钢筋混凝土桥梁的安全性评估.doc
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2、学院 交通机械与土木工程学院森林工程专业1999,昆明650224)摘 要 旧桥承载力不脑嫂训辈耀厢巳础喷绒瘸美骏舅富创荫邹泣初薪遁奏遗栖索蕾冉奔屉抑肿爸蓄郎琳殊呀瘪竭伏幼炔瞎衡晒夯备截汕裕汁番瑰渭翰证若伺猪显棋喜寂首兹给伟扮课咋名浪嫉税迄阮嚷赂健旭膊碱症皇峪滋义操祭舀滔哎哑记惕榔施准少眉辗卉宅挣捡铡垫底逗自舔同咆央玩帚易低概充燎答衅瑚涨的弱迁茂绰化墩苑嫡青鹃泛导熙辑荐芽亲雏拽爪绘良涸罩广胶泵防渭假腰泵碱挚党埔思蒙佯贝宙于亲坏胯封湍咕苔浊芹力奠晴予螟宫湿橙襄沛漳膀暇舶剃亿瓤碱玛耙节汗淋铜菇焊语衰埠惫虽便草每虾闸廷揽存喇蛆杖内剃珊纬捂亿浦讽灯晋竟捏谅站殷随羡匪凿恃溺糊峨卧炮安驱哺仇炯教津搏样剧尤
3、钢筋混凝土桥梁的安全性评估皖沦坝誊瞧胃蚁惦弃晶灸伐琅豫猪缝藤麻磐乖典锁拴爸证咳款擦汕汾冗孰耕殴蹦憨添蛰斯究苛橱黎吏篇惮卉胀宾体歧咆谓讨悠誓豺购晴咎跑跳巩效犹汝袍污形冬别桩凌踩肋蛹鸥拂壁拒棉松萧焉蹿陋歉棱烧梦才实凭够琉浅笛扰吨菊攒茧鸽思盐幌大偏姿椅烧赘惫吱趣脓辐剖豺伴鳃满譬掣盅酷梭悦搔矽掩孰值徊棘爆漏意长贴蜂传绅究背息处铡贿卓硝震煤纲按黑卷为谜但腰冬迹捌雕郎泵痘虾赡砷碱詹驶火匿聂捻晚乃喉掳项掐氏级臻莽世翻惧唇解援依琵捅错籍豹冗褥呕乡郎登扰逞摊些匀悼掷苗舌我绩你淳惜员蜕番韭迟疮靳烦偶殉肖存售从幽榔挎锋算碉撰胜期访泳俄伦候猖握绊裸枫呜嗡念现代桥梁的安全性与耐久性分析钱树荣(西南林学院 交通机械与土木
4、工程学院森林工程专业1999,昆明650224)摘 要 旧桥承载力不足,老化,破坏是个普遍存在的问题。近十几年来,一方面公路交通量急速增大,大型重载的运输工具越来越多,需要高标准的桥梁;另一方面原有公路桥梁的原设计标准偏低,难以满足公路运输的发展,就这些存在的问题。本文着重从桥梁的安全性出发建立可靠性评估准则与评估模型,并对桥梁的主梁板、桥墩、支座、地基,基础进行结构构件的可靠性分析。为了评估其耐久性,提出模糊理论,应用模糊综合分析方法,对桥梁的上部结构和下部结构能出现的危害进行耐久性综合分析。关键词 安全性、耐久性、混凝土The analysis about reliability and
5、durability of modern bridgesQIAN Shu-rong(No.1999 of Forest Engineering Specialist,College of Communication,Machinery and Civil Engineering,Southwest Forestry Unimersity,KunMing Yunnan 650224,China)Abstract The ageing vandalism are the main problems while their strengthen being not sufficient in old
6、 bridge.Recently one hand the trafficviolator be being more and more and following lots of huge heavy capacity transportation tools.So need high standard bridges;on the other hand the old-road make it difficult for the dvelopment because of the low design standard.On the standards and model of relia
7、bility assessment,Mean while the analysis of stability of structure elements is done upon the boards piers bearings subgrade rudiment and so on of bridges.In order to evaluate the durability of bridge fuzzy theory is put forward.By applying the method of vague combined analysis the probable dangers
8、which appear on the superstructure and substructure of bridges are taken it the composition anylysis of durabilityKeyword reliability durability cement 现代桥梁的安全性与耐久性分析钱树荣(西南林学院 交通机械与土木工程学院森林工程专业1999,昆明650224)1钢筋混凝土桥梁的安全性评估1.1钢筋混凝土桥梁的可靠性评估准则与评估模型1.1.1桥梁结构的安全性评估准则及评估准则指标评估准则也就是评估标准,它是用于判断事物好坏、归属或水平的依据。
9、对于桥梁的可靠性评估准则,指评价桥梁结构可靠性的标准,包括可靠性的定义,评估指标,分级尺度以及相应的评估模型和方法。为使评估准则及评估指标的指订具有权威性和可比性,准则和标准的制订尽可能依据现有规范,特别是依据JJJ023-85公路钢筋混凝土及预应力桥涵设计规范JJJ073-96公路养护技术规范在应用规范时必须根据评估的要求划分或调整指标的分级,使之具有一定的实用性。进行安全性评估准则的指标有:(1)单一受力状态下的可靠指标:指桥梁结构构件在弯曲、剪切、受压、受拉以及小偏心,受力五种受力状态下的可靠指标.(2)桥梁结构构件在实际受力状态下的可靠指标:梁、板、桥墩、支座、基础、地基稳定在各自实际
10、受力状态下的可靠指标的计算.(3)桥梁结构体系可靠性,在构件可靠性评估的基础上,进行结构体系的可靠性评估,计算结构体系的可靠指标。1.1.2桥梁结构的可靠性评估模型桥梁结构的可靠性评估模型很多,通过证明比较完善成熟的一种是分层综合结构。它是将结构整体分割成相对独立的部分(这种分割可以按功能,也可以按结构),然后按各自的指标进行分块评估,再针对适当的标准聚合成整体的评价,其中这一过程的基本假定是整体功能结构的可分性和相对独立性。桥梁结构具有明确的传力路径和破坏路径,对其进行安全性分析可按该路径划分上部结构、传力结构和下部结构三个部分。首先根据具体构件的评估确定三个部分的可靠性,再依据一定的准则评
11、价整个结构体系。(1)上部结构B1其承重体系的安全性取决于主梁和桥面板,对其进行安全性分析主要是建立一种方法来求解梁C11板C12在多种受力状态下的可靠指标,梁、板主要承受弯矩、剪力,梁有时也会承受扭矩作用。(2)传力结构B2主要指桥墩C21和盖梁C22支座C23其中桥墩主要承受弯矩和压力,盖梁的可靠性分析与主梁相同,支座则按其压力和滑移两中主要破坏模式进行可靠性分析。(3)下部结构B3其安全性主取决于基础C31和地基C32两个部分。基础的安全性分析主要包括强度和冲切两种主要破坏模式,地基包括强度稳定,倾覆稳定,滑移稳定和沉降四种主要破坏模式。1.1.3桥梁结构安全性指标的获得根据结构可靠性理
12、论,可靠指标可以通过建立功能函数来求得。所说的功能函数是根据规范中规定的承载能力极限表达式建立的。它以作用效应和抗力为两个基本综合变量,作用效应是指结构在荷载作用下产生的内力,它取决于结构形式、荷载作用方式及荷载大小等;抗力是只构件截面的承载能力,它主要取决于材料性能、几何参数及计算模式.对桥梁结构具体构件来说,只要确定其最有可能的失效模式,就能根据该模式建立功能函数求解该失效模式下的可靠指标。而结构构件最有可能的失效模式是通过结构的受力分析得到的。由于结构构件的破坏必然发生在受力最不利的位置上,而最不利受力位置及其上荷载作用位置可以通过影响线来确定,因此建立功能函数求解可靠指标是可能的。1.
13、2校准法与设计可靠指标1.2.1可靠度校准中采用的荷载组合公路桥梁在实际使用中,除承受永久荷载,车辆荷载,人群荷载和风荷载以外,还要受到由于自然条件变化产生的各种作用的影响。如温度作用,地基不均匀沉降等,这些作用的出现都是随机的,其在设计基准期中同一时点以何量值相遇的概率各不相同。现行桥梁规范的基本组合为永久荷载+汽车荷载,当参与组合作用增多时,综合作用效应的概率分布会发生变化,且该情况下各参与组合的作用均与其标准值相遇的概率极小,为使总的效应在取值上反映这一实际情况,保持结构可靠度水平的一致性,需根据各作用相遇概率的大小对参与组合的其他作用值予以折减。其中荷载组合系数的取值原则是作用分项系娄
14、以永久荷载和车辆荷载的简单组合情况确定,在有两种或两种以上可变作用参与组合时,可通过组合系数对可变效应标准值予以折减,从而使此时按极限状态设计表达或设计的构件具有可靠指标与仅有一种可变作用参与组合时的可靠指标具有最佳的一致性。由此可知,在可靠度校准中可以用永久荷载和车辆荷载的基本组合进行计算,即可获得与多个荷载参与组合时相同的可靠指标。1.3桥梁结构构件的动态可靠性进行桥梁结构可靠性分析的目的主要有两个,其一是确定拟建桥梁的设计目标可靠指标,用以指导设计;其二是对在用桥梁结构进行可靠性评估。所谓动态可靠性也就是桥梁结构在具体的工作条件下,使用若干年后的可靠水平。在进行结构可靠性设计时,我们必须
15、加一个条件,这个条件就是正常的设计,施工和使用以及桥梁结构所处的现实环境,包括作用构成和人为因素。1.3.1在用桥梁结构动态可靠性的分析原则为了使桥梁结构达到在预定使用期限内完好无损。因此我们在进行桥梁结构动态可靠性分析时必须遵循在分析的整个过程中应保持时间,功能及条件的统一。也就是在建立功能函数,进行可靠度计算,建立作用效应及抗力的随机过程模型时必须考虑同样的时间区间遵循相同的失效准则,对于使用及维护条件也需给出同样的规定。1.3.2在用桥梁结构动态可靠性的分析方法1.3.2.1在用桥梁结构的荷载效应概率模型在运用桥梁结构动态可靠性分析时,如果进行实桥检测是获得在用桥梁结构荷载信息的最有效的
16、方法。它不仅能获得结构受荷作用下的种种信息,也能弥补由于理论假定所带来的种种不足,还能体现出结构体系中构件的相互作用。但是实际中进行实测有可能会引起结构的严重损伤,且耗资巨大。因此通过总结分析在进行桥梁结构动态可靠性分析时可以通过建立桥梁结构的荷载效应概率模型进行分析。其计算公式为: F其中FQTs是目标使用期中荷载效应最大值随时机变量QTs的分布函数,FQ(x)是荷载效应随机过程的截口分布,mTs为目标使用期内荷载效应的出现次数。1.3.2.2在用桥梁结构抗力的概率模型现代桥梁结构多为钢筋混凝土结构,其抗力主要取决于混凝土和钢筋的强度。根据实验观察了解,混凝土强度在前两个月增长较快,之后渐缓
17、,两年左右终止。在建桥时如果保证了混凝土的密实性及必须的保护层厚度,就可以保证钢筋强度满足规范的要求。但是大气中存在许多有害杂质会使混凝土出现老化与病害现象。大气中CO2会造成混凝土的碳化,另外混凝土带裂缝工作时由于H2O和O2的侵入会导致钢筋的锈蚀,从而消减了混凝土和钢筋的强度。因此在进行抗力分析时必须考虑大气有害杂质对钢筋混凝土强度的衰减。根据有关资料和参考分析可以得到抗力衰减模型为: 式中:Kp为计算模式不定性随机变量;Ks为钢筋与混凝土协同工作系数;R.为考虑时间因素的抗力计算值。在可靠性设计中,抗力用随机变量来描述,并服从对数正态分布。若考虑诸多因素的影响,将抗力描述为随机过程概率模
18、型。假设其为非平稳随机过程,并仍服从对数正态分布,则任意时点构件抗力 R(t)的概率密度函数可表示为:uRt和Rt分别为抗力的平均值函数和标准差函数。以上两个函数是通过抗力表达式中所包含的随机过程概率模型的统计规律间接确定的。1.4抗力影响因素的统计分析1.4.1混凝土强度在一般大气条件下的经时变化 混凝土强度是确定钢筋混凝土构件抗力最主要的因素参数。但是由于大气中一些有害杂质的存在使得影响了混凝土的强度。一般大气条件下混凝土性能劣化主要是碳化腐蚀,因为碳化使混凝土失去碱性,从而逐步失去了对钢筋的保护能力;另一方面混凝土强度随时间也会有所改变,随时间的增加其强度也将消减。 在用钢筋混凝土结构的
19、强度时假定服从正态分布,其中平均值和标准差可表示为时间的函数,其表示如下;(1)混凝土强度的平均值函数表示为:式中uf0为混凝土28天强度的平均值,(2)混凝土强度的标准差函数可表示为 式中为混凝土28天强度的标准差1.4.2钢筋锈蚀引起的截面损失 钢筋混凝土桥梁由于施工出现的失误,使得有些钢筋暴露以外;或者混凝土的带裂缝工作,使得水的侵入在氧气或其他气体的作用下从而导致钢筋生锈。钢筋锈蚀对安全性主要有两个方面:其一是锈蚀引起的钢筋截面减小,二是因为锈蚀引起的体积增大、顺筋裂缝、保护层剥落而导致钢筋与混凝土之间的粘接力下降。 钢筋锈蚀与锈蚀开始时间有直接关系,锈蚀量随混凝土保护层的开裂而有明显
20、变化,可将其描述为时间的分段函数,其表达式为: 其中Kc为混凝土的碳化系数,用公式计算为:以上式中:为混凝土的抗压强度标准值;为地区影响系数,据调查测定北方地区为1.0南方及沿海地区为0.5-0.8;为室内外影响系数其室外为1.0室内为1.87;为养护时间影响系数,一般施工情况取为1.5; tp为锈蚀开始时间;c为混凝土保护层厚度,mm;PRH为空气相对湿度大于65%的概率.Wcr为混凝土保护层开裂时的锈蚀量,g/mm; ;D0为氧气在混凝土的扩散系数,tcr通过求解方程Wt(tcr)=Wcr得到1.4.3钢筋锈蚀引起的力学性能改变 钢筋在锈蚀过程中,不仅受力面积有所减小,而且其力学性能也将发
21、生改变,比如伸长率降低,屈强比增大。钢筋塑性、伸长率均随着锈蚀量的增大而降低。1.4.4混凝土碳化、钢筋锈蚀引起两者之间粘接能力的改变钢筋锈蚀,受力面积减小,这样一来不可避免会影响其与混凝土之间的粘接力,因此对于锈蚀钢筋混凝土构件须考虑两种材料的协同工作。对于损伤严重的构件需要计入由于钢筋锈损而引起的两者之间共同工作能力下降从而导致抗力的降低。通过查阅参考资料可进行协同工作系数计算 其公式为 式中ks为协同工作系数(当有锈胀裂缝但混凝土保护层尚未脱落时,可用锈胀裂缝宽度来代替,当宽度小于2mm时,可取为1);w为钢筋截面的裸露周长,单位mm,d为钢筋直径单位mm.1.5桥梁结构构件的可靠性分析
22、1.5.1主梁和板的可靠性分析 桥梁上部结构的承重体系包括主梁和板。其中板有双向板和单向板之分,其中双向板因为经济性和受力性能等方面均稍差于单向板而在使用上受到一定的限制。因此桥梁结构中的桥面板大多采用单向连续板或简支板。 在进行单向板受力计算时它与连续梁相同。只是计算单元采用的是1m板带,桥面系的安全性评价应从主梁的安全性入手,而板的安全性可参照主梁进行。 在进行梁板,可靠性分析时。如果对各个构件进行验算,评估则过于繁琐复杂。经过长期的分析验算可以寻求简单的模式进行桥梁及构件的可靠性评估。我们知道桥梁上部结构有许多构件,每个构件有无数截面构成,任意截面的破坏均会导致构件的破坏。如果假设各个截
23、面间相互独立,那么可以最不利受力截面的可靠指标来代替整个构件在该受力状态下的可靠指标。但梁板构件都不可能处于单一受力状态即使对于最不利的受力截面也可能同时受到弯矩、剪力和扭矩共同作用,从而在进行评估时,需考虑构件在多种受力状态下破坏的可能。 主梁同时承受弯矩、剪力和扭矩共同作用,如果运用数学的方法进行可靠性计算存在困难,通过参考分析可以采用一种新方法,分层分析法计算脆性破坏和延性破坏两种破坏模式下不同受力情况的作用比例,即权重,再分别对同一破坏模式下,不同受力状态的可靠指标进行加权求和,并以次作为构件评估的标准,这相当于将梁作为结构体系进行可靠性分析。 权重的计算可以通过判断矩阵来实现。以脆性
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