鋼筋混凝土橋梁疲勞時變可靠度分析

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1、萬方數(shù)據(jù)第30卷，第2期209年3月中國鐵道科學CHINARAII。WAYSCIENCEV01．30No．2March，2009文章編號：1001—4632(2009)02—0049—05鋼筋混凝土橋梁疲勞時變可靠度分析李星新1’2，汪正興2，任偉新1(1．中南大學土木建筑學院，湖南長沙410075；2．武漢橋梁科學研究院有限公司，湖北武漢430034)摘要：考慮鋼筋疲勞強度隨時間變化，提出疲勞強度時變模型。在此基礎上對鋼筋混凝土橋梁進行疲勞可靠度分析?；诨炷撂蓟Ｐ秃弯摻钿P蝕深度公式推導鋼筋截面面積隨時間變化公式。根據(jù)試驗數(shù)據(jù)，提出卜N曲線中疲勞強度系數(shù)下降的疲勞強度時變模型。

2、基于鋼筋截面面積和疲勞強度時變，運用極限損傷度法和改進的一次二階矩法，求解失效概率與疲勞可靠指標，然后根據(jù)選定的目標可靠指標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間的變化，對鋼筋混凝土橋梁疲勞時變可靠度計算的影響較大；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度隨時間的變化，對鋼筋混凝土橋梁疲勞時變可靠度計算有明顯的影響。關鍵詞：橋梁可靠度；疲勞強度；時變模型；損傷度；鋼筋混凝土橋中圖分類號：U448．34文獻標識碼：A疲勞破壞是鐵路橋梁和公路橋梁破壞的基本形式之一。由于結構材料固有的離散性和荷載的隨機性，結構在一定反復荷載作用下是否會發(fā)生疲勞破壞是個不

3、確定事件，需用疲勞可靠度理論[1]進行分析。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)鋼筋的疲勞損傷對整個梁體的疲勞性能影響更大，因此可以鋼筋為研究主體口]。橋梁結構的疲勞是荷載反復作用下，其力學損傷不斷積累的結果。由于鋼筋混凝土梁中鋼筋的銹蝕會減小鋼筋的有效截面，使應力幅增加，因此鋼筋銹蝕后的疲勞性能會有很大變化。文獻[3]從實際橋梁退換下的老化構件中截取銹蝕鋼筋進行了疲勞強度試驗，試驗結果表明，由于有效截面的減小及屈服強度和變形能力的降低等因素，其疲勞強度明顯降低。因此，在疲勞可靠度計算中，應考慮疲勞抗力隨時間變化【43

4、的事實?？梢?，疲勞可靠度是一個隨疲勞過程變化的量。本文以試驗數(shù)據(jù)為基礎，考慮構件斷面特性時變和疲勞抗力時變進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作者簡介：李星新(1980～)，男，湖南臨湘人，博士研究生。1疲勞抗力時變分析對于鋼筋混凝土橋梁，與疲勞抗力衰減關系最為密切的因素主要有鋼筋有效截面和鋼筋疲勞強度。1．1鋼筋截面有效面積的衰減混凝土截面尺寸，除有嚴重損傷的部位外，一般不考慮其衰減。一般認為，當碳化深度到一定程度的時候，空氣中的氧氣、水分就可以擴散到達鋼筋的表面，從而引起鋼筋的腐蝕，有效受力面積下降。工程界普遍認為的碳化

5、模型為X—K厄(1)式中：X為碳化深度；t為結構使用時間；K為碳化系數(shù)。大量試驗表明[4]，當鋼筋開始銹蝕時，混凝土保護層存在一段還沒有碳化的區(qū)域，定義為碳化殘量，其計算公式為Xo一4．86(一礙+1．5TH一0．45)(c一5)(In凡一2．3)(2)式中：c為混凝土保護層厚度；Tn為環(huán)境溫度；凡為混凝土立方體強度標準值。根據(jù)上述碳化預測模型，可以確定鋼筋銹蝕的萬方數(shù)據(jù)50中國鐵道科學第30卷開始時間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[4]結合快速銹蝕試驗數(shù)據(jù)和大量工程檢測結果，擬合出了混凝土保護層開裂前鋼筋銹蝕深度的計算公式：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：￡。，為銹脹開裂時間，其求解參見文獻E4]；站為混凝土保護層開裂時的鋼筋銹蝕深度。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)保護層是否開裂按式(4)或式(5)計算。1．2鋼筋的疲勞強度衰減隨著鋼筋在使用過程中損傷的不斷累積和鋼筋表面不均勻的坑蝕，鋼筋的表面結構發(fā)生變化，引起應力集中，大大降低材料的疲勞強度。因此，在疲勞可

7、靠度計算中，應考慮疲勞強度隨時間的變化。疲勞強度可由材料的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為疲勞強度指數(shù)；C為疲勞強度系數(shù)。在目標鑒定基準期內取相應的疲勞次數(shù)N，則可由5一N曲線方程得到受拉區(qū)鋼筋的疲勞強度血。將上式兩邊取對數(shù)，得lgN—lgC—mlg(Aa)(8)考慮疲勞強度的時變，則上式可表示為lgN—lg[C(￡)]一re(t)lg[Aa(t)](9)疲勞強度的時變可以通過S—N曲線的變化