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高速公路桥梁预防性养护合理时机的确定方法研究

放大字体  缩小字体 发布日期:2018-04-18  来源:中国公路网  浏览次数:2225
核心提示:桥梁是高速公路建设的一项重要基础设施,桥梁结构在使用过程中经受车辆频繁反复的荷载作用和外界自然环境的影响,其使用性能和耐
 桥梁是高速公路建设的一项重要基础设施,桥梁结构在使用过程中经受车辆频繁反复的荷载作用和外界自然环境的影响,其使用性能和耐久性呈逐年下降趋势,在内部出现的大量损伤和病害将严重影响其正常服务功能的发挥。严峻的形势要求桥梁养护管理单位除了要重视既有桥梁的检测评估和养护维修,还要应加强桥梁预防性养护工作。


预防性养护的作用是将病害遏制在萌芽状态,即在桥梁还没有发生明显病害之前就进行养护,防止或减缓病害的发生和发展,达到耐久性和延长使用寿命的目的。预防性养护主要分为结构材料的防护和典型病害发展期的早期介入抑制。预防性养护计划的实施应首先在检测和对结构评估基础上,通过增加防护措施来保证永久的主体构件材料在剩余寿命期内的性能完好,即保证其正常的使用功能和预期寿命;对于典型的病害,在对其发展状况和产生原因调查分析的基础上,通过适当时机介入来提高预防性养护的经济和适用性等综合效益。预防性养护工作是否能够起到作用,主要取决于养护时机的选择。


为确定桥梁预防性养护的合理时机,本文针对桥梁养护管理的实际情况和高速公路正常运行的需要,分析氯盐侵蚀引起桥梁钢筋锈蚀的时间,研究钢筋锈蚀前采取有效耐久性养护措施的合理时间。

—「 正文 」—

 

结构材料劣化模型

 

(一)结构材料劣化机理

通常导致钢筋锈蚀的因素有氯离子侵蚀、混凝土碳化、硫酸盐侵蚀等几种,本次针对氯盐侵蚀劣化模型进行分析。

 

氯离子对混凝土的侵入主要通过三种方式:

①毛细水的吸附作用;

②静水压力引起的渗透作用;

③离子浓度差引起的扩散作用。通常,侵入行为是几种方式的组合结果。

氯离子向混凝土内部侵入的状态可按图1曲线表达。


图1  氯离子扩散示意图

 

由上图可知,随着时间的推移,氯离子将沿混凝土构件深度方向扩散,氯离子浓度沿深度方向逐渐降低,当氯离子扩散至钢筋表面,且氯离子浓度达到一定程度时即可引起钢筋锈蚀。

 

(二)钢筋锈蚀时间确定

混凝土结构材料预养护以导致钢筋锈蚀的时间为界限。如果各种因素导致钢筋锈蚀的时间(tr)大于目标使用年限(tF),则满足耐久性要求,不需要采取预养护措施;如果各种因素导致钢筋锈蚀的时间(tr)小于目标使用年限(tF),则不满足耐久性要求,需要采取预养护措施。

 

氯盐侵蚀作用导致钢筋锈蚀的时间(tr)可按公式计算:


式中:tr—钢筋开始锈蚀时间(a);

           c—混凝土实测保护层厚度(mm);

           k—氯盐侵蚀系数;

           D—氯离子扩散系数(m2/a);

           erf—误差函数;

           Mcr—钢筋锈蚀临界氯离子浓度(kg/m3);

           Ms—混凝土表面氯离子浓度(kg/m3)。

 

(1)氯离子扩散系数D


式中:D—氯离子扩散系数(m2/a);

           x—氯离子扩散深度(mm);

           t0—结构建成至检测时的时间(a);

           M(x,t0)—检测时x深度处的氯离子浓度(kg/m3);

           Ms—实测混凝土表面氯离子浓度(kg/m3)。

 

 

(2)氯离子浓度

   1. 钢筋锈蚀临界氯离子浓度可按表1取用。

 

表1 钢筋锈蚀临界氯离子浓度Mcr

 

 

注:1、括号内数字为占胶凝材料的重量比;2、Mcr可视环境条件、混凝土材料性能在0.3%~0.5%(胶凝材料的重量比)内适当调整;3、混凝土强度等级高于C40时,混凝土强度每增加10MPa,临界氯离子浓度增加0.1kg/m3。


   2. 混凝土表面氯离子浓度

①近海大气区混凝土表面氯离子浓度应通过实测按下列规定确定:


 

 

式中:k—混凝土表面氯离子聚集系数;

           ti—混凝土表面氯离子浓度达到稳定值的时间(a),按表2取用;

           t0—结构建成至检测时的时间(a),t0>t1时,取t0=t1;

           Ms2—实测的表面氯离子浓度(kg/m3)。


表2 氯盐侵蚀环境等级及参数


表3 距海岸0.1km处混凝土表面氯离子浓度Ms

 

 

表4 表面氯离子浓度修正系数

 

 

②潮汐区、浪溅区混凝土表面氯离子浓度:

潮汐区、浪溅区混凝土表面氯离子浓度Ms应采用调查值或实测数据推算值。当缺乏有效的实测数据时,可参照表5取用。

 

表5 潮汐区、浪溅区混凝土表面氯离子浓度M

 

 

 

合理预养护时机确定

 

(一)混凝土构件预防性养护对策及方法

在氯离子侵蚀环境下,可采用不同的预养护方法来延缓混凝土劣化,达到提高桥梁结构耐久性使用年限的目的,不同养护措施[5]的预防性养护效果持续时间如表6所示。

表6  不同预防性养护方法的作用效果

 

(二)预防性养护效果分项安全系数β

为确定单次预防性养护作用下桥梁耐久性延长年限,本次引入预防性养护效果分项安全系数β。


 

其中 βa—混凝土龄期影响系数; 

        βb—多因素耦合作用系数;环境因素作用一般选择最主要因素进行预防性养护计算,有两个以上因素的取0.9;

        t0—结构建成至检测时的时间(a);

        t1—首次预防性养护实施时间(未知量);

        βi—第 次预防性养护效果分项安全系数;

        T—预防性养护措施有效期限。


(三)合理养护时机确定

应用预防性养护合理时间计算模型是为了保证桥梁在目标使用寿命期内维持或改善自身的耐久性状态,以推迟大修或重建活动,经过多次预防性养护工作后,桥梁耐久性状态变化曲线示意如图2所示。

 

 

多次预防性养护措施的作用下,实际耐久性寿命延长年限为text,即目标使用寿命tF’与无预防性养护条件下的使用寿命tr之差为:

 

式中:text—耐久性寿命延长年限;

   n—预防性养护次数;

   βi—第i次预防性养护效果分项安全系数;

   T—预防性养护措施有效期限。


当环境条件无明显变化时,βi = β1即:

 

 

根据式(6)、式(7)计算出βi的最大值,由此求出 即为最佳养护时机。给出目标使用寿命及约束条件:tr+text≥t 。迭代n=1,2,3,……,即可求出最佳养护时间下需进行的预养护次数。

 

 

 

算例分析

 

 

(一)基本概况

桥梁基本资料:某高速公路桥梁上部结构型式均为15×20m的先简支后连续预应力箱型组合梁,5跨1联,共3联。横向均布设4片梁,横向联系为湿接缝。下部结构型式为:肋板式桥台、桩基础;双柱式桥墩,桩基础;桥面铺装为沥青混凝土结构,采用异型钢单缝式伸缩缝,板式橡胶支座。桥梁上部结构采用C40混凝土,下部结构采用C30混凝土。该桥设计荷载汽车-超20级,挂-120级。


针对桥梁建设和使用环境的特点,进行环境等级评定和耐久性分析与估算,确定该桥处于近海大气环境,构件的劣化主要受氯盐侵蚀的影响。针对环境作用确定桥梁混凝土构件的预防性养护方案,结合上文中适用于氯离子侵蚀作用的养护措施,本例选取使用改性树脂乳液涂刷混凝土表面的方法进行分析,以此确定其最佳的养护时机。


(二)参数指标分析

该桥建成5年后首次对上部结构进行了钢筋保护层厚度和氯离子含量检测,各参数指标如下表所示。由于混凝土表面氯离子达到稳定值的累积时间缺乏有效实测数据,混凝土表面氯离子浓度Ms按表3取用,桥梁位置距海岸的距离按0.25km计,即表面氯离子浓度修正系数为0.66。本例中误差函数设为0.25。

表7 参数指标取值

 

(三)计算结果

假定该桥目标使用年限为50年,且结构建成至检测实施期间未进行过改性树脂乳液预养护,根据上述预防性养护时机计算模型,绘制出养护时间曲线。


图3  首次预养护时间与耐久性使用年限关系曲线


经计算,混凝土中钢筋锈蚀的时间为17.8年。由上图可知,在桥梁建成后的第9~17年之间进行首次预防性养护,养护次数达到3次时,桥梁耐久性使用年限均大于50年,能够满足目标使用年限要求。按照养护次数最少和耐久性寿命最长的原则,最佳预防性养护开始的时间为第13年。

 

 


—「 结语 」—

 

(1)桥梁首次预养护合理时间主要与钢筋锈蚀所需时间及结构建成至首次材质状况检测时间有关,钢筋锈蚀所需时间越长,预防性养护措施有效期越久,最佳首次预养护时间越晚。


(2)在满足耐久性目标使用年限,且首次材质状况检测时间确定的条件下,首次预防性养护应选择在合理时间段内进行,预养护时间过早或过晚均会使养护次数增加。


(3)缩短结构建成至首次材质状况检测时间,可在保证耐久性寿命周期满足目标使用期条件下,有效减少预防性养护次数。


 
 
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