海洋环境下预应力混凝土箱梁寿命分析

冯滔滔，余红发，曾祥超，卢剑雄

(南京航空航天大学 航空宇航学院，江苏 南京 210016)

海洋环境下预应力混凝土箱梁寿命分析

冯滔滔，余红发，曾祥超，卢剑雄

(南京航空航天大学 航空宇航学院，江苏 南京 210016)

海洋环境下预应力混凝土箱梁，受到大气盐雾中氯盐等有害物质的侵蚀作用，导致箱梁中的钢筋出现锈蚀现象，严重影响混凝土结构的耐久性能，从而混凝土箱梁难以达到100年的设计寿命要求。基于可靠度理论，分别对混凝土箱梁悬臂板、斜腹板中钢筋以及底板主筋的服役寿命进行预测。结果表明：海洋大气环境中预应力混凝土箱梁、悬臂板与斜腹板在短期内就会发生锈蚀，箱梁底板主筋的锈蚀时间相对较长，但是仍然无法达到100年的设计寿命要求。因此，必须对箱梁施加一定的防腐措施。

海洋环境；预应力混凝土箱梁；服役寿命；可靠度；粉煤灰

随着施工技术的发展与科学研究的不断深入，跨海大桥等混凝土建筑日益增多。实际工程中，由于大气环境中存在大量海洋盐雾，箱梁长期受到大气盐雾中氯盐等有害物质的侵蚀作用，我们不得不面对因盐雾侵蚀而造成的耐久性下降等问题，混凝土桥梁往往在几年之内就出现钢筋锈蚀、混凝土保护层剥落等各类耐久性问题，造成严重的经济损失以及资源浪费现象。美国洲际公路网中大约有五十六万座桥梁，其中有九万座处于严重失效状态，政府在1978年投入63亿美元用于桥梁修复，而主要原因就是由于钢筋锈蚀而导致桥面板破坏[1]；挪威Ullasunder桥在服役25年后，由于受到严重腐蚀，最后不得不拆除重建[2]；日本海沿岸，许多桥梁在建成10年内就发生因钢筋锈蚀而引起的破坏[3]。我国《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》(JTG D62-2004)[4]规定的桥梁设计基准期为100年，为了保证100年甚至120年的设计寿命要求，海洋环境下预应力混凝土箱梁寿命分析显得尤为重要。

我国近年来建造的杭州湾跨海大桥、青岛海湾大桥、港珠澳大桥等大型工程在世界上取得了瞩目的成就[5-7]，但是这些跨海大桥在100年服役期的可靠度计算未见文献报道。近年来，学术界开始提出、发展了基于可靠度理论体系的分析方法，有效地推动了混凝土桥梁的安全性评估工作。基于可靠度理论和修正氯离子扩散理论模型，对预应力混凝土箱梁悬臂板、斜腹板以及底板中钢筋在5%和10%起锈概率情况下的服役寿命进行了分析计算，详细研究了我国海洋大桥常见预应力混凝土桥梁服役寿命的可靠度分析结果，对于桥梁寿命预测以及实现100年的设计寿命要求有着重要的意义。

1 计算参数

1.1混凝土材料

选用文献[8]的实验数据，采用4组不同配合比的高性能混凝土。水泥用矿物掺合料等量替代，F0、F20分别表示粉煤灰掺量为0%和20%的普通混凝土和高性能混凝土，S30、S60分别表示矿渣掺量为30%与60%的高性能混凝土，混凝土标准养护28 d抗压强度如表1所示。

表1 混凝土标准养护28 d的抗压强度[8]Tab. 1 Compressive strength of concrete in standard curing 28 d[8]

1.2计算数据

1.2.1 自由氯离子扩散系数Da

自由氯离子扩散系数表明氯离子侵入混凝土的程度，混凝土养护后，将其暴露于已准备好的人工海水中，人工海水配合比按照美国ASTM D1141-2003的规定配制，暴露时间分别是7 d、14 d、28 d、56 d、90 d、180 d、365 d、730 d和1 095 d。得到海水浸泡条件下各混凝土在不同暴露时间的自由氯离子扩散系数，具体见表2所示[9]。

表2 不同混凝土在海水暴露条件下的自由氯离子扩散系数Tab. 2 Daof different concretes exposed to marine environment

1.2.2 时间依赖指数m

Thomas等[10]对混凝土的自由氯离子扩散系数与暴露时间之间的关系进行了研究分析，结果表明：随着暴露时间的增长，自由氯离子扩散系数呈幂指数衰减，计算公式：

式中：D0为暴露时间为t0=28 d时混凝土的自由氯离子扩散系数；Da为暴露时间为t时混凝土的自由氯离子扩散系数；m为时间依赖性指数，决定了氯离子扩散的衰减速率。

式(1)经过数学计算转化为式(2)，可以进行混凝土在不同暴露时间的Da数据处理：

式中：A为回归系数，即可得出时间依赖性指数m。混凝土的氯离子扩散系数及其时间依赖性指数与结合能力R如表3所示[9]。

表3 混凝土的时间依赖性指数与结合能力Tab. 3 Analysis parameters of concrete

1.2.3 表面自由氯离子含量的时间依赖性参数k

对于实际混凝土结构中氯离子的扩散，通常采用余红发[11]提出的基于时间相关边界条件的修正氯离子扩散理论模型，本文所采用的各混凝土表面自由氯离子含量符合以下幂函数关系：

式中：k为表面自由氯离子含量的时间依赖性参数。混凝土的修正氯离子扩散理论模型[11]：

(4)

为了计算混凝土表面自由氯离子含量的时间依赖性参数，采用挪威Brent海洋平台[12]为类比环境，根据该工程服役20年的实测数据，并结合课题组实验室海水暴露3 a的氯离子扩散系数Da与时间依赖性参数m值，即可计算出箱梁在实际海洋大气环境中，F0、F20、S30和S60混凝土的表面自由氯离子含量的时间依赖性参数k值，具体数据如表4所示。

表4 试验混凝土在实际海洋大气区桥梁结构中的表面自由氯离子含量cs的时间依赖性参数Tab. 4 m and k of bridge structure in the marine condition

1.2.4 模型计算参数

结构形式及结构尺寸：主梁采用单箱三室截面，梁高1.8 m。标准断面顶板厚度22 cm，底板厚度20 cm。支点处腹板厚度70 cm，跨中处腹板厚40 cm。上部结构一般构造图如图1所示，其中，单位为mm。

图1 上部结构构造图Fig. 1 Constructional drawing of superstructure

图2为箱梁横断面配筋图。悬臂板与斜腹板选用Φ12钢筋，保护层厚度25 mm；箱梁底板：第一排主筋选用Φ25钢筋，净保护层厚度为52.5 mm；第二排主筋选用Φ12钢筋，与第一排主筋的间距为110 mm，净保护层厚度为169 mm。图3、4为预应力钢束配筋图。分为N1 、N2 、N3三类。N1顶板钢束12根/束，共8束；N2，N3底板钢筋17根/束，共8束。

图2 箱梁局部横断面配筋图Fig. 2 Reinforcement drawing of cross section

图3 箱梁立面局部预应力筋配筋图Fig. 3 Prestressed reinforcement drawing of facade

图4 箱梁横截面预应力筋配筋位置Fig. 4 Position of prestressed reinforcement

有关研究[13-17]表明，混凝土的有关氯离子扩散参数一般符合正态分布。计算时，表面自由氯离子含量的时间依赖性参数k、初始自由氯离子含量c0、临界自由氯离子含量ccr和基准自由氯离子扩散系数D0的变异系数为20%，混凝土保护层厚度x0和混凝土的氯离子结合能力R的变异系数为15%。氯离子扩散系数的时间依赖性指数m的标准差σm=0.1。由于采用现场的工程数据，因此，扩散系数的劣化效应系数K为常量，并且K=1。海洋大气环境下预应力混凝土箱梁钢筋锈蚀分析参数如表5所示。

表5 海洋大气环境下预应力混凝土箱梁钢筋锈蚀分析参数Tab. 5 Analysis parameters of prestressed concrete box girder

2 海洋环境下箱梁结构的钢筋锈蚀时间预测

2.1基于可靠度理论的计算方法

基于可靠度理论的海洋环境下预应力混凝土箱梁的寿命计算，以钢筋表面的自由氯离子含量达到临界氯离子含量的时间，即钢筋起锈时间为依据。在对混凝土结构的钢筋起锈时间进行可靠度分析时，建立功能函数：

式中：ccr是钢筋锈蚀的临界氯离子含量；cf为钢筋表面(混凝土保护层厚度x0)的自由氯离子含量。

当混凝土内部钢筋表面(混凝土保护层厚度x0)的自由氯离子含量(cf)达到临界氯离子含量(即ccr≤cf)时，混凝土中钢筋锈蚀概率：

式中：β为可靠度指标。

2.2预应力混凝土箱梁悬臂板与斜腹板的钢筋起锈时间

图5为海洋大气环境中预应力混凝土箱梁悬臂板与斜腹板的钢筋锈蚀概率与可靠度计算结果。由图可知，在各混凝土中，随着服役时间的延长，预应力混凝土箱梁悬臂板与斜腹板的钢筋锈蚀概率逐渐增大，可靠度指标逐渐降低。此外，在钢筋锈蚀概率分别为5%与10%情况下，F0、F20、S30和S60钢筋起锈时的服役时间均小于5年，远远达不到100年的设计寿命要求，净保护层厚度为25 mm时不足以保护钢筋，因此，对预应力混凝土箱梁的悬臂板与斜腹板必须施加一定的附加防护措施。

图5 海洋大气环境预应力混凝土箱梁悬臂板与斜腹板的钢筋锈蚀概率与可靠度计算结果Fig. 5 Corrosion probability and reliability of cantilever slab and inclined web

2.3预应力混凝土箱梁梁底第一排主筋的起锈时间

图6为海洋大气环境中预应力混凝土箱梁底板第一排主筋锈蚀概率与可靠度计算结果。由图可知，随着服役时间的延长，混凝土箱梁底板第一排主筋锈蚀概率逐渐增大，可靠度指标逐渐降低。在5%的锈蚀概率条件下，F0、F20、S30和S60混凝土的服役时间分别为14、17、55和64 a；在10%的锈蚀概率条件下，F0、F20、S30和S60的服役时间分别为19、25、90和86 a。均小于100 a。底板第一排主筋在100年之内会发生锈蚀，无法达到100年的设计寿命要求，表明箱梁底板净保护层厚度为52.5 mm时不足以保护钢筋。因此，对混凝土箱梁的底板必须施加一定的附加防护措施。

通过对比不同混凝土之间的钢筋起锈概率与可靠度指标，可看出，海洋环境下预应力混凝土箱梁，F0、F20、S30及S60混凝土的防锈效果依次增强，S60混凝土耐久性最好。另外锈蚀概率为5%时，S30、S60混凝土底板主筋起锈时的服役时间均可达到50年；锈蚀概率为10%时，S30、S60混凝土底板主筋起锈时的服役时间接近90年。可见，掺加矿渣比掺加粉煤灰防锈效果好，其原因在于磨细矿渣的火山灰反应程度高于粉煤灰的反应程度，导致形成更密实的低C/S比C-S-H凝胶，进而导致掺加矿渣的混凝土氯离子扩散系数更低。

图6 海洋大气环境混凝土箱梁底板第一排主筋的锈蚀概率与可靠度计算结果Fig. 6 Corrosion probability and reliability of main reinforcement of the first rank

2.4预应力混凝土箱梁底板第二排主筋的起锈时间

图7为海洋大气环境中预应力混凝土箱梁底板第二排主筋锈蚀概率与可靠度计算结果。由图可知，在F0、F20、S30和S60混凝土中，箱梁底板的第二排主筋在100～200年的锈蚀概率约为10-5，表明主筋在100年之内不会发生锈蚀，可以达到100年的设计寿命要求。因此，对于箱梁底板第二排主筋，不需要施加耐久性附加措施。

图7 海洋大气环境预应力混凝土箱梁底板第二排主筋的锈蚀概率与可靠度计算结果Fig. 7 Corrosion probability and reliability of main reinforcement of the second rank

3 结 语

1)海洋大气环境中预应力混凝土箱梁的耐久性主要取决于悬臂板与斜腹板的钢筋，以及底板第一排主筋的锈蚀作用，箱梁底板第二排主筋保护层较厚，钢筋基本不会发生锈蚀现象，可不考虑其耐久性问题；

2)海洋大气环境中，若预应力混凝土箱梁不采用高性能混凝土和其他任何附加防护措施，则其耐久性较差，不可能满足100年，甚至50年的使用寿命要求；

3)海洋大气环境中，不同配合比的预应力混凝土箱梁，其耐久性差异较大，掺加粉煤灰或矿渣可延长混凝土箱梁的服役寿命，且掺加矿渣比掺加粉煤灰防锈效果好，F0、F20、S30及S60混凝土的防锈效果依次增强，总体上S60混凝土效果最好。

[1] 许超.混凝土结构耐久性寿命预测及可靠度分析研究[D].合肥：合肥工业大学，2007:35. (XU Chao. Durability life prediction of concrete structures and reliability analysis and study[D]. Hefei:Hefei University of Technology,2007:35.(in Chinese))

[2] GJøRV O E. Durability design of concrete structures in the severe environments[M]. Taylor & Francis Croup, 2009:123-126.

[3] 徐洁，李少龙，张少华，等. 海洋大气区预应力混凝土结构氯离子侵蚀模型分析[J].混凝土，2014(12):7-10. (XU Jie, LI Shaolong, ZHANG Shaohua, et al. Analysis of chloride erosion model for pre-concrete structures in marine atmosphere zone[J].Concrete,2014(12):7-10.(in Chinese))

[4] JTG D62-2004,公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范[S].北京：中华人民共和国交通部，2005. (JTG D62-2004,Specification for design of reinforced concrete and prestressed concrete highway bridges and culverts[S].Beijing:Ministry of Communications of the People's Republic of China,2005.(in Chinese))

[5] 马建，孙守增，杨琦，等. 中国桥梁工程学术研究综述[J].中国公路学报，2014(5)：5-100. (MA Jian, SUN Shouzeng, YANG Qi, et al. Review on China’s bridge engineering research[J].China Journal of Highway and Transport,2014(5)：5-100.(in Chinese))

[6] 张波，王晓乾，董彩常，等. 青岛海洋大气中桥梁结构钢的腐蚀模型对比研究[J].公路交通科技，2013，30(1)：69-73. (ZHANG Bo, WANG Xiaoqian, DONG Caichang, et al. Comparison of corrosion models of bridges structural steel in Qingdao marine atmosphere[J].Journal of Highway and Transportation Research and Development,2013,30(1):69-73.(in Chinese))

[7] 王胜年，苏权科，范志宏，等. 港珠澳大桥混凝土结构耐久性设计原则与方法[J].土木工程学报，2014，47(6)：1-8. (WANG Shengnian, SU Quanke, FAN Zhihong, et al. Durability design principle and method for concrete structures in Hong Kong-Zhuai-Macau sea link project[J].China Civil Engineering Journal,2014,47(6)：1-8.(in Chinese))

[8] 胡蝶. 海水环境下混凝土氯离子扩散参数的规律性研究[D].南京: 南京航空航天大学，2009. (HU Die.Research on chloride diffusion parameters of concrete exposed to marine environment[D]. Nanjing: Nanjing University of Aeronautics and Astronautics,2009.(in Chinese))[9] 卢剑雄.基于海洋环境的预应力混凝土箱梁耐久性设计与长寿命措施分析[D].南京: 南京航空航天大学，2015:37. (LU Jianxiong. Durability design and long service life analysis of prestressed concrete box girder exposed to marine environment[D]. Nanjing: Nanjing University of Aeronautics and Astronautics,2015:37.

[10] THOMAS M D A，BAMFORTH P B. Modeling chloride diffusion in concrete-effect of fly ash and slag[J]. Cement and Concrete Research, 1999, 29(4): 487-495.

[11] 余红发.盐湖地区高性能混凝土的耐久性、机理与使用寿命预测方法[D].南京：东南大学，2004:159. (YU Hongfa.Study on high performance concrete in salt lake:durability,mechanism and service life prediction[D]. Nanjing: Southeast University,2004:159.(in Chinese))

[12] SENGUL Ö, GJøRV O E. Chloride penetration into a 20 year old north sea concrete platform[C]//Proceedings of Fifth International Conference on Concrete under Severe Conditions: Environment and Loading. Banthia, Laboratoire Central des Ponts et Chaussées, Paris, 2007: 107-116.

[13] 梁萌，李俊毅. 混凝土保护层厚度施工允许偏差[J].中国港湾建设, 2006,14(3):9-12. (LIANG Meng, LI Junyi. Allowable variation in construction of concrete cover to reinforcement[J]. China Harbour Engineering. 2006,14(3):9-12. (in Chinese))

[14] BENTZ E C.Probabilistic modeling of service life for structures subjected to chloride[J].ACI Materials Journal, 2003,100(5):391-397.

[15] STEWART M G, VU K A T.Structural reliability of concrete bridges including improved chloride-included corrosion models[J].Structural Safety, 2000(22):313-333.

[16] FREDERIKREN J M.Chloride threshold values for service life design[C]//Proceedings of International RILEM Work-shop on Testing and Modeling the Chloride Ingress Into Concrete. 2000:36-38.

[17] 薛鹏飞，金立兵.氯盐腐蚀环境下混凝土结构时变可靠度分析[J].水运工程, 2011(2):45-49. (XUE Pengfei, JIN Libing. Time-dependent reliability computation of concrete structures based on chloride ion penetration[J].Port and Waterway Engineering, 2011(2):45-49.(in Chinese))

Service life analysis of pre-concrete box girders exposed to marine environment

FENG Taotao， YU Hongfa， ZENG Xiangchao， LU Jianxiong

(College of Aerospace Engineering， Nanjing University of Aeronautics and Astronautics， Nanjing 210016， China)

The steel bars of the pre-concrete box girders will be corroded because of the chloride or other harmful substances in the marine condition, which will cause serious damages to the structures. So the concrete box girder is hard to meet the requirement of the designed service life. Based on the reliability theory, the paper respectively predicts the service life of the cantilever slabs, inclined webs and bottom slabs’ steels. It is found that the cantilever slabs and inclined webs will be corroded in a short time and the corrosion time of the bottom slabs’ steels is relatively long. However, it still can’t reach the designed service life. So it’s necessary to take some measures to protect the pre-concrete box girders from being corroded.

marine condition; pre-stressed concrete box girder; service life; reliability; fly-ash

TV332; TU528.33

A

10.16483/j.issn.1005-9865.2015.06.010

余红发(1964-)，男，湖北武穴人，博士，教授，博士生导师。E-mail:yuhongfa@nuaa.edu.cn

1005-9865(2015)06-075-07

2015-03-24

国家重点基础研究发展计划(973计划)(2009CB623203，2015CB655100)；国家自然科学基金项目(51178221，21276264)；江苏高校优势学科建设工程资助项目(PAPD)

冯滔滔(1990-)，男，新疆吐鲁番人，硕士生，研究方向为混凝土耐久性。E-mail:563468779@qq.com