本站原创摘 要：混凝土桥梁可靠度研究开展较早,目前的研究成果较丰富,主要体现在考虑材料性能退化的可靠度研究方面.混凝土桥梁抗力主要影响因素为结构的材料性能及各种材料间相互作用,因此桥梁的抗力模型本质上而言就是各种材料工作特性以及相应材料之间共同作用的时变模型.
关 键 词：混凝土桥梁结构抗力抗力模型荷载效应
0.引言
影响结构抗力的降低因素有三个方面,即荷载作用、环境作用和结构材料内部的作用.
在某些情况下,结构抗力会随时间而增长（如混凝土强度在初期随龄期而提高）,但大多数情况下,由于外界环境（包括自然环境和使用环境）的作用,结构抗力在下降,即结构的可靠度降低.
1.荷载作用的影响
荷载对结构的作用方式有两种,一种是直接影响结构的安全,在结构设计基准期内,任一时点的荷载效应大于结构的抗力都会使结构失效；另一种是荷载对结构的累积损伤作用,累计损伤的作用使结构抗力降低,从而降低结构的可靠度.
荷载对结构的累积损伤作用又分为两种,即静态累积损伤作用和动态累积损伤作用.静态损伤累积作用是指在静态荷载作用下结构损伤随时间的累积.研究表明,在持续不变拉伸荷载的作用下,混凝土的强度会降低,荷载的作用越长,强度降低越多[1].另外,在不变荷载作用下结构构件的蠕变也是累积损伤的结果,目前在这方面的研究还不多.动态损伤累积是指在动态荷载作用下结构随时间或荷载次数的累积损伤.一般情况下,动态的累积损伤的程度与循环作用荷载的大小、荷载的应力比及反复作用次数有关.
2.环境因素的影响
环境对结构的影响一般分为两类,一类是为自然环境的影响,另一类为使用环境的影响.混凝土的碳化过程和碳化速度与两个方面的因素有关,即结构所处大气环境的CO2浓度、相对湿度和混凝土本身的抗碳化能力.理论分析和实验分析表明,在大气环境下,混凝土的碳化深度x（mm）可表示为：
其中,k为混凝土碳化系数,与结构所处的自然环境和使用环境、水泥品种、结构混凝土质量及混凝土早期养护条件有关；t为混凝土暴露时间（年）.基于多年对混凝土碳化研究的基础上,给出了混凝土碳化系数为：
其中关为混凝土抗压强度（N/mm2）；α1为混凝土养护条件修正系数,按表2.1取值；α2为水泥品种修正系数,对于普通硅酸盐水泥α2等于l.0,对于矿渣水泥α2等于1.3；α3为环境修正系数.
一般情况下,混凝土保护层越厚,钢筋锈蚀越慢.混凝土抗压强度越高,钢筋锈蚀速度越小.
若混凝土结构的保护层厚度为c（mm）,则碳化到钢筋表面的时间为：
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环境的影响,即由于混凝土碳化所产生的钢筋锈蚀.而混凝土碳化主要是指二氧化碳通过混凝土颗粒间的间隙侵入到结构内部,并与水泥石中的氢氧化钙等碱性物质发生化学反应的过程.而钢筋的锈蚀将引起混凝土保护层开裂甚至剥落,将导致构件有效面积减少,降低了钢筋与混凝土之间的粘结性,使其共同受力模式大大受到消减,最终导致钢筋混凝土构件以及结构的承载力减弱,结构的使用寿命缩减.
3.材料内部作用的影响
在自然环境中,结构的材料随着时间的增长会逐渐老化,老化的结果使得材料的性能降低,强度降低.
3.1混凝土强度的时变规律
在结构可靠度分析的抗力计算中,混凝土结构强度变化对可靠度的影响与钢筋锈蚀相比较小,而且虽然既有结构的混凝土具有开裂,碳化、剥落等损伤,但根据牛荻涛教授混凝土强度变化规律,混凝土的强度在后续服役期有轻微增长的趋势[2].
3.2钢筋强度的时变规律
李田和刘西拉在对混凝土结构耐久性研究时,同时给出了钢筋屈服强度的时变关系：
从上式可以看出,钢筋强度在一开始就是降低的,而且其变异系数是不随时间变化的.研究表明,氯离子侵入导致的钢筋锈蚀结果一般大于混凝土碳化引起的钢筋锈蚀结果.因此这里针对氯离子侵入条件下导致钢筋锈蚀做简要介绍.在氯离子存在条件下,混凝土构件表面聚集着一定浓度的氯离子,表面的氯离子在混凝土中扩散.
式中：C为氯离子浓度；x为氯离子侵入混凝土中的深度；t为时间；D为氯离子扩散系数.
研究发现,混凝土的扩散系数随着龄期增长而越来越小在龄期较长时D才基本趋于一个常量因此氯离子扩散系数D是一个随时间、氯离子浓度变化的函数.对于t时刻的氯离子扩散系数可有下式确定：
式中：D（t）为t时刻的氯离子扩散系数；D0为t0时的氯离子的扩散系数,mm2/a；t结构建成至检测时的时间,年；t0为参照时间,一般取为28天,即0.0767年；m为氯离子扩散系数时间依赖系数.
在Fick第二定律的基础上,得到钢筋锈蚀初始时间ti的计算式如下
式中：c为混凝土保护层厚度,mm；为误差函数反函数；Cs为混凝土表面的氯离子浓度,kg/m3；Ccr为临界氯离子浓度,kg/m3.
4.结语
通过对混凝土桥梁抗力影响因素的分析,得知结构的材料特性及各种材料间相互作用为主要作用.桥梁的抗力模型从本质上可归结为各种材料工作特性以及相应材料（包括额外的加固材料）之间共同作用的时变模型.为此总结了混凝土强度的时变规律模型及钢筋强度的时变规律模型以供其他研究人员参考.