预应力桥梁结构耐久性与剩余寿命研究

张 亚 军

(长平高速公路建设管理处，山西 长治 046200)

预应力桥梁结构耐久性与剩余寿命研究

张 亚 军

(长平高速公路建设管理处，山西 长治 046200)

介绍了预应力桥梁耐久性极限状态的概念及分类，从混凝土碳化腐蚀、氯离子扩散侵蚀、钢筋锈蚀等方面，分析了影响桥梁耐久性的因素，并提出了桥梁寿命的预测方法，有利于我国桥梁建设水平的不断提高。

预应力桥梁，耐久性，极限状态，桥梁寿命

0 引言

随着混凝土的广泛运用，混凝土的耐久性就被人们不断的进行研究以及改革更新，以能够更好的使用混凝土，更好的为人们的正常生活进行服务，但是，由于自然条件、气候条件的影响，预应力桥梁也会受到一些损毁，而这些损毁无疑会减少预应力桥梁的使用寿命，因此，预应力桥梁的相关人员要对桥梁的耐久性进行研究，对桥梁的剩余寿命进行研究，这样就能够更好地掌握预应力桥梁的详细信息，以推动桥梁建设技术的不断提高。

1 预应力桥梁耐久性的极限状态分析

1)预应力桥梁耐久性极限状态的概念。能够保证桥梁的功能正常使用的极限状态的最大使用时间就是预应力桥梁耐久性的极限状态。如桥梁的开裂影响了桥梁的正常使用，破坏桥梁的耐久性，又如桥梁结构的开裂，使得桥梁出现了较大的振动以及其他的状态，也会大大的降低桥梁的耐久性。

2)预应力桥梁耐久性极限状态的分类。预应力桥梁总共有三种状态的耐久性极限值，其一是预应力桥梁的钢筋发生轻度锈蚀的极限状态，其二是预应力桥梁表面有损伤的极限状态，其三是预应力桥梁的钢筋发生严重锈蚀的极限状态，包括普通钢筋外观被锈蚀的情况下会出现耐久力下降的情况，以及预应力钢筋在加速锈蚀状态下的极限状态。

2 影响桥梁耐久性的因素

1)混凝土碳化腐蚀的影响。碳化反应初期会使混凝土材料的密实度和表面强度有所增加，但随着时间的增长，强度会逐渐减弱，反应消耗碱性材料，钢筋会因为失去碱性材料的保护出现失钝问题，对于高应力状态下的钢筋更为不利，碳化反应还会加剧混凝土的收缩变形，在钢筋锈胀的作用下出现开裂现象，钢筋和混凝土的粘结力降低，保护层剥落。

2)氯离子扩散侵蚀的影响。对于预应力桥梁来说，桥梁的氯离子扩散侵蚀主要是氯离子通过混入以及扩散的方式进入到了预应力桥梁的结构当中，氯离子的混入主要是通过混凝土的外添加剂、含有氯离子的水等方式进入到了预应力桥梁的结构当中，然后通过离子的扩散对钢筋的表面造成侵蚀。氯离子主要是通过破坏钢筋的钝化膜，进而使钢筋失去保护的作用，从而在混凝土的内部形成一个腐蚀的电池，这就是预应力桥梁钢筋形成局部腐蚀坑的主要原因，而且，因为极化的作用，钢筋的腐蚀不会造成本身数量的减少，但是会使得钢筋会不停的进行腐蚀，最后对预应力桥梁的使用寿命造成严重威胁。

3)钢筋锈蚀的影响。预应力桥梁所用的混凝土是一种碱性的材料，因此，当混凝土内部混有氯离子时，会改变混凝土内部的碱性环境，进而会对混凝土造成破坏，而混凝土对钢筋的保护作用也会遭到一定程度的损坏，钢筋的钝化膜由于氧化以及非电解溶液引发的具有化学形式的腐蚀后，其电化学的腐蚀较快，其腐蚀电流不仅会对钢筋的表面结构造成永久性的破坏，还会因为钢筋的应力现象进一步破坏钢筋的结构，加剧预应力桥梁的损坏。

4)预应力钢筋腐蚀的因素。钢筋的局部发生腐蚀，并且因为应力的作用而加大腐蚀的现象是预应力桥梁腐蚀的第一阶段；预应力桥梁由较小的裂纹在应力的作用下发展成为了微小的裂缝是预应力桥梁发生腐蚀的第二阶段；在应力的作用下，预应力桥梁的微小裂缝发展迅速，直至破坏了预应力桥梁钢筋材料的整体强度，此为钢筋腐蚀的第三阶段，即破坏阶段。

3 桥梁寿命的预测方法

1)模型的建立。要想计算出预应力桥梁的剩余寿命，首先就要建立一个模型，然后推导预应力结构受力后耐久性开裂的极限状态方程，已知的是，结构耐久性的使用性能往往与结构正常使用性能的保持时间有关系，我国公路的桥梁规范中规定只有在σh-σpc≤0的情况下，才能够使得预应力桥梁荷载长期的效应组合为σh-σpc≤0，在经过推理后，最终得到预应力结构受力后耐久性开裂的极限状态方程如式(1)所示。

(1)

2)耐久性寿命基准期内评估荷载的确定。车辆的荷载数据与车辆的总体重量、车辆之间的距离、轴重以及轴距有着很大的关联，因此，可以通过公路桥梁的实际运行状态来推出预应力桥梁的荷载能力，再通过模型中的车辆荷载的正态分布，就能够得到桥梁构件的自重以及桥面铺装与附属构件的总体重量，然后再通过公式KG=G/GK可以知道恒载变异的系数，最终可以知道恒载变异系数的概率模型为正态分布。

3)时变抗力概率模型的构建。在桥梁的服役期间内，桥梁的结构抗力是随着时间的衰减而不断变化的，在不同的时间轴对应点上，结构抗力的概率密度函数都不相同，在不同的环境以及腐蚀的条件下，桥梁的结构抗力也会随着时间的变化而发生巨大的改变，由于桥梁结构性能、计算模式以及几何参数都是桥梁耐久性抗力的重要因素，因此在对桥梁耐久性进行分析时，可以将桥梁结构的抗力作为基本的变量来考量，同时，也要对基本变量的时变规律进行考虑。

4)耐久性剩余寿命的求解。第一，确定结构的温度、湿度、几何尺寸、保护层厚度、可靠度指标β0等数据信息；第二，确定结构在役时间tu以及钢筋最开始生锈的时间t0；第三，假定桥梁的耐久寿命与设计基准周期相等，可以得出，桥梁剩余寿命为M=N-tu；第四，求解时间循环i时，应该对应极限方程(如式(1))来求解，求解时要考虑到碳化以及氯盐环境下Np的变化，并从耐久性安全寿命期所对应的剩余寿命与荷载标准的拟合曲线中得到ML；第五，在求解出可靠指标β时，判断其值是否大于β0，如果大于β0，则会带步骤三进行循环求解，如果小于β0，则记录此时的桥梁剩余寿命β0。

4 结语

综合全文的叙述，可以总结出以下结论，预应力混凝土桥梁是现阶段广泛应用的一种桥梁形式，但是由于该种桥梁很容易受到外界的侵蚀，所以，要对预应力混凝土桥梁的使用寿命进行研究，以能够更好的提升路桥的建设，进而增加我国的社会经济。本文主要是从三方面来对预应力桥梁结构耐久性与剩余寿命研究进行探讨的，首先对预应力桥梁耐久性的极限状态分析，包含预应力桥梁耐久性极限状态的概念、分类以及耐久性的设计；其次对影响桥梁耐久性的因素进行探讨，即混凝土碳化腐蚀的影响、氯离子扩散侵蚀的影响、钢筋锈蚀的影响以及预应力钢筋腐蚀的因素；最后对桥梁寿命的预测方法进行详细的分析，第一，先建立模型；第二，对桥梁的荷载能力进行调查；第三，建立时变抗力概率模型；第四，对桥梁耐久性的剩余寿命进行求解。

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On structural durability and remaining life of prestressed bridges

Zhang Yajun

(Changzhi-PingshunExpresswayConstructionandAdministrativeDivision,Changzhi046200,China)

The paper introduces the concept and classification for the limit state of prestressed bridge durability,analyzes the factors affecting the durability of the bridges from the concrete carbonization corrosion,diffusion erosion of chloridion,and reinforced corrosion,and points out the forecasting methods for the bridge life,so as to enhance the promotion of the bridge construction in China.

prestressed bridge,durability,limit state,bridge life

2015-10-15

张亚军(1980- )，男，硕士，工程师

1009-6825(2015)36-0168-02

U441.5 < class="emphasis_bold">文献标识码：A

A