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    锈蚀钢筋混凝土结构的剩余使用寿命实用计算方法.pdf

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    锈蚀钢筋混凝土结构的剩余使用寿命实用计算方法.pdf

    第37卷第6期 2010年6月 建筑技术开发 Building Technique Development Vo1.37,No.6 Jun.2010 锈蚀钢筋混凝土结构的剩余使用 寿命实用计算方法 王晓刚 1.烟台大学土木工程学院,山东烟台,264005;2. 刘永峰 山东泰华路桥工程有限公司,山东烟台,264003 [摘要】 针对钢筋锈蚀引起的混凝土结构性能劣化,建立了锈蚀钢筋混凝土结构剩余使用寿命的实用计算方法。极 限状态定义为锈蚀结构的安全性、适用性和耐久性评定等级由等级b降为等级c的临界状态,按现有规范此 时锈蚀结构必须采取修复加固处理。根据钢筋锈蚀对结构性能的影响机理,将锈蚀结构的使用寿命周期分 为钢筋未发生锈蚀的初始阶段T。,锈胀开裂前的锈蚀发展阶段 ,锈胀开裂到极限状态的加速锈蚀阶 段 ,并建立各阶段锈蚀速率与结构性能退化模型。在此基础上进行试算,假设时间 ,计算评定 时间 点锈蚀结构的等级,调整 使某一控制指标首先达到极限状态,由此确定结构剩余使用寿命。最终通过算 例验证此计算方法实际可行。 [关键词】混凝土结构;钢筋;锈蚀;使用寿命 [中图分类号】TU375 【文献标志码】 A 【文章编号] 1001-523X201006-0008-05 1概述 混凝土中钢筋锈蚀已经成为影响钢筋混凝土结构使用 寿命的一个主要问题。锈蚀一方面造成钢筋有效受力截面 减小、力学性能退化,大幅削弱构件的安全性;另一方面锈 蚀钢筋与混凝土间粘结性能退化,构件变形增大,保护层 锈胀甚至剥落,严重危害结构适用性。因此,在对已有锈 蚀损伤的混凝土建筑进行检测评定时,需要对其剩余使 用寿命进行评估,以此为后继维护及加固修复处理提供 决策依据。 过去的几十年中,国内外学者对锈蚀钢筋混凝土结构的 剩余使用寿命进行了多方面研究,提出了多种相关计算分析 模型[1-9]和可靠度理论模型_4 J。然而,从对结构性能影响 的角度,混凝土中钢筋锈蚀是一个多阶段的发展过程锈蚀 开始前的侵蚀介质渗透阶段;锈蚀发生到保护层开裂的锈蚀 发展阶段;保护层开裂后的加速锈蚀阶段;混凝土保护层完 全剥落后的自然锈蚀阶段。由于各阶段钢筋锈蚀速率存在 较大差异,锈蚀对结构性能的影响亦不一致,这给上述模型 在实际工程中的应用带来很大局限。本文基于锈蚀对结构 安全性和适用性的影响,在综合已有研究成果的基础上,结 合国家和地方相关规范与标准,提出了锈蚀钢筋混凝土结构 剩余使用寿命的实用计算方法。利用锈蚀发展三个阶段的特 征分别建立相关劣化模型,最后采用试算法确定锈蚀结构的 收稿日期20100315 作者简介王晓刚1980.,男,山东平度人,毕业于同济大学,博士, 讲师,现从事混凝土结构耐久性、结构鉴定加固相关的教学与科研 工作。 8 剩余使用寿命。 2锈蚀钢筋混凝土结构的使用寿命 2.1 劣化过程 普通大气中,CO通过扩散进入混凝土内部,与孔溶液 中水化产物发生反映,引起孔溶液pH值下降,并最终导致 混凝土中预埋钢筋发生锈蚀。虽然混凝土中钢筋锈蚀的化 学转化过程没有完全研究透彻 ,但所有研究都证明锈蚀 产物体积引起体积显著增加,对锈蚀钢筋周围混凝土产生 径向压力。当混凝土中由此产生的环向拉应力超过混凝土 抗拉强度后,混凝土保护层便会产生沿钢筋纵向的锈胀裂 缝,使侵蚀介质更易进入混凝土内部,从而导致劣化速度 加快。 混凝土中钢筋锈蚀引起的结构性能劣化是一个时变过 程。根据锈蚀对结构性能产生危害的机理,定义以下几个关 键时问点1钢筋锈蚀开始时问t.;2混凝土保护层锈胀开 裂时间t ;3锈胀裂缝宽度达到限值时间t 。;4承载力降至 限值时间t ;5结构变形达到限值时间t ;6横向受力裂缝 到达限值时间t ;如图l所示。由此,结构性能劣化过程可 分为以下三个不同阶段锈蚀开始前的初始阶段 。,锈蚀 开始到锈胀裂缝出现前的发展阶段 ,锈胀开裂至极限 状态的加速锈蚀阶段 ..。 第37卷 王晓刚,等锈蚀钢筋混凝土结构的剩余使用寿命实用计算方法 第6期 二二承载 极眼 蠢二l二 _酬 锈胀裂缝宽度限值 / ;I 能参 \ 、 蛾 一 I ’ tl ff ‘ f T T . i剩余使用寿命』 图1 钢筋锈蚀对钢筋混凝土结构使用寿命影响 2.2极限状态定义 不同研究工作中对锈蚀结构的使用寿命极限状态定义 并不一致。Bazant取混凝土锈胀开裂作为极限状态,基于锈 蚀机理和弹性力学建立剩余使用寿命预测模型,这种极限 状态定义方式也被别的研究者所采用 ’ 。然而,有学者认 为以锈胀裂缝到达一定宽度界定极限状态更为合理 。综 合来看,多数锈蚀混凝土结构使用寿命评估模型中均采用锈 蚀开始或混凝土保护层锈胀开裂作为其极限状态,这在一定 程度上是由于普遍认为锈胀开裂后的锈蚀加速发展阶段时 间相对很短 。然而,近期研究结果证明,对于结构全寿 命周期而言锈蚀初始阶段可能仅占很小比例 J。 为便于工程实际应用,结合相关国家规范标准 ,本 文从结构可靠度的角度定义剩余使用寿命极限状态。钢筋 混凝土结构的可靠度包括三个方面安全性、适用性和耐久 性。这三方面均受到钢筋锈蚀的显著影响。随结构形式、功 能要求和环境条件的变化,任何一方面的可靠度指标均可能 首先降至限值以下。图1中所示t t。t t l为一特例, 对实际结构其大小关系随构件几何尺寸、配筋方式及环境条 件的不同而变化。在某些极端情况下,锈蚀混凝土结构的使 用寿命甚至可能在保护层锈胀开裂前便因承载力降低达而 终结。 现有规范中,通常根据某一特定的指标将老化钢筋混凝 土结构评定为四个等级,如安全性、变形或裂缝宽度,见表 1~表3_l J。结构剩余使用寿命定义为在正常维护使用条 件下,未附加修复加固处理结构能维持其正常使用功能的时 间。因此,可以取锈蚀钢筋混凝土结构的可靠度由等级b向 等级c的临界转换点作为其使用寿命极限状态,此时按现有 规范必须对结构进行修复处理。实际工程中对锈蚀结构进 行使用寿命评估时,可根据实际情况取用某一个或几个可靠 度指标作为极限状态判别标准。如环境侵蚀作用较轻时,可 综合取用锈蚀结构的安全性评定等级和变形评定等级作为 极限状态判别标准;恶劣腐蚀环境下,极限状态宜取锈胀开 裂评定等级或锈胀裂缝宽度达到0.15~0.3 mill范围内某一 限值作为判别标准” 川;而预应力混凝土结构则应选锈蚀开 始作为极限状态判别标准。 表1 钢筋混凝土结构安全性等级评定标准 注 与S分别为结构构件的抗力和荷载作用, 。为结构重要性 系数,7R为抗力分项系数。 表2钢筋混凝土构件变形等级评定标准 注fn为构件跨度;为单层层高;日为建筑总高度。 9 第6期 王晓刚,等锈蚀钢筋混凝土结构的剩余使用寿命实用计算方法 第37卷 表3锈胀裂缝评定等级 等级 b d 6 r/Jy08。 ≥1.5 ≥1.O ≥0.8 0.8 注6。 为对应混凝土保护层锈胀开裂的临界钢筋锈蚀深度;6 为钢筋实测锈蚀深度。 3耐久性劣化模型 3.1碳化模型 现有碳化模型很多,本文中采用一个考虑部分碳化区的 碳化深度预测模型,见式1 ” 。 . 【c一 .0, 0‘0.7一只日1.82 / ‘ 921 f1一RH2.2703 11 二 卜 , c。 1 式中,t。 为部分碳化区前锋到达钢筋表面的时间d;C 为混凝土保护层厚度;RH为相对湿度;RH0.80时取RH0.80; k为混凝土混凝土抗 压强度评定值MPa。 3.3锈胀开裂临界状态 随钢筋锈蚀发展,锈蚀产物积聚在钢筋与混凝土界面, 对周围混凝土施加径向压力,并最终导致保护层锈胀开裂。 对钢筋锈蚀过程中锈胀压力发展及锈胀开裂的研究主要通 过以下三种方式基于试验的统计分析 驯,模拟试验 及力 学建模分析 ]。研究结果表明锈胀临界状态对应的钢筋锈 1O 蚀率主要影响因素包括钢筋类型、混凝土抗拉强度和保护层 厚度与钢筋直径的比值。临界锈蚀深度6 可通过式4、式 5计算 。 杆件角部钢筋 0.012c/d0.ooo84fo k0.018 4 墙、板非角部钢筋 0.015c/d 0.0014fo 0.016 5 3.4保护层锈胀开裂后锈蚀速率 保护层锈胀开裂前,混凝土中钢筋锈蚀速率很大程度上 受到阴极区氧气量的影响,此时氧气主要通过扩散进入混凝 土内部。在锈胀开裂后的加速锈蚀阶段,氧气可通过裂缝迅 速到达钢筋表面,因此钢筋锈蚀速度大幅加快。“混凝土结 构耐久性评定标准”给出了锈胀后钢筋锈蚀速率的估算 公式 A。4.5340A0A0 6 式中,A。为保护层锈胀开裂后钢筋锈蚀速率,A。0.95;2跨中挠度,≤lo/350;3锈胀裂缝宽度 ≤ 0.2 mm。由于未观察到钢筋锈蚀,因此判断构件处于初始阶 段。根据式1计算得出t一17 528 d,说明初始阶段将持 续38年 一 。根据式4计算得锈胀开裂时钢筋临界 锈蚀深度为o.046 nlm,根据式3得锈蚀发展期钢筋锈蚀速 率为0.0 022 ram/年,即锈蚀第二阶段将持续20.9年 。 混凝土保护层开裂后,钢筋锈蚀速率由式6计算得 0.0 082 ram/年。 首先假设 0,进行支座截面承载力验算 /’,。’, Js 119.7/104.2≥0.95,跨中截面承载力验算R/7。’, S 88.7/46.1≥0.95;跨中挠度验算f5.66 Inml0/350 13.7 mm,均满足要求。因此,需要增大 值进行下一步试 算。关键时间点的计算结果列于表4,在锈蚀发展第三阶段 锈胀裂缝宽度首先达到极限状态,成为控制因素。由此计算 的剩余使用寿命为59.7年。 工况2在此工况中锈胀裂缝宽度不再作为极限状态的 控制指标,只考虑承载力和挠度。重复上述试算过程,最终 发现支座截面承载力成为控制因素,结构剩余使用寿命为 83.6年。 表4关键时间点控制指标的计算结果 6结论 综合现有耐久性相关研究成果并结合相关规范标准,提 出了锈蚀钢筋混凝土结构剩余使用寿命的计算方法。相比 传统使用寿命预测模型多针对某一特定耐久性问题,本文所 建立模型更偏重于方法论和实用性。替换相应的耐久性劣 化模型后,此方法亦可用于氯离子侵蚀引起的结构锈蚀寿命 预测。另外,考虑到试算过程非常繁琐,建议编制计算机程 序完成此部分工作。 参考文献 [1]Bazant z P,Physical model structuresapplications[J]. 1979,1056pl1551166 for steel corrosion in concrete sea ASCE Journal of Struetural Division, [2]Liu Y P,Weyers R E,Modeling the time-tocorrosion cracking in chloride contaminated reinforced concrete structures[J].ACI Materials Journal,1998,956p675681 [3]Kapilesh Bhargava,Ghosh A K,Yasuhiro Mori,S-Ramanujam, Analytical model for time to cover cracking in RC structures due to 12 rebar corrosion[J].Nuclear Engineering and Design,2006,236 pl1231139 [4]Cheung M S,Kyle B R,Service life prediction of concrete structures by reliability analysis[J].Construction and Building Materials,1996, 10104555 [5]Li C Q,Reliability based service life prediction of corrosion affected concrete structures[J].J rnal of Structural Engineering,2004,130 10p15701577 [6]SagoeCrentsil K K,Glasser F O,Constitution of green rust and its significance to the corrosion of steel in portland cement[J]. 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