桥梁结构耐久性设计方法研究

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  摘要:随着社会的发展与进步,重视桥梁结构耐久性设计方法对于现实生活中具有重要的意义。本文主要介绍桥梁结构耐久性设计方法研究的有关内容。
  关键词桥梁;结构;工程;设计;耐久性;因素;理论;
  中图分类号:K928.78 文献标识码:A 文章编号:
  引言
  近年来,世界各国、特别是主要处于基础设施维护阶段的欧美等发达国家普遍发现,桥梁耐久性差、服务寿命短、全寿命经济性指标差等问题(与人们最初的设计和规划预期有很大差异)已经严重影响了其正常服务功能的发挥,并且给养护、维修等后期运营管理工作带来难以承受的巨大经济和社会负担。我国正处于橋梁等基础设施建设的高峰时期,大量的桥梁面临着如何保证其使用寿命及使用期间的安全、耐久及维护管理的经济性问题。因此,关于桥梁全寿命耐久性有关问题的研究有十分紧迫和现实的意义。
  一、桥梁结构耐久性设计的定义
   目前,结构耐久性研究是工程界的前沿课题,从材料、构件、结构三个层次展开了较多的研究,但大多数都集中在房屋建筑结构方面,对于桥梁结构的耐久性研究则相对较少,而桥梁结构从环境、受力特点、荷载特点等方面都与其他结构存在差异,桥梁工作者必须对桥梁耐久性进行具体研究。
   桥梁结构耐久性设计就是在桥梁设计中,对桥梁建设的材料质量、结构构造、结构计算、施工工艺和结构维护等每个环节全面地考虑耐久性影响因素,使结构在一定的环境中正常工作,在设计目标使用期内满足规范要求而不需要大修。
   总体说来桥梁结构耐久性设计分为耐久性材料设计、耐久性计算和验算、结构外观和构造措施三个部分:
   (1)耐久性材料设计就是基于材料耐久性退化机理,对桥梁建设中采用的材料提出质量和施工要求,比如高强混凝土、防渗混凝土、混凝土外加剂、防锈钢筋的设计和混合料的品质要求等。
   (2)耐久性设计和验算就是在现行规范的设计计算和验算中考虑耐久性影响系数η,η表示结构荷载、抗力随时间衰减变化的规律,是时间的函数。利用它在桥梁设计基准期内预测结构承载能力的变化规律,进而对桥梁整个寿命期的“健康状况”做到适时控制。
   (3)桥梁外观和构造措施是指桥梁设计要注意桥梁结构与自然地理环境条件相和谐和结构内部避免出现不利于桥梁耐久性的构造。外观包括:对于各种地形条件桥梁跨径的布置和结构形式的选择,人的生产生活与桥梁的相互影响,以及远期各种环境条件的变化与桥梁的相互影响等等;构造措施包括:桥梁结构构造应避免计算出现不利于耐久的内力、变形,在荷载作用下传力路径简洁明确、均匀平滑,杜绝应力应变集中和突变、局部集中裂缝等。
  二、目前耐久性研究存在的问题
   (1)只能取得某一因素影响下单一材料的破坏过程,但实际结构在运营过程中是多种因素共同作用的,多个因素的祸合作用不等同于单因素作用的简单叠加;仅通过研究单一因素影响下某一材料的破坏过程来解决混凝土结构的耐久性问题是困难的。此外,实验室研究只模拟了外界侵蚀对耐久性的影响,而没有考虑结构在实际工作中受力和运营状态的影响。因此,对快速试验的结果能否反映结构实际的退化过程还有疑问。
   (2)这些研究大多是从材料和统计分析的角度进行的,但对如何从结构和设计的角度去改善桥梁耐久性却很少有人研究。而大量的病害实例证明,除了施工和材料方面的原因,影响结构耐久性的决定性因素是来自构造上和体系上的缺陷。
   (3)现有的混凝土耐久性研究成果与结构的设计和施工控制以及结构剩余寿命评估等明显脱节,即材料层面的研究成果未能与结构层面的研究相结合,对实践中迫切需要解决的结构耐久性问题缺乏有效地指导。
   (4)大量的研究主要针对房屋建筑结构而专门对桥梁结构的耐久性进行研究的较少,而桥梁结构从运营环境、承受荷载及结构体系特性等方面都有其独特之处,需要进行专题研究。
   总之,现有的研究成果只能解决混凝土结构耐久性的局部问题,存在的不足就是需要进行努力的方向。笔者将主要研究考虑材料耐久性研究成果的桥梁耐久性设计方法问题。
  三、影响桥梁结构耐久性的因素
  3.1混凝土对结构耐久性的的影响
   (1)混凝土的碳化
   混凝土碳化速度与许多因素有关,最主要的是时间t,根据统计资料分析,室外环境下混凝土的碳化深度可按列经验公式确定:
   (2)化学侵蚀;
   (3)碱集料反应;
   碱集料反应引起的混凝土结构破坏程度,比其他破坏发展快,后果更严重,而且一旦发生很难控制,所以有时称碱集料反应是混凝土结构的“癌症”;
   (4)冻融循环;(5)温度变化的影响
  3.2钢筋腐蚀及对结构耐久性的影响
   钢筋腐蚀的首要条件是混凝土的碳化和脱钝,钢筋腐蚀伴有体积膨胀,钢筋截面积减少,结构承载力下降,变形和裂缝增大等一系列不良后果。钢筋腐蚀一般可分为三种:(1)电化学腐蚀;(2)化学腐蚀;(3)应力腐蚀。
  四、结构耐久性设计的理论和方法
  4.1环境指数评定法
  该法首先由日本土木工程师协会混凝土委员会于1987年提出,并已列入日本《混凝土结构物耐久性设计准则(试行)》稿中。该法对于混凝土结构物的耐久性探讨,是要求构件各部位的耐久指数Tp大于或等于环境指数Sp,即
  (1)
  这里环境指数Sp是根据结构物所处的环境条件和结构物不需维修年限所定义的指数;而耐久指数Tp是根据结构物的施工条件·使用材料及设计详图等内容,在设计阶段所计算的指数。从式(1)可以看出,这虽然是一个新的概念,却与安全性问题探讨时的思路相似,二者的比较如表1所示。
   表1 环境指数方法与安全性探讨方法的比较
  
  
  与安全性问题探讨时相似,对构件各部位的耐久性进行验算,意味着对耐久性可能较低的所有断面各部分进行验算。如果全部验算部位在耐久性方面都合格,那么就可以认为此结构物为耐久结构物。该《准则》中,对于耐久性问题的探讨是在结构物的设计阶段根据事先设定的材料及施工条件进行的。此时,如式(1)不能满足,就要在施工前对设计、材料及施工条件再进行修改。
  环境指数Sp由(2)式计算:
  (2)
  其中S0表示标准环境条件下的环境指数值,Sp表示盐分和冻融的影响,为恶劣环境下的环境指数增分值,Sp根据具体环境条件的不同,给了一个很大的范围,参见表2。
  表2 环境指数的增分值
  
  一般地,对于混凝土结构物,若要求它的不需维修年限为50年,则相应的Sp为100。这里所谓的“不需维修”,是指通过目视观测可以断定此结构物是耐久的,无需进行修缮或加固即可维持其工作性能。如果Sp为100会造成显著的不经济;或者即使取Sp在100以上,从综合性方面判断会变得更为经济时,则可以缩短或延长不需维修的年限。在标准环境条件下,如果取不维修年限为10一巧年,那么假定Sp为零左右。耐久指数几根据混凝土材料的质量、混凝土及补强材料的质量、设计裂缝、构件的形状、钢筋详图、设计图、混凝土工、钢筋工、模板、支撑及其它关于预应力混凝土工的补充事项、防护工等计算所得的指数。它是结构固有指标,一般计算公式为:
  (3)
  其中凡(I,J)是定量评价对结构有主要影响的耐久性要点,有专门的细目表格可查。
  作者认为,与其他的耐久性设计方法相比,该试行准则明确地提出了结构耐久性设计的概念,并将设计条件写成R全S的形式,与现行规范的设计表达式相协调。而且较全面的考虑了影响耐久性的各个因素,特别是考虑了结构构造以及施工人员素质的影响,直到今天这种思路仍非常值得借鉴。但该法在耐久性指数的选取上,人为性较大,不同的设计者可能给出差别很大的结果。从耐久性设计的类别来看,这种方法属于适用耐久性设计的范畴,它并不直接与构件的承载能力相联系。
  4.2基于随机动态可靠度方法的耐久性设计
  基于随机动态可靠度的耐久性设计方法是直接计算结构在不同时刻t的抗力效应与荷载效应两个随机过程,用蒙特卡罗法等方法求对应时刻功能函数的可靠度,从而求出混凝土结构的动态可靠度变化。从理论上讲,这种方法很适合混凝土结构的耐久性研究。从强度降低的计算、某一时刻抗力效应随机变量计算、该时刻功能函数可靠度计算到最终回归出动态可靠度函数,每个步骤都可使用计算机来实现。这种研究思路属于安全耐久性设计的范畴,与结构承载力极限状态相似。混凝土结构耐久性失效的功能随机过程为:
  (4)
  式中,R(t)为结构抗力随机过程,S(t)为结构荷载效应随机过程。该方法已经考虑了抗力和荷载的随机变化特性,但其中抗力衰减模型以及荷载分布规律等很多具体问题都还有待深入的研究。
  4.3基于使用寿命的确定性的耐久性设计方法与流程
  目前关于材料耐久性退化规律和理论的很多研究尚未完全成熟(碳化、氯离子侵蚀等),不少问题(例如混凝土的碱一骨料反应和冻融循环等)研究的还很不充分。尽管如此,从工程应用的角度,人们己经能够利用这些基础研究成果解决结构耐久性及寿命设计的一些实际问题。在现阶段要实现结构耐久性的定量化设计,以材料退化规律为基础的方法仍是唯一可能的选择。本文要讨论的基于使用寿命的耐久性设计方法也是以环境因素作用下的材料及构件性能退化为基础的。
  4.4基于使用寿命的耐久性设计方法思路
  在直接基于概率原理的耐久性设计方法中是通过对时变抗力及时变环境荷载的模拟来确定结构的耐久可靠度的。它虽然理论上可行,但由于部分问题尚处于研究阶段,且操作过程复杂,又与目前常用的属于“确定性”的设计方法(但隐含“可靠性”)在操作上有较大差别,不便于推广使用。因此,提出一种适用于桥梁耐久性的概念明确、计算简单的确定性设计方法就很有必要了。在使用多年的以半经验、半概率理论为基础的承载能力极限状态设计方法中是以材料安全系数来考虑材料性能及计算模式不确定性对于承载力计算结果的影响,由此计算得到的抗力具有相应的保证率,只是这个数值具体是多少难以确定。2004年颁布的以可靠度理论为基础的《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范(JTGD62一2004)》中,同樣使用了材料分项系数来考虑材料性能及计算模式上不确定性,不同之处在于通过大量数据的统计分析,得到了分项系数对应的可靠度。这两种方法在表达及计算过程上都属于确定性方法。借鉴这个思路,根据第一章的有关讨论,本文选择具有明确耐久性象征意义的使用寿命作为耐久性衡量及设计的目标参数,根据材料性能退化模型,它可以表示为材料及构件等参数的函数,通过计算而得到。为了反映使用寿命计算过程中不确定性及离散性因素的影响,可以构建一个类似于材料分项系数的参数来确保计算得到的使用寿命有足够的可靠性。本文将要讨论的耐久性设计方法,属于隐含可靠性及失效概率含义的“确定性设计方法”,其中的关键问题是如何确定使用寿命计算方程中的确定性参数。当这个问题解决后,耐久性的设计计算过程就可以按照与传统结构设计方法类似的方式进行。为更清楚认识二者的关系,可以将传统的基于承载能力极限状态的设计方法与基于使用寿命的耐久性设计方法的比较列于表3。
  表3承载能力极限状态设计与基于使用寿命的耐久性设计比较
  
  要得到结构使用寿命的分项系数,除了必须像确定材料分项系数那样有大量的基础性统计样本外,还需要理论研究的支持。国内目前很缺乏这方面的数据及研究,而一些欧洲国家在这方面进行了一些探索。例如,欧洲BILEM的TC13O一CSL委员会在其19%年的报告中认为,在混凝土结构耐久性设计中,可以将时间作为性能和承载功能的一个参数考虑,总荷载包括环境对结构的作用,如机械荷载与气候作用、阳光、温度变化、水分、污染物等;总性能包括承载力、密实性、裂缝及表面平整度等。该报告首次将统计理论引入实际耐久性设计,在部分安全系数方法中增加了寿命安全系数,将性能参数和耐久性参数在设计中有机地结合在一起,提出了基于使用寿命的耐久性设计方法。
  结束语
  桥梁结构耐久性问题涉及的内容较广,需探讨的问题层出不穷,新规范对于影响混凝土耐久性的问题(保护层厚度、构造钢筋设置、防水层设计等),没有作为耐久性设计的专门条款列出,而是分散在其他章节中。如何提高桥梁结构耐久性是我们每一个从事桥梁设计的工作人员需要考虑的。
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