钢筋混凝土结构设计基本原理.ppt

第二章钢筋混凝土结构设计基本原理 第一节作用 或荷载 及作用 或荷载 效应组合 新颁布的 公路桥涵通用规范 JTGD60 2004 以下简称 通用规范JTGD60 修订了公路桥涵结构设计的作用效应的组合方式及其组合系数 引入了作用的短期效应组合和长期效应组合 并提出了各种可变作用短期效应组合时的频遇值系数和长期效应组合时的准永久值系数 引入了公路桥涵设计的安全等级及其重要性系数 以桥涵结构破坏可能产生的后果严重程度的不同采用不同的重要性系数 使结构的设计更趋合理 取消了原标准汽车荷载等级 改为采用公路 级和公路 级标准汽车荷载 取消了挂车和履带车验算荷载 将验算荷载的影响间接反映在汽车荷载中 将汽车冲击系数以跨径为主要影响因素的计算方法 改为以结构基频为主要影响因素的计算方法 一 按承载能力极限状态设计时的作用 或荷载 效应组合 公路桥涵结构的承载能力极限状态设计 按照可能出现的作用 将其分为两种作用效应组合 即基本组合和偶然组合 作用效应的基本组合是指永久作用设计值效应与可变作用设计值效应的组合 这种组合用于结构的常规设计 是所有公路桥涵结构都应该考虑的 作用效应的偶然组合是指永久作用标准值 可变作用代表值和一种偶然作用标准值的效应组合 视具体情况 也可不考虑可变作用效应参与组合 作用效应偶然组合用于结构在特殊情况下的设计 所以不是所有公路桥涵结构都要采用的 一些结构也可采取构造或其他预防措施来解决 规定 公路桥涵结构按承载能力极限状态设计时 应采用以下两种作用效应组合 1基本组合 永久作用的设计值效应与可变作用设计值效应相组合 其效应组合表达式为 4 1 6 1 或 4 1 6 2 式中Sud 承载能力极限状态下作用基本组合设计值 0 结构重要性系数 按本规范表1 0 9规定的结构设计安全等级采用 对应于设计安全等级一级 二级和三级分别取1 1 1 0和0 9 Gi 第i个永久作用效应的分项系数 应按表4 1 6的规定采用 SGik SGid 第i个永久作用效应的标准值和设计值 Q1 汽车荷载效应 含汽车冲击力 离心力 的分项系数 取 Ql 1 4 当某个可变作用在效应组合中其值超过汽车荷载效应时 则该作用取代汽车荷载 其分项系数应采用汽车荷载的分项系数 对专为承受某作用而设置的结构或装置 设计时该作用的分项系数取与汽车荷载同值 计算人行道板和人行道栏杆的局部荷载 其分项系数也与汽车荷载取同值 SQ1k SQ1d 汽车荷载效应 含汽车冲击力 离心力 的标准值和设计值 Qj 在作用效应组合中除汽车荷载效应 含汽车冲击力 离心力 风荷载外的其他第j个可变作用效应的分项系数 取1 4 但风荷载的分项系数取1 l SGjk SGjd 在作用效应组合中除汽车荷载效应 含汽车冲击力 离心力 外的其他第j个可变作用效应的标准值和设计值 c 在作用效应组合中除汽车荷载效应 含汽车冲击力 离心力 外的其他可变作用效应的组合系数 当永久作用与汽车荷载和人群荷载 或其他一种可变作用 组合时 人群荷载 或其他一种可变作用 的组合系数取 c 0 8 当除汽车荷载 含汽车冲击力 离心力 外尚有两种其他可变作用参与组合时 其组合系数取 c 0 70 尚有三种可变作用参与组合时 其组合系数取 c 0 60 尚有四种及多于四种的可变作用参与组合时 取 c 0 50 设计弯桥时 当离心力与制动力同时参与组合时 制动力标准值或设计值按70 取用 2偶然组合 永久作用标准值效应与可变作用某种代表值效应 一种偶然作用标准值效应相组合 偶然作用的效应分项系数取1 0 与偶然作用同时出现的可变作用 可根据观测资料和工程经验取用适当的代表值 地震作用标准值及其表达式按现行 公路工程抗震设计规范 规定采用 表4 1 6永久作用效应的分项系数 注 本表编号1中 当钢桥采用钢桥面板时 永久作用效应分项系数取1 1 当采用混凝土桥面板时 取1 2 作用效应组合表达式中的作用分项系数是在有关作用 恒载 汽车荷载 概率统计分析的基础上 结合结构抗力的统计分析结果 对原 公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范 JTJ023 85 进行 校准 得到用于桥涵设计的结构可靠度指标 然后通过极限状态设计表达式 运用 抗力最小二乘法 或 可靠指标最小二乘法 的优化方法 求得恒载效应分项系数 G 1 2 汽车荷载效应分项系数 Q1 1 4 这两个系数维持了原 公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范 JTG023 85 相同的量值 汽车荷载在公路工程结构中通常被视为主导的可变作用 在设计表达式中与永久作用一样单独列出 在桥梁设计中 汽车荷载分项系数按不同的作用效应组合采用 当某个可变作用对结构或结构构件确实起到主导影响 在同类效应中其值超过汽车效应 则其分项系数宜采用该作用效应组合的汽车荷载分项系数 对于专为承受某作用而设置的结构或装置 如钢桥的风构 设计时风荷载可被视为主导作用 其分项系数取与汽车荷载同值 但当风荷载参与与其他荷载组合时 以往将该组合作为 附加组合 考虑 同时 风荷载计入瞬时脉动风压的影响 比原规范有较大增加 其分项系数只能取1 1 关于公式 4 1 6 1 4 1 6 2 中的作用效应组合系数 c 在多数情况下 桥涵结构上往往同时作用多个荷载 但是本规范确定的恒载分项系数 汽车荷载分项系数以及赖以建立这些系数的可靠度指标 是在只有恒载和汽车荷载作用的最基本组合下确定的 当结构上作用着多于上述荷载时 综合荷载效应最大值的统计规律也发生相应的变化 从而影响了结构可靠度指标和恒载 汽车荷载分项系数的取值 因此 在保持可靠度指标 恒载和汽车荷载分项系数不变的情况下 对多个可变荷载参与效应组合时 引入其值小于1 0的荷载效应组合系数 c对荷载标准值效应作等值折减 组合系数 c是针对可变荷载效应的不同比值 通过优化方法确定的 它随参与组合的可变荷载的增加而减小 本规范给出的 c值是经优化计算后适当提高的数值 例如 1 除汽车荷载效应外 只有一种其他可变作用参与组合时 取 c 0 8 2 除汽车荷载效应外 尚有两种其他可变作用参与组合时 取 c 0 7 3 除汽车荷载效应外 尚有三种其他可变作用参与组合时 取 c 0 6 二 按正常使用极限状态设计时的作用 或荷载 效应组合 在公路桥梁结构中 对于需要进行正常使用极限状态设计的结构 需要考虑可变作用的短期效应组合和长期效应组合 其可变作用代表值采用频遇值和准永久值 众所周知 正常使用极限状态设计仅涉及结构及构件的抗裂 裂缝宽度和挠度 其结构可靠度要比承载能力极限状态低得多 可变作用的频遇值是指结构上较频繁出现的且量值较大的作用取值 但它比可变作用的标准值小 实际上由标准值乘以小于1的频遇值系数 1得到 可变作用的准永久值是指在结构上经常出现的作用取值 但它比可变作用的频遇值又要小一些 实际上是由标准值乘以小于 1的准永久值系数 2的得到 规定 公路桥涵结构按正常使用极限状态设计时 应根据不同的设计要求 采用以下两种效应组合 1作用短期效应组合 永久作用标准值效应与可变作用频遇值效应相组合 其效应组合表达式为 4 1 7 1 式中Ssd 作用短期效应组合设计值 1j 第j个可变作用效应的频遇值系数 汽车荷载 不计冲击力 1 0 7 人群荷载 1 1 0 风荷载 1 0 75 温度梯度作用 1 0 8 其他作用 1 1 0 1jSQjk 第j个可变作用效应的频遇值 2作用长期效应组合 永久作用标准值效应与可变作用准永久值效应相组合 其效应组合表达式为 4 1 7 2 式中Sld 作用长期效应组合设计值 2j 第j个可变作用效应的准永久值系数 汽车荷载 不计冲击力 2 0 4 人群荷载 2 0 4 风荷载 2 0 75 温度梯度作用 2 0 8 其他作用 2 1 0 2jSQjk 第j个可变作用效应的准永久值 三 汽车荷载计算图式及加载方法 规定 公路桥涵设计时 汽车荷载的计算图式 荷载等级及其标准值 加载方法和纵横向折减等应符合下列规定 1汽车荷载分为公路 I级和公路 II级两个等级 2汽车荷载由车道荷载和车辆荷载组成 车道荷载由均布荷载和集中荷载组成 桥梁结构的整体计算采用车道荷载 桥梁结构的局部加载 涵洞 桥台和挡土墙土压力等的计算采用车辆荷载 车辆荷载与车道荷载的作用不得叠加 3各级公路桥涵设计的汽车荷载等级应符合表4 3 1 1的规定 表4 3 1 1各级公路桥涵的汽车荷载等级二级公路为干线公路且重型车辆多时 其桥涵的设计可采用公路 I级汽车荷载 四级公路上重型车辆少时 其桥涵设计所采用的公路 II级车道荷载的效应可乘以0 8的折减系数 车辆荷载的效应可乘以0 7的折减系数 4车道荷载的计算图式见图4 3 1 1 1 公路 I级车道荷载的均布荷载标准值为qk 10 5kN m 集中荷载标准值按以下规定选取 桥梁计算跨径小于或等于5m时 Pk 180kN 桥梁计算跨径等于或大于50m时 Pk 360kN 桥梁计算跨径在5m 50m之间时 Pk值采用直线内插求得 计算剪力效应时 上述集中荷载标准值Pk应乘以1 2的系数 2 公路 II级车道荷载的均布荷载标准值qk和集中荷载标准值Pk按公路 I级车道荷载的0 75倍采用 3 车道荷载的均布标准值应满布于使结构产生最不利效应的同号影响线上 集中荷载标准值只作用于相应影响线中一个最大影响线峰值处 5车辆荷载的立面 平面尺寸见图4 3 1 2 主要技术指标规定于表4 3 1 2 公路 I级和公路 II级汽车荷载采用相同的车辆荷载标准值 表4 3 1 2车辆荷载的主要技术指标 图4 3 1 2车辆荷载的立面 平面尺寸 图中尺寸以米为单位 图4 3 1 3车辆荷载横向布置 图中尺寸以米为单位 6车道荷载横向分布系数应按设计车道数如图4 3 1 3布置车辆荷载进行计算 7桥涵设计车道数应符合表4 3 1 3的规定 多车道桥梁上的汽车荷载应考虑多车道折减 当桥涵设计车道数等于或大于2时 由汽车荷载产生的效应应按表4 3 1 4规定的多车道折减系数进行折减 但折减后的效应不得小于两设计车道的荷载效应 表4 3 1 3桥涵设计车道数 表4 3 1 4横向折减系数8大跨径桥梁上的汽车荷载应考虑纵向折减 当桥梁计算跨径大于150m时 应按表4 3 1 5规定的纵向折减系数进行折减 当为多跨连续结构时 整个结构应按最大的计算跨径考虑汽车荷载效应的纵向折减 表4 3 1 5纵向折减系数对 通用规范JTGD62 的上述规定 应加以说明的是 1 规范给出的车道荷载是个虚拟荷载 它的标准值qk和Pk是由对汽车车队 车重和车间距 的测定和效应分析得到的 通过对各种桥型的各种跨径的大量试算 进行车道荷载效应与原规范汽车 超20级和汽车 20级效应的比较 按车道荷载计算的效应与原规范比较有升有降 总体上升的多 降的少 试算中同时发现 公路 II级车道荷载可以按公路 I级车道荷载的0 75倍采用 规定当计算剪力效应时 集中荷载标准值Pk应在原规定值的基础上提高1 2倍 其主要用于验算下部结构或上部结构腹板的 2 汽车荷载横向分布系数 桥梁设计时 为取得主梁的最大受力 汽车荷载在桥面上需要偏心加载 其方法仍可按图4 3 1 3所示的车辆荷载横向布置偏心加载确定 3 横桥向设计车道布置及多车道横向折减系数 表4 3 1 3列出了桥面宽度与设计车道数的关系 是以公路工程技术标准规定的一个行车道宽度为3 50 3 75m建立的 也即在某一设计车道数下所建立的行车道宽度 既能适用于3 50m又能容纳3 75m 设N为设计车道数 表中的下限为3 5N 上限为3 5 N 1 如N 3 车辆单向行驶时 行车道宽度即为3 5 3 10 5m 3 5 4 14 0m 它也容纳了3 75 3 11 25m 但是 在以往的桥梁设计中常遇失去行车道数的概念 在按规范规定的偏载加载时 将双车道的行车道宽度布置了三行车队进行计算 例如 以往设计经常出现9 0m的行车道宽度布置了三行车队的事例 而9 0m甚至于10 0m按表4 3 1 3规定仍属于双车道 这样 就加大了桥梁的设计荷载 造成无谓的浪费 当车辆双向行驶时 行车道的下限宽度仍为3 5N 但上限宽度应为3 5 N 2 多车道横向折减的含义是 在桥梁多车道上行驶的汽车荷载使桥梁构件的某一截面产生最大效应时 其同时处于最不利位置的可能性大小 显然 这种可能性随车道数的增加而减小 而桥梁设计时各个车道上的汽车荷载都是按最不利位置布置的 因此 计算结果应根据上述可能性的大小进行折减 这是个概率事件 可以认为各车道上的汽车荷载加载是互不相关的 按重复独立试验随机事件的概率理论 建立多车道横向折减系数与相关变量的关系式 得到折减系数的具体数值 汽车荷载纵向折减系数 规范规定的汽车荷载标准值是在特定的条件下确定的 例如 在汽车荷载的可靠性分析中 用于计算各类桥型结构效应的车队 采用了自然堵塞时的车间间距 汽车荷载本身的重力 也采用了路上运煤车或其他重车居多的调查资料 但是 在实际桥梁上通行的车辆不一定都能达到上述条件 特别是大跨径的桥梁 所以 国外有些规范对车辆荷载适用跨径做了限制 本规范采用纵向折减的方法 对特大跨径桥梁的计算效应进行折减 折减系数 采用专题研究得到的下列公式 L0 0 97913 4 7185 10 5L0 式中L0为计算跨径 以m计 折减系数 以加载长度为函数更合理些 但考虑到折减值较小 且跨径很大的桥梁才进行折减 以L0为函数计算起来更方便一些 四 汽车荷载冲击系数 汽车的冲击系数是汽车过桥时对桥梁结构产生的竖向动力效应的增大系数 冲击影响与结构的刚度有关 一般来说 跨径越大 刚度越小对动荷载的缓冲作用越强 以往规范近似地认定冲击力与计算跨径成反比 直线变化 无论是梁式桥还是拱式桥等 均规定在一定的跨径范围内考虑汽车荷载的冲击力作用 此模式计算方便 但不能合理 科学地反映冲击荷载的本质 本次规范修订 结合公路桥梁可靠度研究的成果 采用了结构基频来计算桥梁结构的冲击系数 汽车荷载的冲击系数可表示为 4 2 式中Yjmax 在汽车过桥时测得的效应时间历程曲线上 最大静力效应处量取的最大静力效应值 Ydmax 在效应时间历程曲线上最大静力效应处量取的最大动效应值 通过规范JTGD60 规定 汽车荷载冲击力应按下列规定计算 1钢桥 钢筋混凝土及预应力混凝土桥 圬工拱桥等上部构造和钢支座 板式橡胶支座 盆式橡胶支座及钢筋混凝土柱式墩台 应计算汽车的冲击作用 2填料厚度 包括路面厚度 等于或大于0 5m的拱桥 涵洞以及重力式墩台不计冲击力 3支座的冲击力 按相应的桥梁取用 4汽车荷载的冲击力标准值为汽车荷载标准值乘以冲击系数 5冲击系数 可按下式计算 当f14Hz时 0 45式中f 结构基频 Hz 6汽车荷载的局部加载及在T梁 箱梁悬臂板上的冲击系数采用1 3 桥梁结构的基频反映了结构的尺寸 类型 建筑材料等动力特性内容 它直接反映了冲击系数与桥梁结构之间的关系 不管桥梁的建筑材料 结构类型是否有差别 也不管结构尺寸与跨径是否有差别 只要桥梁结构的基频相同 在同样条件的汽车荷载下 就能得到基本相同的冲击系数 本规范采用的冲击系数的曲线与美国 加拿大 日本 法国等国家的相关标准规定的曲线的变化规律是一致的 桥梁的自振频率 基频 宜采用有限元方法计算 对于如下常规结构 当无更精确方法计算时 也可采用下列公式估算 1简支梁桥 4 3 mc G g 4 4 式中l 结构的计算跨径 m E 结构材料的弹性模量 N m2 Ic 结构跨中截面的截面惯矩 m4 mc 结构跨中处的单位长度质量 kg m 当换算为重力计算时 其单位应为 Ns2 m2 G 结构跨中处延米结构重力 N m g 重力加速度 g 9 81 m s2 2连续梁桥 4 5 4 6 计算连续梁的冲击力引起的正弯矩效应和剪力效应时 采用f1 计算连续梁的冲击力引起的负弯矩效应时 采用f2 3拱桥 4 7 式中的 1为频率系数 可按下列公式计算 1 当主拱为等截面或其他拱桥 如桁架拱 刚架拱等 时 4 8 其中f 拱桥矢跨比 2 当主拱为变截面拱桥时 4 9 式中的ri为系数 可按下式确定 4 10 其中 n为拱厚变化系数 Ri Ti的数值由表4 4查得 表4 4系数Ri Ti值 第二节极限状态计算原则 1 承载能力极限状态 所谓承载能力极限状态 是指结构或构件达到最大承载力或出现不适于继续承载的变形或变位的状态 它是结构安全性功能极限状态 当结构或构件出现下列状态之一时 应认为超过了承载能力极限状态 1 结构或结构的一部分作为刚体失去平衡 2 结构 结构构件或其连接因超过材料强度而破坏 或因过度的塑性变形而不能继续承载 3 结构转变为机动体系 4 结构或结构构件丧失稳定 超过结构承载能力极限状态将导致人身伤亡和经济损失 因此任何结构和结构构件均需避免出现这种状态 为此 在设计时应控制出现承载能力极限状态的概率 使其处于很低的水平 2 正常使用极限状态 所谓正常使用极限状态是指对应于结构或构件达到正常使用或耐久性的某项限值的状态 它是结构的适用性和耐久性功能极限状态 当结构或结构构件出现下之状态之一 应认为超过了正常使用极限状态 1 影响正常使用或外观的变形 2 影响正常使用或耐久性的局部损坏 例如 钢筋混凝土构件的裂缝宽度超过某个限值 3 影响正常使用的振动 4 影响正常使用的其他特定状态 各种结构或构件都有不同程度的结构正常使用极限状态要求 当结构超过正常使用极限状态时 虽然它已不能满足适用性和耐久性功能要求 但结构并没有破坏 不会导致人身伤亡 因此 出现正常使用极限状态的概率允许大于承载能力极限状态出现率的概率 极限状态设计的基本方程可写为下列形式 1 1 式中 作用 或荷载 效应 结构抗力 1 作用 或荷载 效应与结构抗力的随机性作用 或荷载 效应是指作用 或荷载 引起的内力 例如 弯矩 剪力 轴力 扭矩等 对弹性材料构件 作用 或荷载 效应与作用 或荷载 呈线性关系 因此 可用作用 或荷载 的特性来描述作用 或荷载 效应特性 作用 或荷载 的基本特性是随机性 这种随机性表现在两个方面 其一是作用 或荷载 的取值具有随机性 其二是作用 或荷载 随时间的变化 按作用 或荷载 随时间的变化情况可分为永久作用 可变作用和偶然作用三类 永久作用在设计基准期内量值不随时间变化 或其变化值与平均值比较可忽略不计 但是永久作用 或荷载 的取值具有随机性 例如构件自重 由于材料容重的变化和构件尺寸的偏差可能与计算值不符 是随机变量 可变作用在设计基准期内量值随时间变化 且变化值与平均值比较不可忽略 例如 作用于桥梁上的车辆荷载和人群荷载的作用位置和数值大小都是变化的 其随机性是很明显的 偶然作用在设计基准其内出现的概率很小 一旦出现其值很大 且持续时间很短 例如罕遇地震 车辆或船舶撞击力等 结构抗力的大小 主要取决于结构所用材料强度和构件的几何尺寸 材料强度是随机变量 无论是钢筋或是混凝土的强度都是有变异的 来自不同钢厂的同一种类的钢筋 其实际强度并不完全相同 即使是同一钢厂 甚至同一炉的钢筋强度抽样试验结果也是有差异的 同一设计强度等级的混凝土 由于材料称量不准 施工条件和技术水平的影响 其实际强度的变化幅度就更为显著 构件几何尺寸也是随机变量 由于制造工艺和操作技术等因素 构件的实际尺寸与设计尺寸不可能完全一致 基于以上各种影响因素的随机性 结构抗力亦具有随机性 通用规范JTGD60 规定 承载能力极限状态计算采用的作用 或荷载 效应基本组合为 1 14 对公路桥梁结构最基本作用 或荷载 效应组合是永久作用效应 汽车荷载效应 人群荷载效应 当永久作用效应与可变作用效应同号时 取永久作用分项系数 汽车荷载分项系数 人群荷载分项系数 组合系数 将其代入公式 1 14 则得 1 15 当永久作用效应与可变效应异号时 永久作用分项系数应取0 9 代入公式 1 14 得 1 16 式中 作用 或荷载 效应组合设计值 永久作用 恒载 效应标准值 汽车荷载 包括冲击系数影响 效应标准值 人群荷载效应标准值 第二节混凝土结构的耐久性设计 新颁布的 公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥梁设计规范 JTGD62 2004 以下简称 桥规JTGD62 在总则中增加了耐久性设计内容 提出了公路桥涵结构应根据所处的环境条件进行耐久性设计的概念 2004年5月出版的中国土木工程学会标准 混凝土结构耐久性设计与施工指南 CCES01 2004 以下简称 耐久性设计与施工指南CCES01 进一步提出了混凝土结构及其构件的耐久性应根据不同的设计年限及相应的极限状态和不同的环境类别及其作用等级进行设计的概念 明确提出了环境作用下混凝土结构耐久性设计与施工的基本原则与要求 长期以来 人们受混凝土是一种耐久性能良好的建筑料这一认识的影响 忽视了钢筋混凝土结构耐久性问题 造成了钢筋混凝土结构耐久性研究的相对滞后 并为此付出了巨大的代价 国内外大量调查分析发现 引起混凝土结构耐久性失效的原因存在于结构设计 施工及维修的各个环节 虽然在许多国家的设计规范中都明确规定钢筋混凝土结构的耐久性要求 但是 这一宗旨并没有充分地体在具体设计条文中 致使在以往的乃至现在的工程设计中普遍存在重视强度设计而轻视耐久性设计的现象 我国1989年颁布的 混凝土结构设计规范 和1985年颁布的 公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范 涉及结构耐久性的内容很少 除了一些保证结构耐久性的构造措施的一般规定之外 只对影响混凝土耐久性的裂缝宽度加以控制 实践证明 裂缝控制对结构耐久性设计并不起决定性作用 新颁布的 桥规JTGD62 增加了耐久性设计内容 特别是 耐久性设计与施工指南CCES01 提出的混凝土结构应根据不同设计年限及相应的极限状态和不同的环境进行类别及其作用等级进行耐久性设计的概念 明确提出了环境作用下混凝土结构的耐久性设计与施工的基本原则与要求 是结构设计理念上的重大突破 是工程结构科学的重大技术进步 对提高设计质量具有指导意义 混凝土结构的耐久性是指结构对气候作用 化学侵蚀 物理作用或任何其他破坏过程的抵抗能力 由于混凝土的缺陷 例如裂隙 孔道 汽泡 孔穴等 环境中的水及侵蚀性介质就可能渗入混凝土内部 产生碳化 冻融 锈蚀作用而影响结构的受力性能 并且结构在使用年限内还会受到各种机械物理损伤 腐损 撞击等 及冲刷 溶蚀 生物侵蚀的作用 混凝土结构的耐久性问题表现为 混凝土损伤 裂缝 破碎 酥裂 磨损 溶蚀等 钢筋的锈蚀 脆化 疲劳 应力腐蚀 以及钢筋与混凝土之间粘结锚固作用的削弱等三个方面 从短期效果而言 这些问题影响结构的外观和使用功能 从长远看 则会降低结构安全度 成为发生事故的隐患 影响结构的使用寿命 一 混凝土结构的耐久性 影响混凝土结构耐久性的因素十分复杂 主要取决于以下四个方面 1 混凝土材料的自身特性 2 混凝土结构的设计与施工质量 3 混凝土结构所处的环境条件 4 混凝土结构的使用条件和防护措施 混凝土材料的自身特性和结构的设计与施工质量是决定其耐久性的内因 混凝土的材料组成 如水灰比 水泥品种和数量 骨料的种类与级配都直接影响混凝土结构的耐久性 混凝土的缺陷 例如裂缝 气泡 空穴等 都会造成水分和侵蚀性物质渗入混凝土内部 与混凝土发生物理化学作用 影响混凝土结构的耐久性 混凝土结构所处的环境条件和防护措施 是影响混凝土结构耐久性的外因 外界环境因素对混凝土结构的破坏是环境因素是对混凝土结构物理化学作用的结果 环境因素引起的混凝土结构损伤或破坏主要有 1 混凝土的碳化混凝土的碳化是指混凝土中氢氧化钙与渗透进混凝土中的二氧化碳和其它酸性气体发生化学反应的过程 一般情况下混凝土呈碱性 在钢筋表面形成碱性薄膜 保护钢筋免遭酸性介质的侵蚀 起到了 钝化 保护作用 碳化的实质是混凝土的中性化 使混凝土的碱性降低 钝化膜破坏 在水分和其它有害介质侵入的情况下 钢筋就会发生锈蚀 2 氯离子的侵蚀氯离子对混凝土的侵蚀是氯离子从外界环境侵入已硬化的混凝土造成的 海水是氯离子的主要来源 北方寒冷的冬季向道路 桥面洒盐化雪除冰都有可能使氯离子渗入混凝土中 氯离子对混凝土的侵蚀属于化学侵蚀 对结构的危害是多方面的 但最终表现为钢筋的锈蚀 3 碱骨料反应碱 骨料反应一般指水泥的碱和骨料中的活性硅发生反应 生成碱 硅酸盐凝胶 并吸水产生膨胀压力 造成混凝土开裂 碱 骨料反应引起的混凝土结构破坏程度 比其他耐久性破坏发展更快 后果更为严重 碱 骨料反应一旦发生 很难加以控制 一般不到两年就会使结构出现明显开裂 所以有时也称碱骨料反应是混凝土结构的 癌症 4 冻融循环破坏渗入混凝土中的水在低温下结冰膨胀 从内部破坏混凝土的微观结构 经多次冻融循环后 损伤积累将使混凝土剥落酥裂 强度降低 5 钢筋锈蚀钢筋腐蚀是影响钢筋混凝土结构耐久性和使用寿命的重要因素 混凝土中钢筋腐蚀的首要条件是混凝土的碳化和脱钝 只有将覆盖钢筋表面的碱性钝化膜破坏 加之有水分和氧的侵入 才有可能引起钢筋的腐蚀 钢筋腐蚀伴有体积膨胀 使混凝土出现沿钢筋的纵向裂缝 造成钢筋与混凝土之间的粘结力破坏 钢筋截面面积减少 使结构构件的承载力降低 变形和裂缝增大等一系列不良后果 并随着时间的推移 腐蚀会逐渐恶化 最终可能导致结构的完全破坏 值得注意的是 几乎所有侵蚀混凝土和钢筋的作用都需要有水作介质 另一方面 几乎所有的侵蚀作用对混凝土结构的破坏都与侵蚀作用引起的混凝土膨胀 并都与最终的混凝土开裂有关 而且当混凝土结构开裂后 腐蚀速度将大大加快 混凝土结构的耐久性将进一步恶化 在影响混凝土结构耐久性的诸多因素中 钢筋锈蚀危害最大 钢筋锈蚀与混凝土碳化有关 混凝土保护层碳化是钢筋锈蚀的前提 水分 氧气的存在是引起钢筋锈蚀的必要条件 因此 提高混凝土结构耐久性的根本途径是增强混凝土密实度 防止或控制混凝土开裂 阻止水分的侵入 加大混凝土保护层的厚度 防止由于混凝土保护层碳化引起钢筋钝化膜的破坏 二 混凝土结构耐久性设计原则 混凝土桥梁结构的耐久性取决于混凝土材料的自身特性和结构的使用环境 与结构设计 施工及养护管理密切相关 综合国内外研究成果和工程经验 一般是从以下三个方面解决混凝土桥梁结构的耐久性 1 采用高耐久性混凝土 增强混凝土的密实度 提高混凝土自身抗破损能力 2 加强桥面排水和防水层设计 改善桥梁的环境作用条件 3 改进桥梁结构设计 其中包括加大混凝土保护层厚度 加强构造钢筋 防止控制裂缝发展 采用具有防腐保护的钢筋 例如 体外预应力筋 无粘结预应力筋 环氧涂层钢筋等 1 结构混凝土耐久性的基本要求提高混凝土自身的耐久性是解决混凝土结构耐久性的前提和基础 混凝土的耐久性主要取决于混凝土的材料组成 其中水灰比 水泥用量 强度等级均对耐久性有较大影响 新颁布的 桥规JTGD62 在总则中增加耐久性设计内容 明确规定了不同使用环境下 结构混凝土的基本要求 对影响混凝土耐久性的最大水灰比 最小水泥用量 最低强度等级 最大氯离子含量和碱含量做出了限制规定 桥规JTGD62 规定 公路桥涵应根据所处环境进行耐久性设计 结构混凝耐久性的基本要求应符表2 1的要求 表2 1结构混凝土耐久性的基本要求 注 1 有关规范对海水环境结构混凝土中最大水灰比和最小水泥用量有关详细规定时 可参照执行 2 表中氯离子含量系指其与水泥用量的百分率 3 当有实际工程经验时 处于 类环境中结构混凝土的最低强度等级可比表中降低一个等级 4 预应力混凝土构件混凝土中的最大氯离子含量为0 06 最小水泥用量为350kg m3 最低混凝土强度等级为C40 或按表中规定 类环境提高三个等级 其他环境类别提高二个等级 5 特大桥和大桥混凝土中的最大碱含量为1 8kg m3 当处于 类或使用除冰盐和滨海环境时 宜使用非碱活性骨件 规定 对水位变动区有抗冻要求的结构混凝土 其抗冻等级不应低于表2 2的规定 注 1 混凝土抗冻性试验方法应符合现行标准JTJ053的规定 2 墩 台混凝土应选比表列值高一级的抗冻等级 耐久性设计与施工指南CCES01 按结构设计使用年限 级别和环境作用等级对配筋混凝土的最低强度等级 最大水灰比和单方混凝土胶凝材料的最低用量作出了限值规定 见表3 表2 2水位变动区混凝土抗冻等级选用标准 表3砼最低强度等级 最大水胶比和胶凝材料最小用量 kg m3 注 1 水胶比 混凝土配制时的用水量与胶凝材料 水泥加矿物掺和料 总量之比 在耐久混凝土的配合比中 常以胶凝材料用量的概念取代传统的水泥用量 并以水胶比取代传统的水灰比作为判断混凝土密实性或耐久性的一个宏观指标 2 桥梁结构处于露天环境 非寒冷地区环境作用等级一般取B级 寒冷及严寒地区一般取D级或C级 除冰盐 冻融环境一般取D级或E级 近海或海洋环境一般取D或F级 应该指出 表2或表3中给出的影响结构混凝土耐久性的各项限值规定中 控制混凝土的最大水灰比 或水胶比 和最小水泥 或胶凝材料 用量是十分重要的 水灰比 或水胶比 和水泥 或胶凝材料 用量不仅影响混凝土的强度 而且是影响混凝土耐久性的主要因素 为了防止钢筋腐蚀以及提高混凝土的抗冻性 混凝土应尽可能地密实 使其具有良好的抗渗透性能 为此 除了选择级配良好的集料和精心施工保证混凝土充分捣实和水泥充分水化外 水灰比是影响混凝土密实性的最重要的条件 为了保证混凝土有足够的耐久性 控制最低水泥用量也很重要的 因为单位水泥用量较高的混凝土 混凝土拌合物比较均匀 可减少混凝土捣实中出现的局部缺陷 混凝土抗冻融的能力与其含气量有密切关系 因此 有抗冻要求的结构混凝土应掺入适量的引气剂 2 加大钢筋的混凝土保护层厚度混凝土碳化是钢筋锈蚀的前提 就一般情况而言 只有保护层混凝土碳化 钢筋表层钝化膜破坏 钢筋才有可能锈蚀 因此 加大钢筋的混凝土保护层厚度 是保护钢筋免于锈蚀 提高混凝土结构耐久性的最重要的措施之一 桥规JTGD62 给出的钢筋最小混凝土保护层厚度列于表4 表4普通钢筋和预应力直线钢筋最小混凝土保护层厚度 mm 注 1 对于环氧树脂涂层钢筋 可按环境类别 取用 2 保护层厚度大于50mm时 亦在保护层内设置钢筋网 耐久性设计与施工CCES01 规定 钢筋的混凝土保护层厚度C一般应不小于表给出的最小保护层厚度与保护层厚度施工负允差 之和 即C Cmin 式中的施工负允差 对现浇混凝土构件可取5 10mm 对工厂生产的预制构件可取0 5mm 视钢筋施工定位工艺和质量保证的可靠程度而定 必要时可取更高的数值 表5混凝土保护层最小厚度 mm 3 加强构造配筋 防止和控制混凝土裂缝混凝土结构的任何损伤与破坏 一般都是首先在混凝土中出现裂缝 裂缝是反映混凝土结构病害的晴雨表 反过来 裂缝的存在会增加混凝土渗透性 提拱了使侵蚀破坏作用逐步升级 混凝土耐久性不断下降的渠道 当混凝土开裂后 侵蚀速度将加大加快 形成导致混凝土结构耐久性的进一步退化的恶性循环 因此 防止和控制混凝土的裂缝 对提高混凝土结构的耐久性是十分重要的 控制混凝土的裂缝 除按规范要