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考虑荷载与碳化和氯离子侵蚀的混凝土箱梁多维劣化机理及耐久性设计方法

刘应龙  
【摘要】:混凝土箱梁可认为是由顶板、底板和腹板等构成的空间结构,因此不仅在受力方面具有空间多维性,同时在受到碳化、氯离子侵蚀等环境作用影响时,也将表现出空间多维性的特点。本文以高速铁路、公路和市政桥梁中占比最大的混凝土箱梁为对象,针对一般环境中最容易发生的混凝土碳化和受氯离子侵蚀的环境影响因素,通过理论分析、模型试验和数值仿真,进行了箱梁空间多维劣化机理与耐久性的研究。主要研究成果如下:(1)针对箱梁由于空间薄壁效应引起的弯曲受力的剪力滞效应,基于梁单元理论提出了快速计算箱梁空间弯曲应力的梁条方法。基于试验以及数值解的对比分析结果表明,梁条法的纵向正应力以及竖向挠度差率总体在10%以内。梁条解偏安全,可以用于箱梁空间弯曲应力的计算。(2)通过混凝土箱梁缩尺模型的室内劣化试验,研究了混凝土箱梁在荷载与碳化以及氯离子共同作用下的空间多维劣化特征以及各因素的相互影响。结果表明:无应力状态下,混凝土箱梁顶底板的一维及二维碳化深度分别最大相差57.4%、27.1%,箱梁的碳化具有空间多维性;压应力对碳化及氯离子的扩散均起抑制作用;氯离子侵蚀后箱梁顶、底板以及腹板的平均碳化深度的最大减小幅度分别为3.1%、9.7%以及1.5%,氯离子对箱梁的碳化具有抑制作用,但影响效果不明显;经二氧化碳侵蚀后,试验混凝土箱梁顶、底板以及腹板各测点氯离子含量的最大增幅分别为28.7%、41.2%、6.8%,碳化能够较明显的促进氯离子对混凝土箱梁的腐蚀;荷载作用下混凝土箱梁顶、底板的氯离子浓度分布与剪力滞效应规律相同,氯离子对混凝土箱梁的侵蚀也具有空间多维性。(3)基于1834组国内外多种暴露条件下的碳化实测数据,采用多元非线性统计进行混凝土碳化寿命计算公式的回归,结合箱梁的空间构造特征对回归模型进行修正,获得了受弯混凝土箱梁的碳化寿命计算模型。通过引入碳化贡献系数,定量分析了混凝土自身因素及环境因素对碳化的具体影响。同试验的对比分析结果表明,不同工况下各测点的公式预测差值总体在1mm左右。基于扩散限制凝聚(DLA)模型,建立了混凝土碳化预测模型。通过与公式预测值的对比分析结果表明,考虑拉、压应力前后DLA模型的碳化模拟结果与公式解总体吻合良好。该方法可以较好地模拟二氧化碳在混凝土中扩散的随机性及离散性。(4)提出了可考虑荷载与碳化以及氯离子共同耦合作用的氯离子浓度预测公式。基于试验的对比分析结果表明,不同暴露工况下本文公式解的误差均在15%以内,可用于混凝土箱梁空间多维劣化的预测和分析。(5)针对混凝土箱梁受碳化、氯离子侵蚀及荷载作用下的空间多维性劣化特征,提出了混凝土箱梁耐久性分区设计方法,推荐了分区碳化、氯离子侵蚀设计的公式。以混凝土结构耐久性设计中的主要参数保护层厚度为对象,提出了混凝土箱梁耐久性分区设计的流程。基于可靠度理论,以铁路标准24m、32m、40m和56m跨度混凝土简支箱梁为例,采用耐久性分区设计方法进行了耐久性评价。结果表明:铁路标准混凝土箱梁同一截面的保护层厚度按分区设计,可有效提高耐久性寿命,保护层厚度每增加5mm,箱梁对应区最外侧预应力钢筋的初锈时间将至少延长6年,最大可达20年。针对底板和腹板部位受拉应力影响大、预应力钢筋密集的特点,预应力钢筋“较多区”建议按65mm设置保护层厚度,“较少区”按50mm设置。


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