空心板铰缝梁桥经时外用性能评价

空心板铰缝梁桥经时外用性能评价

空心板桥的横向传输能力通过现柱的交叉点实现，但现柱混凝土的质量低于预制混凝土。交叉点是用于应对混凝土空心桥的易受损部分。在中国西部，为了去除桥的雪雪，通常使用除冰盐。氯盐的侵蚀极大地加剧了桥的损坏过程。因此，对空心板梁桥的耐用性研究尤为重要。在本研究中，引入空心板的交换器组件，以评估相邻空心板的交换率。在此基础上，通过对交换器内钢筋的腐蚀过程进行研究，建立了氯盐侵蚀下交换器内钢筋的腐蚀率时间变化的计算公式，并根据时的变化调整空心板的交换率。评估深度、中、浅空心板的耐用性。1空心箱的弯曲性能试验1.1铰缝构造试件本研究以漏斗形铰缝结构作为研究对象,按照铰缝深度与预制空心板高度的比值,常用的空心板梁桥铰缝分为浅、中、深3种形式.考虑实验室试验条件,按照相同比例进行了截面高度缩尺设计,共设计了跨度为2m的深、中、浅3种不同的铰缝构造试件15根,其中每种铰缝各留1根不腐蚀作为对比试件;然后将每种构造的各3根共9个试件用于除冰盐侵蚀环境下的铰缝耐用性能研究;另留深、中、浅各1根试件用于相关的试验验证.考虑空心板梁桥主要靠板肋承受竖向荷载的特点以及本项目的研究目的,略去空心板上下翼缘板,将试件设计成仅考虑铰缝变化的截面.为了模拟真实空心板截面对环境作用的响应,对试件的两个侧面进行了介质阻断密封处理.试件成型分2阶段:先浇注成型铰缝两侧部分,28d后,按照常用铰缝设计配置铰缝钢筋,进行拼装并设置50mm的现浇面层;最后浇注成如图1所示的截面形式.铰缝构造尺寸如表1所示.1.2试件的制作与腐蚀为了模拟除冰盐的侵蚀作用,并考虑加速钢筋锈蚀过程,设计干湿循环并通电快速锈蚀的侵蚀制度.先将试件置于体积分数为5%的NaCl溶液中浸泡1个月.然后取出试件置于支架上,在其上表面覆盖浸有NaCl溶液的湿沙,采用红外灯进行60℃/d、持续6h/d的加热,以模拟日照作用.同时采用通电快速锈蚀方法,平均通电腐蚀电流密度保持为icorr2A/m2.侵蚀试验以铰缝底部开裂达到0.5mm而结束.1.3荷载-挠度曲线按照《混凝土结构试验方法标准》(GB50152—92)有关条文,对试件进行加载试验.在试验过程中,随着荷载不断增大,试件均呈现与同跨度的简支梁相似的变形规律.但同时发现:随荷载的增大,安装在梁底铰缝两侧反映挠度变化的百分表读数逐渐产生差异.特别是试件开裂后,两侧的挠度f1和f2差异愈加明显,大大超过平均挠度的5%(试验误差的允许差值).当试件破坏时,铰缝两侧部分发生相对错位.图2示给出了一个试件的荷载-挠度(M-f)曲线,图中Δf=|f1-f2|为荷载作用下的挠度差.2空心板连接和缝合的共同分工系数2.1空心板铰缝协同工作系数根据试验现象,认为铰缝内所存在的各种因素引发的损伤会导致作用荷载在铰缝两侧产生不均匀分配,由此产生试件铰缝两侧的挠度差,所以铰缝状况对两侧空心板共同工作状况的影响可由在荷载作用下的挠度差Δf=|f1-f2|来反映.以表示结构整体的平均挠度,引入空心板铰缝协同工作系数来反映铰缝对结构整体性能影响.由式(1)可知φ值越小,表征空心板铰缝协同工作性能越好.2.2空心板铰缝协同合作试验铰缝构造较复杂,从理论分析角度建立空心板铰缝协同工作系数的计算公式非常困难,本研究基于试验结果,通过因素分析,采用数理统计方法来拟合计算公式.影响空心板铰缝协同工作性能的主要因素有铰缝形式、混凝土强度、铰缝配筋率以及铰缝损伤程度(铰缝混凝土的劣化及横、纵向钢筋的锈蚀)等.因此,φ的表达式中应包括铰缝形式参数(面积和惯性距等)、混凝土强度参数、配筋量(铰缝内纵筋和横筋配筋量)及铰缝损伤状态(铰缝内纵筋和横筋的锈蚀程度).考虑桥面铺装层和铰缝系整体浇筑,在此将桥面铺装层的作用一并考虑.通过构造多个函数形式,将3根未腐蚀试件及9根先期腐蚀试件共12根试件的试验数据进行回归,以与试验结果相关性最好的原则进行选择,确定空心板铰缝协同工作系数的计算式为式中:Aj为铰缝截面积;A为计算单元截面积;i为铰缝形心至计算单元截面几何中心的距离;h0为计算截面有效高度;μs和μsv为铰缝构造的纵、横筋平均锈蚀率,处于铰缝内不同深度处;fc′/fc为铰缝构造混凝土强度与空心板混凝土强度比,且fc′/fc≤1;ρs=As/Aj为铰缝构造纵向配筋率,As为铰缝构造纵向配筋面积;Asv/(shj)为铰缝构造横向配箍率,s为铰缝横向配筋间距,hj为铰缝深度;Asv为铰缝构造横向配筋面积.式(2)相关的统计参数为:相关系数r2=0.802;估算离差σ=0.09.3内钢筋的腐蚀程度3.1极低水腐蚀速率pcr法混凝土中钢筋的腐蚀过程本质上是一个电化学过程,反应过程中电荷在阴、阳极间不断地迁移,常用t时刻的腐蚀电流密度icorr(t)表示阳极电流密度.Baweja等人根据法拉第定律,得出钢筋厚度的腐蚀速率pcorr的计算公式为式中:M=55g/mol,铁的原子量;F=9.65C/mol,法位第常数;n=2,得失电子数;ρ=7.8g/cm3,铁的密度.3.2铰缝钢筋腐蚀参数分析考虑在通电锈蚀状态下,钢筋沿截面均匀锈蚀,以及通电电流保持恒定.可根据式(3)得到通电腐蚀时间T时的钢筋锈蚀深度表2示出了参与回归统计的9根先期腐蚀试件铰缝钢筋的锈蚀状况及相关参数.由于铰缝内不同高度处的钢筋锈蚀程度也不同,根据试件破形后铰缝内不同位置锈蚀钢筋的酸洗结果进行统计分析,通过构造多种函数形式,以相关性最好的原则进行选择,经回归计算,得到通电腐蚀时间T时铰缝内不同高度处的钢筋锈蚀率计算公式式中:x为铰缝钢筋距离构件上表层的距离;R为铰缝钢筋半径;k=8×10-6;相关系数r2=0.75,σ=0.13.3.3corr性能测试快速通电与自然环境下的钢筋锈蚀都是电化学过程,都可以用法拉第定律描述钢筋锈蚀过程.依据文献及其相关结论,通电快速锈蚀速度与自然条件下锈蚀速度存在倍率关系,即式中in,corr为自然环境下钢筋的腐蚀电流密度.由于快速通电锈蚀试验腐蚀电流密度可以人为设定,若能够测定与构件放置实际环境条件相近的混凝土构件内的钢筋锈蚀电流密度,则可利用式(6)对实际环境中的混凝土结构构件内钢筋达到相同锈蚀程度的服役年限进行推定.根据文献,与除冰盐大致相当的环境,当icorr=0.2mA/cm2时,锈蚀时间倍率约为26倍.而采用Groce8的测试结果,所获得的时间倍率约为10.在本研究中,偏保守地取用二者之间较低的时间倍率10,对实际除冰盐环境下空心板桥梁的服役年限进行推定.4一起工作性能4.1钢筋越界试的预测精度分析表3给出了按照式(5)对3根验证试件的计算结果(μ计)与试验结果(μ试)的对比分析.由表3看出:实测的钢筋锈蚀率与式(5)计算的钢筋锈蚀率比值的平均值为1.10,变异系数为0.054.显然,式(5)具有较好的预测精度.4.2静载试验结果将式(5)带入式(2),即可得到在役试件的铰缝协同工作系数的变化规律:为验证式(7),对试件LDWI-3,MDWI-3,DDWI-3在相同除冰盐腐蚀试验后进行静载试验,并将试验所得结果及运用式(7)计算得到的铰缝协同工作系数φ同时绘于图3(图中:σ为计算结果与实测结果的数理统计偏差).显然,式(7)的计算值与验证试件的试验结果比较一致.5协同工作系数以本研究所设计的深、中、浅3种铰缝试件为评价对象,采用式(7)对铰缝协同工作系数的变化规律进行了计算(图4).由图4可知:a.在结构服役期间,协同工作系数不断增大,表征铰缝横向传力性能逐渐劣化;b.根据协同工