鋼筋混凝土橋梁疲勞時(shí)變可靠度分析

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1、萬(wàn)方數(shù)據(jù)第30卷，第2期209年3月中國(guó)鐵道科學(xué)CHINARAII。WAYSCIENCEV01．30No．2March，2009文章編號(hào)：1001—4632(2009)02—0049—05鋼筋混凝土橋梁疲勞時(shí)變可靠度分析李星新1’2，汪正興2，任偉新1(1．中南大學(xué)土木建筑學(xué)院，湖南長(zhǎng)沙410075；2．武漢橋梁科學(xué)研究院有限公司，湖北武漢430034)摘要：考慮鋼筋疲勞強(qiáng)度隨時(shí)間變化，提出疲勞強(qiáng)度時(shí)變模型。在此基礎(chǔ)上對(duì)鋼筋混凝土橋梁進(jìn)行疲勞可靠度分析。基于混凝土碳化模型和鋼筋銹蝕深度公式推導(dǎo)鋼筋截面面積隨時(shí)間變化公式。根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)，提出卜N曲線中疲勞強(qiáng)度系數(shù)下降的疲勞強(qiáng)度時(shí)變模型。

2、基于鋼筋截面面積和疲勞強(qiáng)度時(shí)變，運(yùn)用極限損傷度法和改進(jìn)的一次二階矩法，求解失效概率與疲勞可靠指標(biāo)，然后根據(jù)選定的目標(biāo)可靠指標(biāo)獲得橋梁的剩余壽命。算例表明：考慮和不考慮鋼筋截面面積隨時(shí)間的變化，對(duì)鋼筋混凝土橋梁疲勞時(shí)變可靠度計(jì)算的影響較大；在橋梁的鋼筋銹蝕到一定程度后，考慮和不考慮鋼筋疲勞強(qiáng)度隨時(shí)間的變化，對(duì)鋼筋混凝土橋梁疲勞時(shí)變可靠度計(jì)算有明顯的影響。關(guān)鍵詞：橋梁可靠度；疲勞強(qiáng)度；時(shí)變模型；損傷度；鋼筋混凝土橋中圖分類號(hào)：U448．34文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A疲勞破壞是鐵路橋梁和公路橋梁破壞的基本形式之一。由于結(jié)構(gòu)材料固有的離散性和荷載的隨機(jī)性，結(jié)構(gòu)在一定反復(fù)荷載作用下是否會(huì)發(fā)生疲勞破壞是個(gè)不

3、確定事件，需用疲勞可靠度理論[1]進(jìn)行分析。鋼筋混凝土橋梁的疲勞可靠性分析主要包括正截面受壓區(qū)混凝土和正截面受拉區(qū)鋼筋的疲勞可靠性分析。由于受拉區(qū)鋼筋的疲勞損傷對(duì)整個(gè)梁體的疲勞性能影響更大，因此可以鋼筋為研究主體口]。橋梁結(jié)構(gòu)的疲勞是荷載反復(fù)作用下，其力學(xué)損傷不斷積累的結(jié)果。由于鋼筋混凝土梁中鋼筋的銹蝕會(huì)減小鋼筋的有效截面，使應(yīng)力幅增加，因此鋼筋銹蝕后的疲勞性能會(huì)有很大變化。文獻(xiàn)[3]從實(shí)際橋梁退換下的老化構(gòu)件中截取銹蝕鋼筋進(jìn)行了疲勞強(qiáng)度試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果表明，由于有效截面的減小及屈服強(qiáng)度和變形能力的降低等因素，其疲勞強(qiáng)度明顯降低。因此，在疲勞可靠度計(jì)算中，應(yīng)考慮疲勞抗力隨時(shí)間變化【43

4、的事實(shí)?？梢?jiàn)，疲勞可靠度是一個(gè)隨疲勞過(guò)程變化的量。本文以試驗(yàn)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，考慮構(gòu)件斷面特性時(shí)變和疲勞抗力時(shí)變進(jìn)行鋼筋混凝土橋梁疲勞可靠度分析。收稿日期：2007—08—23I修訂日期：2008—11—10作者簡(jiǎn)介：李星新(1980～)，男，湖南臨湘人，博士研究生。1疲勞抗力時(shí)變分析對(duì)于鋼筋混凝土橋梁，與疲勞抗力衰減關(guān)系最為密切的因素主要有鋼筋有效截面和鋼筋疲勞強(qiáng)度。1．1鋼筋截面有效面積的衰減混凝土截面尺寸，除有嚴(yán)重?fù)p傷的部位外，一般不考慮其衰減。一般認(rèn)為，當(dāng)碳化深度到一定程度的時(shí)候，空氣中的氧氣、水分就可以擴(kuò)散到達(dá)鋼筋的表面，從而引起鋼筋的腐蝕，有效受力面積下降。工程界普遍認(rèn)為的碳化

5、模型為X—K厄(1)式中：X為碳化深度；t為結(jié)構(gòu)使用時(shí)間；K為碳化系數(shù)。大量試驗(yàn)表明[4]，當(dāng)鋼筋開始銹蝕時(shí)，混凝土保護(hù)層存在一段還沒(méi)有碳化的區(qū)域，定義為碳化殘量，其計(jì)算公式為Xo一4．86(一礙+1．5TH一0．45)(c一5)(In凡一2．3)(2)式中：c為混凝土保護(hù)層厚度；Tn為環(huán)境溫度；凡為混凝土立方體強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值。根據(jù)上述碳化預(yù)測(cè)模型，可以確定鋼筋銹蝕的萬(wàn)方數(shù)據(jù)50中國(guó)鐵道科學(xué)第30卷開始時(shí)間t，鏟(半)2(3)鋼筋銹蝕速度在混凝土銹脹開裂前后有明顯區(qū)別，文獻(xiàn)[4]結(jié)合快速銹蝕試驗(yàn)數(shù)據(jù)和大量工程檢測(cè)結(jié)果，擬合出了混凝土保護(hù)層開裂前鋼筋銹蝕深度的計(jì)算公式：亂l(r)一A。1(

6、￡一t，)(4)式中：A。t為銹脹開裂前的鋼筋銹蝕速度。銹脹開裂后鋼筋銹蝕深度計(jì)算公式為f艿。，+2．5A。1(￡一t。，)齜，=k㈣?！隰膰躺?lAd≤0．008mm·年_1(5)式中：￡。，為銹脹開裂時(shí)間，其求解參見(jiàn)文獻(xiàn)E4]；站為混凝土保護(hù)層開裂時(shí)的鋼筋銹蝕深度。由此可得鋼筋截面面積損失率為￡(f)一了43(t)一可43(t)2(6)式中：d。為鋼筋商徑。艿(￡)為鋼筋銹蝕深度，根據(jù)保護(hù)層是否開裂按式(4)或式(5)計(jì)算。1．2鋼筋的疲勞強(qiáng)度衰減隨著鋼筋在使用過(guò)程中損傷的不斷累積和鋼筋表面不均勻的坑蝕，鋼筋的表面結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，引起應(yīng)力集中，大大降低材料的疲勞強(qiáng)度。因此，在疲勞可

7、靠度計(jì)算中，應(yīng)考慮疲勞強(qiáng)度隨時(shí)間的變化。疲勞強(qiáng)度可由材料的S_N曲線得到，即N—C(血)一(7)式中：筋為疲勞強(qiáng)度；N為常幅循環(huán)作用下的失效循環(huán)次數(shù)；m為疲勞強(qiáng)度指數(shù)；C為疲勞強(qiáng)度系數(shù)。在目標(biāo)鑒定基準(zhǔn)期內(nèi)取相應(yīng)的疲勞次數(shù)N，則可由5一N曲線方程得到受拉區(qū)鋼筋的疲勞強(qiáng)度血。將上式兩邊取對(duì)數(shù)，得lgN—lgC—mlg(Aa)(8)考慮疲勞強(qiáng)度的時(shí)變，則上式可表示為lgN—lg[C(￡)]一re(t)lg[Aa(t)](9)疲勞強(qiáng)度的時(shí)變可以通過(guò)S—N曲線的變化