥耐久性研究的主要内容1211氯离子侵蚀氯离子侵蚀是引起沿海地区钢筋混凝土结构钢筋锈蚀的最主要原因。氯离子半径小，活性大，具有很强的穿透氧化膜的能力。当混凝土中含有氯离子时，氯离子就吸附在膜结构有缺陷的地方，如位错区或晶界区等，使难溶的氢氧化铁转变成易溶的氯化铁，致使钢筋表面的钝化膜局部破坏。钝化膜破坏后，露出的金属便是活化钝化原电池的阳极。由于活化区小，钝化区大，构成大阴极、小阳极的活化钝化电池，钢筋就产生坑蚀现象。由于坑蚀引起钢筋截面局部减小，
14、将造成应力集中，因而其对结构承载力的危害远大于钢筋的均匀锈蚀破坏。氯离子进入混凝土有两个来源一种是施工过程中通过细骨料、拌和用水和掺加的外加剂而掺入混凝土的氯离子，各国规范对这部分的氯离子含量都有严格限定。例如我国行业标准海港工程混凝土结构防腐蚀技术规范JTJ2752000规定，混凝土拌合物中氯离子的最高限值按水泥质量百分率计钢筋混凝土不超7过010，预应力混凝土不超过006。氯离子进入混凝土的另一种方式是外界使用环境中的氯离子通过渗透、扩散、毛细作用侵入混凝土。研究表明外界迁移进入混凝土中的氯离子只有极少量可被混凝土固化成难溶的化合物，大多数是以自由氯离子的状态存在，当氯盐重量达混凝土重量的
15、0102时就可能引起钢筋锈蚀。因此由外界进入的氯离子对混凝土的危害程度远远大于通过掺入进入混凝土内部的氯离子。1212钢筋锈蚀的研究从目前己经取研究已经取得了一些成果，但还没达到共识。2钢筋锈蚀影响因素的研究钢筋锈蚀受许多因素的影响，其中内部因素包括钢筋位置、钢筋直径、水泥品种、混凝土密实度、保护层厚度及完好性、混凝土的液相组成等；外部因素有温度、湿度、周围介质的腐蚀性、周期性的冷热交替作用等。我国的洪乃丰对钢筋锈蚀的测试方法、钢筋锈蚀与碱储量之间的关系做了大量的研究。不少学者研究过不同水泥品种对钢筋锈蚀的影响；研究过水泥成份对引起的钢筋锈蚀的影响。3钢筋锈蚀的测定方法我国普通混凝土长期性能和
16、耐久性试验方法GBJ8285规定了用于钢筋锈蚀试验研究的称重测量方法；用于现场检测非破碎测量方法多为电化学方法，如自然电位法、极化技术测量法和交流阻抗法；还可以通过破碎直接量取锈蚀深度或与按锈胀裂缝宽度推算值相结合的方法。目前，检测钢筋锈蚀状态的方法除了传统的破损检测方法之外，无损检测钢筋锈量是许多国家正在探求的新技术。4锈蚀钢筋的力学性能钢筋锈蚀后的力学性能，国内外己得的研究成果来看，钢筋锈蚀的研究主要集中在钢筋的锈蚀机理、钢筋锈蚀影响因素、钢筋的锈蚀速度、钢筋的锈蚀程度、钢筋的锈蚀防护、钢筋锈蚀量的预测及锈蚀后钢筋力学性能的研究。1钢筋锈蚀机理的研究混凝土中的钢筋锈蚀一般为电化学锈蚀。CE
17、B耐久混凝土结构设计指南中对钢筋锈蚀机理及其影响有详细阐述。混凝土中钢筋锈蚀机理的研究是认识混凝土锈蚀破坏规律的前提，是建立钢筋锈蚀模型的基础，也是研究混凝土耐久性评估方法的基础。国内外对钢筋锈蚀机理的有较多的研究，钢筋锈蚀将会引起钢筋性能的变化，主要体现在屈服强度、极限强度、极限延伸率方面。根据锈蚀钢筋8试验结果，提出锈蚀后钢筋屈服强度、极限强度降低，锈蚀严重时屈服平台缩短，甚至消失，并给出根据钢筋截面损失率推算锈蚀后钢筋屈服强度的表达式。122构件层次的耐久性研究在外界环境作用下，当材料性能劣化后，结构构件的承载力和适用性也随之降低，从而影响结构的安全和正常使用。因而，混凝土构件耐久性的研
18、究是混凝土结构耐久性研究的前提和基础。钢筋锈蚀引起混凝土保护层胀裂，锈胀裂缝产生后钢筋的锈蚀加速，大大影响钢筋混凝土构件的耐久性能。因此，钢筋锈蚀与混凝土胀裂及裂缝宽度的研究对钢筋混凝土构件耐久性研究有重要意义。构件的耐久性研究主要内容是混凝土强度的经时变化、钢筋的塑性性能变化、构件的截面变化、钢筋与混凝土协同工作性能的变化等对钢筋混凝土构件力学性能的影响。123结构层次的耐久性研究研究结构耐久性的目的主要在于解决新建结构的耐久性设计和己建结构的耐久性评估问题；同时，对于不同耐久性等级的混凝土结构，给出不同的构造措施，在保证结构可靠、耐久的前提下，使工程造价最低。混凝土结构耐久性的研究包括结构
19、耐久性设计、耐久性评定和寿命预测三个方面。1231耐久性设计耐久性设计是指在考虑影响结构耐久性的内外因素下，使新设计的结构可靠度在设计工作年限内不低于规范要求，也即无需花费大量资金维修与加固，在设计阶段就考虑耐久性的影响，无疑是保证结构具有足够耐久性的最有效方法。1989年欧洲出版的CEB耐久混凝土结构设计指南通过制定结构构造方面的措施，明确了耐久性设计的意义。1989年日本土木学会制定了混凝土结构耐久设计准则试行，要求构件各部位的耐久指数T大于或等于环境指数S，这种方法虽然简单实用，但与目前规范采用的以近似概率为基础的设计方法不协调，且取值主观性较大。我国的混凝土结构耐久性设计与施工指南也规
20、定对于重要的工程以及处于明显侵蚀环境下的各种结构工程，应该强制规定在结构设计中纳入耐久性设计的内容。1232结构耐久性评定结构的耐久性评定是通过现场采集到的大量特征参数，应用适合的分析方法，对当前的耐久状况进行等级评定，最终确定结构今后可靠性降低的情况。由于混凝土桥梁结构的耐久性是一个由相互关联、相互制约的众多因素构成的复杂系统，因此研究单一因素作用下的结构耐久性没有实际意义。9有关结构的耐久性评定，从己取得的成果来看，主要包括基于构件耐久性损伤加权的耐久性评定、基于人工神经网络理论的耐久性评定和基于可靠度的耐久性评定等。本文主要应用基于可靠度的耐久性评定方法对杭州湾跨海跨海特大桥进行耐久性评
21、定，并回归出评估模型，以便用于同类型桥梁的耐久性评估。1233结构寿命预测建筑结构与其它产品一样，都具有使用寿命，建筑结构的使用寿命可以分为自然寿命和无形寿命。建筑结构的自然寿命也称为结构的使用寿命或耐久年限，是指建筑结构在正常使用和正常维护条件下，仍然具有其预定使用功能的时间。结构的无形寿命是指建筑结构尚未达到其自然寿命之前，由于种种原因终止其原有使用功能的时间。海洋环境下混凝土结构使用寿命的预测主要包括氯离子侵蚀寿命预测、锈胀开裂寿命预测和结构承载力寿命预测三个部分。在对结构进行寿命预测时，关键是确定结构寿命终结的标准，也就是结构寿命的评估准则。由于不同国家、不同学者对结构寿命认识的角度不
22、同，就出现了不同的对结构寿命状态的界定。结构作为一个复杂系统，影响因素错综复杂，因而对寿命预测的研究有一定的难度。102氯离子环境下钢筋锈蚀的研究混凝土中水泥水化后在钢筋表面形成一层致密的钝化膜，故在一般情况下钢筋不会锈蚀，但钝化膜一旦遭到破坏，在有足够水和氧气的条件下会产生电化学腐蚀。由于钢筋锈蚀，一方面使钢筋有效截面积减小，另一方面，锈蚀产物体积膨胀使混凝土保护层胀裂甚至脱落，钢筋与混凝土粘结作用下降，破坏它们共同工作的基础，从而严重影响混凝土结构物的安全性和正常使用性能。本章主要从氯离子环境下钢筋锈蚀机理、影响因素以及预测模型等方面进行探讨。21氯离子环境下钢筋锈蚀机理混凝土孔隙中是碱度
23、很高的CAOH2饱和溶液，PH值在125左右，由于混凝土中还含有少量NA2O、K2O等盐分，实际PH值可超过13。牢固地吸附在钢筋表面，使钢筋处于钝化状态，即使在有水分和氧气地条件下钢筋也不会发生锈蚀，故称“钝化膜”。在海洋环境下混凝土中钢筋锈蚀的机理与一般大气环境下钢筋锈蚀的机理有所差异，一般大气环境下钢筋锈蚀主要是由混凝土中性化破坏钢筋表面的钝化膜所致；而海洋环境下主要是由于氯离子侵蚀引起的，许多调查表明，即使混凝土碳化深度较浅，在氯离子含量较高的情况下钢筋也容易遭受腐蚀。这是由于氯离子的半径小、活性大，穿透力非常强，当钢筋周围混凝土孔隙液中氯离子达到一定浓度时，氯离子吸附在膜结构有缺陷的
24、地方，如位错区或晶界区等，使难溶的氢氧化铁转变成易溶的FECL2，致使钢筋表面的钝化膜局部破坏，形成坑蚀现象。如果在钢筋表面分布比较均匀，这种坑蚀现象便会广泛地发生，点蚀坑扩大、合并，发生大面积地腐蚀。在钢筋锈蚀过程中氯离子仅起到催化作用，并不改变锈蚀产物的组成，氯离子在混凝土中的含量也不会因腐蚀反应而减少。由此可见，一旦氯离子的含量超过临界值，若不采取处理措施，腐蚀工程将会不断进行下去。氯离子导致的钢筋锈蚀是一个非常复杂的电化学过程，锈蚀过程见图21。1在阳极，铁失去电子变成铁离子，由于水溶性氯化铁的形成，钢筋表面钝化膜破坏。阳极反应如下2在阴极，电子、水、氧转化成氢氧根离子。阴极反应不引起
25、钢筋的任何损伤，反而起到保护钢筋的作用。阴极反应如下113氢氧根离子通过阴阳极之间所产生的带电区域向阳极方向传递带有负电荷的离子。在阳极附近向含氧量高的混凝土孔溶液中迁移，。根据周围条件，这些产物可能继续反应，生成最终的铁锈。图21氯离子侵蚀钢筋锈蚀图混凝土中的钢筋一旦发生锈蚀，在钢筋表面生成一层疏松的锈蚀产物，同时向周围混凝土孔隙中扩散。锈蚀产物体积比未腐蚀钢筋的体积要大得多，因锈蚀产物最终形式不同而异，一般可达钢筋腐蚀量的24倍。锈蚀产物的体积膨胀使钢筋外围混凝土产生环向拉应力，当环向拉应力达到混凝土抗拉强度时，在钢筋与混凝土界面处将出现内部径向裂缝，随着钢筋锈蚀的进一步加剧、钢筋锈蚀量的
26、增加，径向内裂缝向混凝土表面发展，直到混凝土保护层开裂产生顺筋方向的锈胀裂缝，甚至保护层脱落，严重影响钢筋混凝土结构的正常使用。22钢筋锈蚀的主要特点221混凝土顺筋开裂混凝土具有较好的抗压性能，但其抗折、抗裂性差，尤其钢筋表面混凝土缺乏足够的厚度时，钢筋锈蚀产物体积发生膨胀，足以使钢筋表面发生混凝土顺筋开裂。大量试验研究和工程实践表明，钢筋表面锈层厚度很薄时，便可导致混凝土顺筋开裂。换言之，钢筋锈蚀导致混凝土开裂是容易发生的。设计、施工、使用、管理及维护人员，认识到这一点十分重要。欲使混凝土不发生顺钢筋开裂，提高结构物的耐久性，其着眼点就是要最大限度地阻止钢筋生锈，而不应立足于12锈蚀发生后
27、再采取补救措施。混凝土一旦发生顺筋开裂，腐蚀介质更容易到达钢筋表面，钢筋锈蚀的速度将会大大加快。研究和工程实践表明，这时钢筋锈蚀的速度，有可能快于裸露于大气中的钢筋。这是由于裂缝处更易促成电化学腐蚀的发生和发展。由此引出两个重要观念一是要阻止钢筋生锈，二是钢筋锈蚀一旦发生或初见混凝土顺钢筋开裂时，就立即采取防护措施。这是被提高了的新认识，对于预防钢筋锈蚀破坏、提高结构物的耐久性具有重要指导意义，更具有巨大经济价值。222粘结力下降与丧失初见混凝土发生顺筋开裂时，结构物物理力学性能、承载能力等，可能还没有发生明显变化这是人们不重视初始顺钢筋开裂的重要原因之一。然而，随着裂缝的不断加宽，混凝土与钢
28、筋之间的粘结力也随之下降下降速度取决于钢筋锈蚀速度，滑移增大，构件变形。当“粘结力”丧失到一定程度时，局部或整体失效便会发生。这时的钢筋锈蚀程度也并不一定十分严重。那些对“粘结”敏感的构件，更具重要性。223钢筋断面损失混凝土中钢筋锈蚀，一般分为局部腐蚀如坑蚀和全面腐蚀均匀腐蚀，常常是局部腐蚀为主而造成钢筋断面损失，其损失率达到极限时，构件便会发生破坏。应该说明的是，从钢筋锈蚀、混凝土顺筋开裂到构件破坏，是一个复杂的演变过程，不仅取决于钢筋锈蚀的发展速度，也取决于构件的承载能力及钢筋的受力状态等。故有时钢筋锈蚀并不十分严重，构件就破坏了，而有时钢筋出现明显的断面损失，构件却还在支撑着。对于钢筋
29、断面损失与构件承载能力之间的关系，尚待进一步研究。23影响跨海大桥混凝土中钢筋锈蚀的主要因素231湿度的影响混凝土的水分越多，混凝土的导电性能越好，钢筋的电化学腐蚀越快。钢筋发生电化学反应的另一个必要条件是钢筋表面的水膜中必须有氧气。水中溶解的氧气越多，钢筋的腐蚀速度越快。232混凝土密实度和保护层厚度的影响在相同的环境下，混凝土越密实，保护层越厚，外界腐蚀介质、氧气和水分等渗入的速度就越慢，钢筋腐蚀的速度就越慢。233混凝土裂缝对钢筋锈蚀的影响13混凝土结构的裂缝与钢筋的腐蚀相互作用，可以加剧混凝土结构中钢筋的腐蚀破坏。一方面，混凝土结构的裂缝会增加混凝土的渗透性，加速混凝土的碳化和侵蚀性介
30、质的侵蚀，使钢筋的腐蚀加重；另一方面，钢筋的腐蚀膨胀又会造成混凝土的开裂，进一步加重钢筋的电化学腐蚀。234氯离子对钢筋锈蚀的影响氯离子进入混凝土有两个来源一种是在搅拌、浇注时掺入的，如加入氯化钙、氯化钠等氯化物速凝剂、早强剂及抗冻剂；用海水进行混凝土搅拌混料或用未经清洗或未经充分清洗的海捞砂作骨料时进入的海盐，这部分氯离子含量有严格限定（不超过水泥重量的1）。另一种是在凝结硬化后由外界通过扩散渗入的，例如氯离子可以直接由海水扩散进浪溅区、水位变动区、水下区的混凝土中，而漂浮在空气中的氯离子可以随台风等进入大气区或近海的混凝土中。研究表明外界迁移进入混凝土中的氯离子大多是以自由氯离子的状态存在
31、，当氯盐重量达到混凝土重量的0102时就可能引起钢筋锈蚀，其危害程度远远大于通过掺入进入混凝土内部的氯离子。氯离子通过混凝土内部的孔隙和裂缝体系从周围环境向混凝土内部传递，氯离子的传输过程是一个复杂的过程，涉及到许多机理，目前已经了解的氯离子侵入混凝土的方式主要有以下几种毛细管作用，即盐水向混凝土内部干燥的部分移动；渗透作用，即在水压力作用下，盐水向压力较低的方向移动；扩散作用，即由于浓度差的作用，氯离子从浓度高的地方向浓度低的地方移动；电化学迁移，即氯离子向电位较高的方向移动。通常氯离子的侵入是几种方式的组合，另外还受到氯离子与混凝土材料之间的化学结合、物理粘结、吸附等作用的影响。氯离子进入
32、混凝土后对钢筋锈蚀的主要作用为破坏钝化膜氯离子进入混凝土中并到达钢筋表面，当它吸附于局部钝化膜时，可使该处的PH值迅速下降，PH值可降低到4以下，破坏钢筋钝化膜。形成腐蚀电池氯离子对钢筋表面钝化膜的破坏首先发生在局部点，使这些部位点露出铁基体，与尚完好的钝化膜构成电位差，铁基体作为阳极而受腐蚀，大面积的钝化膜区为阴极。腐蚀电池的结果是钢筋表面开始发生点蚀坑蚀。阳极去极化作用钢筋阳极反应过程是2FE2FE24E,如果生成的FE2不能及时搬运走而14累积于阳极表面，则阳极反应由于FE2饱和而减慢停止。但由于与FE2反应生成FECL2，能消耗FE2，从而加速了阳极反应。不仅如此，FECL2是可溶的，
33、当它向混凝土内部扩散时遇到，立即反应生成FEOH2铁锈和。由此可见，进入混凝土中的只是起到了搬运作用，不被消耗，会周而复始的起破坏作用。的导电作用腐蚀电池的要素之一是要有离子通道。混凝土中的存在，强化了离子通道，降低了阴、阳极之间的电阻，提高了腐蚀电池的效率，从而加速了电化学腐蚀。24海洋环境下混凝土结构钢筋防锈措施海洋环境下防止钢筋锈蚀的措施主要针对氯离子侵蚀，可采取基本措施和补充措施两类。前者的主要目的是提高混凝土本身的性能，以增加对钢筋的防护能力，后者是在因环境侵蚀特别严重或因混凝土结构设计、施工不当，使基本防腐措施不足以保证时，增加的其他保护措施。241基本措施1控制原材料中氯化物的含
34、量除按照施工质量的要求选择合适的原材料，严格控制材料的氯化物含量和避免氯化物的污染是混凝土中氯离子不超标的前提条件，混凝土的原材料主要有水泥、水、砂、石子和外加剂等，因特殊需要在生产过程加入氯化物的水泥要严格控制氯离子含量，并对其使用范围有所限制。如在潮湿并含有氯离子环境中的钢筋混凝土，氯化物总含量不得超过水泥重量的01。2提高混凝土本身的密实性，加强对钢筋的防护能力正常情况下，优质钢筋混凝土结构具有长期抵制环境介质侵蚀的能力，因此，最大限度提高混凝土本身的密实性和保持对钢筋的防护能力，是预防混凝土中钢筋锈蚀的措施中最有效和经济的根本方法。提高混凝土本身密实性的主要方法有适当增加混凝土保护层的
35、厚度；改善混凝土结构，如选择优质原料，引入外加剂、合理施工、使用新型混凝土等。242补充措施1采用耐腐蚀钢筋耐腐蚀钢筋的主要品种有耐腐蚀低合金钢、包铜钢筋、镀锌钢筋。环氧涂层钢筋，目前应用较多的是环氧涂层钢筋，使用环氧涂层钢筋使钢筋成本增加1/31/5，施工工艺要求高，环氧涂层钢筋在装卸、运输和弯曲等过程中必须保证涂层完整，否则，即使在钢筋涂层上有一点小损坏，也会使该处发生钢筋“坑蚀”，15从而导致钢筋在该处加速腐蚀，腐蚀速率比普通钢筋要快。2应用钢筋阻锈剂钢筋阻锈剂加入混凝土中，通过单分子层的化学反应阻止或减缓钢筋腐蚀。阻锈剂能有效抑制混凝土内氯离子的活化作用，主要用于预防氯离子侵蚀引起的钢
36、筋锈蚀，使用方便，可均匀分布于混凝土保护层中，且费用相对较低，是一种经济有效的防护措施。3阴极保护阴极保护能直接抑制钢筋自身的电化学腐蚀过程，尤其适用于易受氯化物污染的混凝土中钢筋的保护，是目前保护混凝土中钢筋最有效且经济的方法之一。阴极保护可分为牺牲阳极保护法和外加电流阴极保护法。前者是采用比钢电位更负的铝合金等作为阳极与钢筋电连接，靠自身的腐蚀提供自由电子实现对钢筋的保护；后者则是以直流电源的负极与被保护的钢筋连接，正极与难溶性的辅助钢筋相接，提供保护电流使钢筋发生阴极极化而受到保护。外加电流阴极保护法的应用较广泛，发展迅速，近10年已应用于新的钢筋混凝土结构。4混凝土表面涂覆为防止水、氯
37、化物、氧气和二氧化碳等侵蚀介质渗入混凝土，以延缓钢筋锈蚀，对于修补过的混凝土或新浇注的混凝土结构，在混凝土表面涂覆各种保护层，作为混凝土第一道纺线，往往是一种比较简便、经济、有效的辅助性保护措施。163跨海大桥混凝土结构耐久性评估海洋环境下混凝土结构的耐久寿命可以表示为式中TC承载力决定的寿命,按可靠度方法计算；TD耐久性决定的寿命。对于承载力极限状态的要求，结构的可靠度用可靠指标表示,计算出锈蚀钢筋混凝土结构的可靠指标随时间下降曲线，按照规范容许可靠度指标的要求，可预测锈蚀钢筋混凝土结构的剩余寿命。但是对于正常使用极限状态的要求，尤其是耐久性的要求，用可靠度计算时涉及不确定因素及未知因素过多
38、。因此，关于结构正常使用的可靠度研究处于探索阶段，专门对于耐久性的可靠度研究则更少。本章主要从承载力耐久性方面，研究了海洋环境下基于可靠度的钢筋混凝土结构耐久性评估。31可靠度理论311基本概念1极限状态整个结构或结构的一部分超过某一特定状态，就不能满足预定的功能要求，此特定状态称之为极限状态。2功能函数结构功能函数是用来描述结构各种功能的，以受到的影响因素作为自变量的函数。简写成ZRS333极限状态方程结构功能函数的值可反映结构所处状况ZRS0结构处于可靠状态ZRS0结构处于失效状态ZRS0结构处于极限状态所以承载能力极限状态方程可写成17ZRS034式中S作用效应；R结构抗力。结构的抗力取
39、决于结构所用材料的强度和构件的几何尺寸，无论是钢筋或是混凝土的强度都是有变异的，构件的几何尺寸由于制造工艺和操作技术的因素也是随机变量，另外受外界环境的影响，如混凝土炭化和氯离子侵蚀导致的钢筋锈蚀，使结构抗力随时间降低，因此，结构抗力是随时间变化的，确切的表示应为RT，另外，结构荷载在时间和强度上是随机发生的，因此结构的可靠度模型可以表示为ZTRTST35式中T一结构使用时间；ST一荷载效应随机过程；RT一结构抗力随机过程；ST一极限状态随机过程。上式称为可靠度的全随机过程模型，又称为极限状态方程。极限状态可分为承载能力极限状态一弯曲破坏、剪切破坏、受拉破坏等；正常使用极限状态一裂缝、变形、振
40、动等。4结构的可靠概率与失效概率由于荷载效应S与结构抗力R都具有随机性，结构功能函数ZRS也具有随机性，是随机过程，其统计值都可以用概率分布曲线来表示，假定S与R都服从正态分布，那么ZRS也服从正态分布，如图31和图32所示。可靠状态和失效状态的大小用概率表示，前者称为可靠概率，也就是结构可靠度，后者称为失效概率。18可靠概率失效概率式中Z的概率密度函数为Z是Z的平均值；Z是Z的标准差。可靠概率与失效概率之和PSPF100令并作积分变换得结构可靠概率PS；结构失效概率PF。式中为标准正态分布函数。5结构可靠指标图33和图34中的阴影面积表示失效概率，由图可见Z相同时Z越大，阴影面积越小，Z相同
41、时Z值越大，阴影面积越大，因此可靠概率的大小可以用平均值Z和标准差Z同时来反映，不能只用其一。目前工程上常用可靠指标来表示结构的可靠度，引入随时间变化的表达式如下196可靠度与失效概率的关系由表31可以看出随着可靠指标的提高，失效概率减少，即可靠概率越大。7目标可靠指标为设计规范所规定的作为设计结构或构件时所应达到的可靠指标，称为设计可靠指标，它是根据设计所要求达到的结构可靠度而选定的，所以又称为目标可靠指标。公路桥梁结构构件的目标可靠指标规定值见表32。目标可靠度的确定从理论上应根据各种结构构件的重要性、破坏性质及失效后果等因素，并结合国家技术政策以优化方法分析确定。但实际上限于目前统计资料
42、还不够完备，并考虑到规范的现实继承性，采用“校准法”，并结合工程经验加以确定。所谓“校准法”就是根据各种变量的统计参数和概率分布类型，运用可靠度的计算方法，揭示以往规范隐含的可靠度，以此作为确定目标可靠指标的主要依据。这种方法在总体上承认了以往规范的设计经验和可靠度水平，同时也考虑了渊源于客观实际的调查统计分析资料，是比较现实和稳妥的。可靠度概念中的“规定时间”即设计基准期，是在进行结构可靠性分析时，考虑持久设计状况下各项基本变量与时间关系所采用的基准时间参数。设计基准期不能简单地理解为结构的使用寿命，两者有联系但不等同。当结构的使用年限超过设计基准期时，表明它的失效概率可能会增大，不能保证其
43、目标可靠指标，但不等于结构丧失所要求的功能甚至报废。根据我国公路桥梁的使用现状和以往的设计经验，我国公路桥梁结构的设计基准期统一取为100年。312可靠度计算的蒙特卡罗方法蒙特卡罗方法是一种采用统计抽样近似理论近似地求解数学问题或物理问题的方法，所以蒙特卡罗方法又称统计实验方法或随机模拟方法，是随着电子计算20机的发展而逐步发展起来的一种独特的数值方法。用蒙特卡罗方法解决问题的基本思想是首先建立与描述问题有相似性的概率模型，并利用这种相似性把这个概率模型的某些特征（如随机变量的均值、方差等）与数学计算问题的解答联系起来，然后对模型进行随机模拟或统计抽样，最终利用所得结果求出这些特征的统计估计值
44、作为原来的数学计算问题的近似解。就结构可靠度分析（失效概率的计算）而言，用蒙特卡罗方法来研究事件的随机性是非常自然的。蒙特卡罗方法就是以最简单的方法，随机地对每一个随机变量XI进行抽样以得出一个样本值XI，然后对是否出现功能函数GXI0进行检查，如果超过了极限状态，则认为结构或构件已经“失效”了。用蒙特卡罗方法求解结构可靠度指标的步骤如下1利用随机抽样以获得每一个变量的样本值X1,X2,XN，如图31所示。2根据上述的抽样值，计算功能函数式的值ZZGX1,X2,XN3设进行了N次这样的试验（抽样），求出N次试验得到的Z的平均值Z和标准差Z，那么结构可靠度指标可用下式近似计算蒙特卡罗方法研究可靠
45、度的优点是，回避了结构可靠度分析中的数学困难，不需要考虑极限状态曲面的复杂性；缺点是计算量大。因此实际应用当中必须选择一项合适的、经济可靠的模拟技术或抽样策略，并能够确定合理的抽样数量。结构可靠度分析的蒙特卡罗方法正逐步为广大的工程技术人员所接受，并成为结构可靠度分析和设计的一个重要组成部分。313桥梁结构抗力模型和荷载模型3131抗力模型现行的工程结构可靠度设计标准不考虑结构抗力随时间的变化，而抗力衰减是锈蚀钢筋混凝土结构性能劣化的必然结果。影响结构抗力的因素很多，包括环境侵蚀、材料劣化、截面尺寸、加载龄期以及加载速度等，在做抗力统计分析之前，须先确定构件材料性能的不确定性、构件几何参数的不
46、确定性和构件计算模式的不确定性三个因素的统计参数。1构件材料性能的不确定性主要是指由于材料品质以及制作工艺、受荷状况、外形尺寸、环境条件等因素一起的构件中材料性能的变异性，用随机变量KM表示。在结构工程中，各种材料性能的标准值是根据标准试件和标准试验方法确21定的，由于标准试件本身的材料性能具有不确定性，且它与真实材料之间也有不确定因素，因此，对于构件材料性能的不确定性，不仅要考虑标准试件性能的变异，还要进一步考虑实际构件材料性能和标准试件材料性能的差异、构件实际工作条件与标准试验条件的差异产生的不确定性等。表33和表34分别给出了钢筋和混凝土两种材料性能不确定性统计参数。2构件几何参数的不确
47、定性主要是指制作尺寸偏差和安装误差等引起的结构构件几何参数的变异性，用随机变量KA表示。构件几何参数的统计参数，可根据正常情况下结构构件几何尺寸的实测数据，经统计分析而获得。表35给出了部分几何参数不确定性AK的统计分析结果。3构件计算模式的不确定性主要是指抗力计算过程中采用的基本假设和计算公式的不确定性引起的变异性，用随机变量KP表示。表36给出了五种桥梁基本构件的KP统计结果。通过对上述不确定性因素的综合分析，钢筋混凝土构件抗力统计参数汇总表见表37，总的说来，表37中的抗力统计参数基本反映了目前我国桥梁工程各类构件的实际状况，用其进行可靠度分析所得的可靠度指标也能与工程经验相吻合。313
48、2荷载模型车辆荷载以多个参数车重或轴重、车间距、轴距影响着产生于桥梁结构中的效应，直接引入桥梁可靠度分析有较大困难，为此，可通过不同桥型、各种跨22径的大量计算求得具有控制作用的各类荷载效应。为使统计结果适用于各类桥型和各种跨径，取与现行规范规定的标准荷载效应值的比值做效应的统计分析，即以无量纲参数KSQSQ/SQK为统计分析对象，其中SQ为实测车辆荷载计算的效应值，SQK为现行规范规定的标准车辆计算的效应值。一般运行状态时汽车荷载标准采用汽车20级，密集运行状态时汽车荷载标准采用汽车超20级，其统计分析结果见表38。32海洋环境下基于可靠度的混凝土结构耐久性评估结构耐久性是指结构在正常设计、
49、正常施工、正常使用和正常维护条件下，在规定的时间内，虽然结构构件性能随时间劣化，但仍能满足预定功能的能力。结构耐久性评估是指对现有的混凝土结构，通过适当的方法评价其现有的可靠性，预测该结构今后可靠性降低情况，最终预测该结构的使用寿命。海洋环境下混凝土结构的耐久性失效原则一般采用承载力寿命原则，承载力寿命原则是考虑钢筋锈蚀等引起的抗力退化，以构件的承载力降低到某一界限值作为耐久性失效的极限状态，从可靠度理论分析可以描述为对表征承载力极限状态的功能函数ZT，当可靠指标下降到某一水平时，称为该极限状态耐久性失效。321海洋环境下混凝土结构耐久性寿命评估准则结构的使用寿命或耐久年限的定义为结构在正常使用和正常维护条件下，仍然具有其预定使用功能的时间。海洋环境下影响钢筋混凝土结构耐久性的主要因素之一是混凝土中的钢筋锈蚀，由于人们目前尚不能较好地把握混凝土中钢筋锈蚀的全过程，致使在混凝土结构耐久性极限状态的确定上未能达成共识。322钢筋混凝土偏心受压短柱的时变可靠度分析3221偏心受压短柱时变可靠度分析偏心受压柱是混凝土结构的主要构件之一，在钢筋混凝土结构的可靠度分析中，偏心受压柱一直是人们感兴趣的研究内容，对混凝土偏心受压柱进行可靠度分析的难点在于柱所受的轴力和弯矩的相互作用，这种作
