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海潮影响区钢筋混凝土桥梁的耐久性研究

水金锋

  钢筋混凝土桥梁结构的耐久性问题已是当今世界普遍关注的问题。桥梁在长期营运过程中,由于受环境因素(腐蚀、温度、湿度变化)和使用条件的影响(荷载作用、材料与结构的疲劳),将发生材料老化与结构损伤,这种损伤的积累将导致桥梁结构使用性能劣化、承载力下降、耐久性能降低,以致影响到结构的安全性。特别是对处于沿海及近海地区的混凝土桥梁结构,由于海洋环境中氯离子对混凝土的侵蚀,导致钢筋锈蚀而使结构发生早期损坏,丧失了结构的耐久性能,已成为实际工程中的重要问题。本文结合研究项目“海潮影响区公路桥梁结构防腐技术与耐久性评估方法的研究”,主要完成了以下研究工作:1.进行了持续弯曲荷载作用下混凝土在氯化钠溶液中的长期潮汐循环试验,研究了混凝土在持续弯曲荷载作用下所处的应力状态对氯离子在混凝土中渗透扩散性能的影响。应力状态对氯离子在混凝土中的渗透扩散有一定的影响。拉应力加快了氯离子在混凝土中的扩散速度,增加了混凝土中的氯离子含量;而压应力降低了氯离子在混凝土中的扩散速度,减少了混凝土中的氯离子含量。基于Fick第二定律计算了弯曲荷载作用下的氯离子扩散系数和随时间变化的扩散系数。2.分析讨论了钢筋脱钝的氯离子临界浓度,基于既有钢筋混凝土桥梁结构的实测数据,以Fick第二扩散定律导出的氯离子扩散数学模型为基础,对氯离子浓度和氯离子扩散系数进行优化计算确定,建立了氯离子浓度预测的概率模型。另外,将氯离子临界浓度值视为因暴露区域而变的定值,混凝土保护层厚度和计算模式不确定性系数视为随机变量,以同一座桥梁一定区域内的混凝土表面氯离子浓度和氯离子扩散系数为一个确定的值,建立了氯离子环境下钢筋脱钝的时变概率模型。而且以一座实际的桥梁为例,计算了不同剩余使用年限时钢筋脱钝概率的预测值。3.分析讨论了混凝土碳化机理及其影响因素,并探讨了混凝土碳化深度的预测数学模型,基于既有钢筋混凝土桥梁的实测数据,对碳化系数和混凝土强度进行回归分析,建立了根据混凝土强度预测碳化深度的数学模型。将混凝土强度,保护层厚度,计算模式不确定性系数作为随机变量,以混凝土的碳化深度作为一个随时间变化的随机过程,建立了混凝土碳化到钢筋表面的时变概率随机模型,并以一座实际桥梁为例,给出了在不同使用年限时混凝土碳化到钢筋表面的预测值。4.根据钢筋混凝土桥梁桥梁结构的特点和耐久性综合评估的要求,将桥梁结构系统划分为整体结构、子结构及构件三个层次,并对其影响因素进行分析研究,建立了桥梁结构耐久性的逐级递阶、相互关联的有序多层次的模糊综合评估模型。其中各层次各因……