桥梁耐久性研究

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内容摘要近年來，随着交通事业的迅速发展，越来越多的跨海人桥在建或已建成通车,而钢筋混凝土结构的耐久性失效己逐渐成为困扰土建工程界的一个世界性问题，尤其是处于海洋或恶劣环境下，混凝土结构耐久性的问题更加突出。跨海大桥工程不仅耗资巨大，而且关系着国计民生，如果因为耐久性不足而成为“短命工程”,将对国家造成不可估量的损失。木文在分析影响混凝土桥梁耐久性各方面因素的基础上，相应提出了提高混凝土桥梁耐久性的不同措施，对推动我国混凝土桥梁的耐久性研究提供了理论基础。关键词：耐久性；氯离子扩散；钢筋锈蚀；耐久性评估；时变可靠度 内容摘要I弓丨言11绪论21.1跨海混凝土桥梁耐久性研究的意义21.2跨海混凝土桥梁耐久性研究的主要内容52氯离子环境下钢筋锈蚀的研究102.1氯离子环境下钢筋锈蚀机理102.2钢筋锈蚀的主要特点112.3影响跨海大桥混凝土中钢筋锈蚀的主要I大I素122.4海洋环境下混凝土结构钢筋防锈措施143跨海大桥混凝土结构耐久性评估163.1可靠度理论163.2海洋环境下基于可靠度的混凝土结构耐久性评佔224混凝土桥梁耐久性改善措施294.1重视混凝土桥梁耐久性的设计294.2在施工工程中重视桥梁的耐久性问题294.3采用高性能混凝土304.4加强混凝土养护及维修工作304.5在钢筋农面涂刷防朋蚀涂层315案例分析325.1杭州湾跨海大桥混结构耐久性研究与应用325.2混凝土结构耐久性的两个基本问题及对策322..案例分析小结376结论39参考文献40 致谢41 本文按照现场检测一耐久性分析一耐久性评估f剩余使用寿命预测f耐久性优化设计的思路对跨海人桥混凝土构件耐久性进行了研究，研究的主要内容如下:(1)介绍了跨海大桥混凝土结构耐久性研究的重要意义、研究内容以及国内外研究现状。(2)在前人研究的基础上归纳总结了氯离子侵蚀作用下钢筋的锈蚀机理，对海洋环境下钢筋锈蚀的主要影响因素进行了分析，尤其对氯离子的侵蚀机理和渗透模型进行了重点研究，总结了海洋环境下钢筋锈蚀模型，并阐述了锈后钢筋的力学性能及其对承载力的影响，结合已有的钢筋防锈措施提出了海洋环境下混凝土结构钢筋防锈措施。(3)根据一•般大气环境下混凝土结构耐久性评估准则提出了海洋环境下混凝土结构耐久性评估准则，重点研究了蒙特卡罗方法在可靠度分析中的应用，提岀了应用蒙特卡罗方法计算钢筋混凝土偏心受压短柱和钢筋混凝土受弯构件的抗力统计参数，重点分析了其各自的可靠度影响因索。 1绪论1.1跨海混凝土桥梁耐久性研究的意义桥梁建设是国家重要的基础建设之一，桥梁工程是关系社会和经济协调发展的生命线工程。近十几年以来，随着我国交通事业的迅速发展，越来越多的跨海桥在建或已建成通车，例如杭州湾跨海大桥，东海大桥，广西杭州湾跨海大桥等,见图1・1〜1.4。农1.1国内已建和正在建设的跨海人桥耐久性情况桥名结构形式耐久性措施杭州湾大桥全长36公里，北通航孔为双塔双索面斜拉桥，跨径448米。南通航孔为独塔斜拉桥跨径228米,半飘浮体系。中国第一座将结构耐久性设计作为独立章节纳入结构设计内容的桥梁。为使该桥在设计使用基准期内100年钢筋不锈蚀，釆取了一系列措施，如:控制裂缝宽度、加大混凝土保护层厚度、使用海工耐久混凝土等。东海大桥全长274公里，主通航孔为双塔单索面钢混叠合梁桥，主跨420米。在国内首次采用100年设计基准期。根据工程调研和坏境条件分析，影响东海大桥混凝土结构耐久性的首要因索是c/-的渗透，根据具体情况，东海大桥采取以高性能混凝土技术为核心的综合耐久性策略和方案。深圳湾大桥全长4770米，主跨为210米和180米不等跨独塔钢梁斜拉桥，是国家主干线直通香港的唯一高速公路通道。设计寿命120年，所有混凝土抗氯离子渗透性W1000C,水下钢筋为不锈钢和环氧钢筋。杭州湾跨海大桥全长2898米，刚构一连续结构体系，是合山高速公路连接北海杭州湾跨海与合浦县山口镇的一座跨海特大桥，有“广西第一桥”之称。设计使用寿命100年，采取了一系列耐久性措施，如：控制水灰比、限制裂缝宽度、使用钢筋阻锈剂以及混凝土表面涂敷保护层等。 混凝土是目前跨海桥梁工程建设的主导材料，在许多国家，混凝土结构都面临着耐久性不良的严重问题，尤其是处于海洋或恶劣环境下，混凝土结构耐久性的问题更加突出。曲于跨海犬桥处在海洋环境中，受到氯离子侵蚀、干湿作用、海浪冲击等复杂作用的影响，钢筋锈蚀情况比较严重。钢筋锈蚀是混凝土结构耐久性失效的主要表现之一，钢筋锈蚀引起混凝土结构的过早破坏，已成为世界各国普遍关注的一大灾害，大量混凝土结构由于钢筋锈蚀导致耐久性失效，不得不维修或拆除，其至发生倒塌，造成巨人的经济损失。 图1.1杭州湾人桥图1.3东海大桥图1.4深圳湾大桥图1.2杭州湾跨海人桥在美国，最普遍的耐久性破坏形式是混凝土桥梁、路面、停车场及海港结构屮的钢筋锈蚀，每年总损失高达1260亿美元。铁路由于钢筋锈蚀每年维修费用约200亿美元，仅撒化冰盐引起的钢筋锈蚀每年造成的损失就达10亿美元。截至1980年，因钢筋锈蚀有50万座桥梁桥面板需耍维修。在英国，根据运输部门1989年的报告：英格兰和威尔士有75%的钢筋混凝土桥梁受到氯离子侵蚀，维护维修费用是原来造价的两倍，为解决海洋环境下钢筋混凝土结构锈蚀与防护问题，每年花费近20亿英镑。在日木，大约有21.4%的钢筋混凝土结构损失是由于钢筋锈蚀引起的，著名的新干•线使用不到10年，就出现人面积混凝土开裂、剥落等现象。询苏联有关统计 资料表明：仅厂房受钢筋锈蚀损坏的总额就占其固定资产的16%,有些厂房的钢筋混凝土结构使用10年左右即严重破坏，经常需要维修，有些建筑维修费用已超过其原始造价。我国台湾重修澎湖人桥和不断发生的“海砂屋”事件，也是氯盐腐蚀钢筋所造成的。在我国大陆，近年来也日益暴露出因耐久性不足引起的混凝土结构破坏,如20世纪50年代初建的大坝，许多已成为陷入危境的“病坝”o截至到1997年底，佛子岭、梅山、响洪甸三座老坝共亏损1亿多元。20世纪80年代原水电部水工混凝土耐久性调查组对全国32座大型混凝土坝进行了调查，结论为：被查坝体全部存在裂缝。2001年河海人学对处于内陆河的江苏省淮阴闸工程调查，也发现明显的钢筋锈蚀引起的裂缝，并有发展趋势。交通部等有关单位分别于1963年、1965年、1980年、1996年，针对我国沿海港口工程混凝土结构破坏状况组织过四次调查，调查结果指出：80%以上都发生了严重或较严重的钢筋锈蚀破坏，出现锈蚀破坏的吋间有的仅有5~10年。南京水科院对1980年建成的宁波北仑港10万吨矿石码头进行了调查，发现该码头使用不到10年，其上部结构就发生了严重的锈蚀破坏。天津港客运码头1979年建成，使用不到10年，就发现前承台板有50%左右出现锈蚀破坏。天津新港从1958年到1985年共建25个码头泊位，岸线长达6000m,其结构均为高桩承台式，使用吋间长的有30多年，短则5〜6年，在使用过程中不断发现梁、板、桩等构件冇不同程度的损坏，影响码头的正常使用。1996年，交通部四航局科研所对1986年后建成的华南地区的C港和E港的20个泊位进行了调查，发现E港大部分纵、横钢筋的锈蚀年限均不足10年和5年，在码头建成5〜6年后即发现大量锈蚀裂缝。2001年河海人学对某港西人堤钢筋混凝土护栏工程进行现场调查，该工程虽运行不足4年，但已出现严重钢筋锈蚀、保护层开裂、混凝土剥落和钢筋锈断。江苏省水科所对华东84座沿海混凝土扌当潮闸进行了调查，钢筋锈蚀严重需要维修或大修的为71座，其中冇些挡潮闸胸墙、启闭机工作桥人梁钢筋已经锈断。开展对混凝土桥梁耐久性的研究，一方面能对已有的混凝土桥梁进行科学的耐久性评定和剩余寿命预测，以选择对其正确的处理方法；另一方面也可对新建工程项目进行耐久性设计与研究，提示影响桥梁生命全过程的主要因索。因此，它既有服务丁现役结构的现实意义，又有指导待建桥梁进行耐久性设计的重耍作用，同时，对于丰富和发展钢筋混凝土桥梁可靠度理论也具有一定的理论价值。1.2跨海混凝土桥梁耐久性研究的主要内容 影响混凝土结构耐久性的因素分为内在因索和外在因素两个方面。内在因素主要为混凝土结构保护层厚度、水灰比和密实度、水泥胡种、标号和用量、外加剂类型、结构或构件的构造、混凝十•和钢筋的应力大小、裂缝等。外部因索主要为气候、潮湿、高温、氯离子侵蚀、化学介质侵蚀、还有冻融、磨损破坏等。跨海大桥处于海洋环境下，属于强氯离子侵蚀环境，其研究内容与普通混凝土结构耐久性不同的是应重点突出氯离子侵蚀及其对钢筋锈蚀影响的研究。结合一般人气环境下混凝土结构耐久性研究内容，跨海人桥耐久性研究的主要内容用图1・5示出。1.2.1材料层次的耐久性研究材料的耐久性研究主耍是从影响结构耐久性的因素入手，分析它们在单因素或多因素作用下的破坏机理，建立耐久性损伤的预报模型和经验公式，实现由定性分析到定量分析的过程。从己有的文献來看，目前海洋环境下混凝土结构材料耐久性的研究主耍集中在氯离子侵蚀和钢筋锈蚀等方面 钢筋混凝土结构的耐久性研究"层次—I混凝土锈胀关系的研究—I锈后钢筋混凝上粘结舖囚血—I锈后构件承载能力计算—I构件剩余寿命的预测结构层次材料层次-结构的咐久性设计H制定构造措施厂传统经验-结构的咐久性评定T模糊数学弦T神经网络法1■结构使用寿命的预测—专家系统》力口叫菲度法1附久性计重和验畀图1.5跨海人桥耐久性研究的主耍内谷1.2.1.1氯离子侵蚀氯离子侵蚀是引起沿海地区钢筋混凝土结构钢筋锈蚀的最主要原因。氯离子半径小，活性犬，具有很强的穿透氧化膜的能力。当混凝土中含有氯离子吋，氯离子就吸附在膜结构有缺陷的地方，如位错区或晶界区等，使难溶的氢氧化铁转变成易溶的氯化铁，致使钢筋表面的钝化膜局部破坏。钝化膜破坏后，露出的金属便是活化一钝化原电池的阳极。甫于活化区小，钝化区大，构成大阴极、小阳极的活化一钝化电池，钢筋就产生坑蚀现象。由于坑蚀引起钢筋截面局部减小，将造成应力集中，因而其对结构承载力的危害远人于钢筋的均匀锈蚀破坏。氯离子进入混凝土有两个来源：一种是施工过程中通过细骨料、拌和用水和掺加的外加剂而掺入混凝土的氯离子，各国规范对这部分的氯离子含量都有严格限定。例如我国行业标准《海港工程混凝土结构防腐蚀技术规范》(JTJ275-2000)规定，混凝土拌合物中氯离子的最高限值(按水泥质量冇分率计)钢筋混凝土不超ao. 10%,预应力混凝土不超过0.06%。氯离子进入混凝土的另一种方式是外界使用环境屮的氯离子通过渗透、扩散、毛细作用侵入混凝土。研究表明外界迁移进入混凝土中的氯离子只有极少量口J被混凝土固化成难溶的化合物，大多数是以自由氯离子的状态存在，当氯盐重量达混凝土重量的0.1-0.2%吋就可能引起钢筋锈蚀。因此由外界进入的氯离子对混凝土的危害程度远远大于通过掺入进入混凝土内部的氯离子。2.1.2钢筋锈蚀的研究从口前己经取研究已经取得了一些成果，但还没达到共识。1.钢筋锈蚀影响因索的研究钢筋锈蚀受许多因索的影响，其中内部因素包括钢筋位置、钢筋直径、水泥品种、混凝土密实度、保护层厚度及完好性、混凝土的液相组成等；外部因素有温度、湿度、周围介质的腐蚀性、周期性的冷热交替作用等。我国的洪乃丰对钢筋锈蚀的测试方法、钢筋锈蚀与碱储量之间的关系做了大量的研究。不少学者研究过不同水泥品种对钢筋锈蚀的影响；研究过水泥成份对引起的钢筋锈蚀的影响。2.钢筋锈蚀的测定方法我国《普通混凝土长期性能和耐久性试验方法》(GBJ82-85)规定了用于钢筋锈蚀试验研究的称重测量方法；用于现场检测非破碎测量方法多为电化学方法，如自然屯位法、极化技术测量法和交流阻抗法；还可以通过破碎育接量取锈蚀深度或与按锈胀裂缝宽度推算值相结合的方法。口前，检测钢筋锈蚀状态的方法除了传统的破损检测方法之外，无损检测钢筋锈量是许多国家正在探求的新技术。3.锈蚀钢筋的力学性能钢筋锈蚀后的力学性能，国内外己得的研究成果来看，钢筋锈蚀的研究主要集中在钢筋的锈蚀机理、钢筋锈蚀影响因索、钢筋的锈蚀速度、钢筋的锈蚀程度、钢筋的锈蚀防护、钢筋锈蚀量的预测及锈蚀后钢筋力学性能的研究。钢筋锈蚀机理的研究混凝土中的钢筋锈蚀一般为电化学锈蚀。《CEB耐久混凝土结构设计指南》中对钢筋锈蚀机理及其影响有详细阐述。混凝土中钢筋锈蚀机理的研究是认识混凝土锈蚀破坏规律的前提，是建立钢筋锈蚀模型的基础，也是研究混凝土耐久性评估方法的基础。国内外对钢筋锈蚀机理的冇较多的研究，钢筋锈蚀将会引起钢筋性能的变化，主耍体现在屈服强度、极限强度、极限延伸率方面。根据锈蚀钢筋试验结果，提出锈蚀后钢筋屈服强度、极限强度降低，锈蚀严重吋屈服平台缩短, 甚至消失，并给出根据钢筋截面损失率推算锈蚀后钢筋屈服强度的表达式。1.2.2构件层次的耐久性研究在外界环境作用下，当材料性能劣化后，结构构件的承载力和适用性也随之降低，从而影响结构的安全和正常使用。因而，混凝土构件耐久性的研究是混凝土结构耐久性研究的询提和基础。钢筋锈蚀引起混凝土保护层胀裂，锈胀裂缝产生后钢筋的锈蚀加速，人人影响钢筋混凝土构件的耐久性能。因此，钢筋锈蚀与混凝土胀裂及裂缝宽度的研究对钢筋混凝土构件耐久性研究有重要意义。构件的耐久性研究主要内容是混凝土强度的经时变化、钢筋的塑性性能变化、构件的截面变化、钢筋与混凝土协同工作性能的变化等对钢筋混凝土构件力学性能的影响。1.2.3结构层次的耐久性研究研究结构耐久性的廿的主要在于解决新建结构的耐久性设计和己建结构的耐久性评估问题；同吋，对于不同耐久性等级的混凝土结构，给出不同的构造措施,在保证结构可靠、耐久的前提下，使工程造价最低。混凝土结构耐久性的研究包括结构耐久性设计、耐久性评定和寿命预测三个方面。1.2.3.1耐久性设计耐久性设计是指在考虑影响结构耐久性的内外因素下，使新设计的结构可靠度在设计工作年限内不低于规范要求，也即无需花费大量资金维修与加固，在设计阶段就考虑耐久性的影响，无疑是保证结构具有足够耐久性的最有效方法。1989年欧洲出版的《CEB耐久混凝土结构设计指南》通过制定结构构造方面的措施，明确了耐久性设计的意义。1989年F1本土木学会制定了《混凝十•结构耐久设计准则》（试行），耍求构件各部位的耐久指数T大于或等丁•环境指数S,这种方法虽然简单实用，但与口前规范采用的以近似概率为基础的设计方法不协调，且取值主观性较大。我国的《混凝土结构耐久性设计与施工指南》也规定对于重要的工程以及处于明显侵蚀环境下的各种结构工程，应该强制规定在结构设计中纳入耐久性设计的内容。1.2.3.2结构耐久性评定结构的耐久性评定是通过现场采集到的人量特征参数，应用适合的分析方法,对当前的耐久状况进行等级评定，最终确定结构今后可靠性降低的情况。由于混凝土桥梁结构的耐久性是一个由相互关联、相互制约的众多因索构成的复杂系统,因此研究单一因素作用下的结构耐久性没有实际意义。 有关结构的耐久性评定，从己取得的成果来看，主耍包括基于构件耐久性损伤加权的耐久性评定、基于人工神经网络理论的耐久性评定和基于可靠度的耐久性评定等。本文主要应用基于可靠度的耐久性评定方法对杭州湾跨海跨海特大桥进行耐久性评定，并回归出评估模型，以便用于同类型桥梁的耐久性评估。1.2.3.3结构寿命预测建筑结构与其它产品一样，都具有使用寿命，建筑结构的使用寿命口J以分为自然寿命和无形寿命。建筑结构的自然寿命也称为结构的使用寿命或耐久年限，是指建筑结构在正常使用和正常维护条件下，仍然具有其预定使用功能的吋间。结构的无形寿命是指建筑结构尚未达到其自然寿命之前，出于种种原因终止其原有使用功能的吋间。海洋环境下混凝土结构使用寿命的预测主耍包括氯离子侵蚀寿命预测、锈胀开裂寿命预测和结构承载力寿命预测三个部分。在对结构进行寿命预测时，关键是确定结构寿命终结的标准，也就是结构寿命的评估准则。曲于不同国家、不同学者对结构寿命认识的角度不同，就出现了不同的对结构寿命状态的界定。结构作为一个复杂系统，影响因素错综复杂，因而对寿命预测的研究有一定的难度。 2氯离子环境下钢筋锈蚀的研究混凝土屮水泥水化后在钢筋表面形成一层致密的钝化膜，故在一般情况下钢筋不会锈蚀，但钝化膜一旦遭到破坏，在冇足够水和氧气的条件下会产生电化学腐蚀。由于钢筋锈蚀，一方面使钢筋有效截面积减小，另一方面，锈蚀产物体积膨胀使混凝土保护层胀裂甚至脱落，钢筋与混凝土粘结作用下降，破坏它们共同工作的基础，从而严重影响混凝土结构物的安全性和正常使用性能。本章主要从氯离子环境下钢筋锈蚀机理、影响因素以及预测模型等方面进行探讨。2.1氯离子环境下钢筋锈蚀机理混凝土孔隙中是碱度很高的Ca(0H)2饱和溶液，pH值在12.5左右，由于混凝土中还含有少量0、«2洋盐分，实际pH值可超过13。牢固地吸附在钢筋表面，使钢筋处于钝化状态，即使在有水分和氧气地条件下钢筋也不会发生锈蚀，故称“钝化膜”o在海洋环境下混凝土中钢筋锈蚀的机理与一•般大气环境下钢筋锈蚀的机理有所差异，一般大气环境下钢筋锈蚀主要是由混凝土屮性化破坏钢筋表面的钝化膜所致；而海洋环境下主要是曲于氯离子侵蚀引起的，许多调查表明，即使混凝土碳化深度较浅，在氯离子含量较高的情况下钢筋也容易遭受腐蚀。这是由于氯离子的半径小、活性大，穿透力非常强，当钢筋周围混凝土孔隙液屮氯离子达到一定浓度吋，氯离子吸附在膜结构冇缺陷的地方，如位错区或晶界区等，使难溶的氢氧化铁转变成易溶的FeC72,致使钢筋农面的钝化膜局部破坏，形成坑蚀现象。如果在钢筋表面分布比较均匀，这种坑蚀现象使会广泛地发生，点蚀坑扩大、合并，发生大面积地腐蚀。在钢筋锈蚀过程中氯离子仅起到催化作用，并不改变锈蚀产物的组成，氯离子在混凝土中的含量也不会因腐蚀反应而减少。由此可见，一旦氯离子的含量超过临界值，若不采取处理措施，腐蚀工程将会不断进行下去。氯离子导致的钢筋锈蚀是一个非常复杂的电化学过程，锈蚀过程见图2.1。[6]在阳极，铁失去电子变成铁离子，由于水溶性氯化铁的形成，钢筋表面钝化膜破坏。阳极反应如下：Fe^Fe2^2eFe2¥+2CZ-+4H：0TFeCl24H0[7]在阴极，电子、水、氧转化成氢氧根离子。阴极反应不引起钢筋的任何损伤，反而起到保护钢筋的作用。阴极反应如下：Aa+h2o+t2(ohy [6]氢氧根离子通过阴阳极之间所产生的带电区域向阳极方向传递带有负电荷的离子。在阳极附近向含氧量高的混凝土孔溶液中迁移，。根据周围条件，这些产物可能继续反应，生成最终的铁锈。FeCl24H：OfFe(OH)2+2HCI+1H2O混駐上钝化区(阴极)锈躯(阳极)图2.1氯离子侵蚀钢筋锈蚀图混凝土屮的钢筋-旦发生锈蚀，在钢筋表面生成一层疏松的锈蚀产物，同吋向周围混凝土孔隙中扩散。锈蚀产物体积比未腐蚀钢筋的体积要人得多，因锈蚀产物最终形式不同而异，一般可达钢筋腐蚀量的2-4倍。锈蚀产物的体积膨胀使钢筋外围混凝土产生环向拉应力，当环向拉应力达到混凝土抗拉强度吋，在钢筋与混凝土界面处将岀现内部径向裂缝，随着钢筋锈蚀的进一步加剧、钢筋锈蚀量的增加，径向内裂缝向混凝土表面发展，直到混凝土保护层开裂产生顺筋方向的锈胀裂缝，甚至保护层脱落，严重影响钢筋混凝土结构的正常使用。2.2钢筋锈蚀的主要特点1.2.1混凝土顺筋开裂混凝土具有较好的抗压性能，但其抗折、抗裂性差，尤其钢筋表面混凝土缺乏足够的厚度时，钢筋锈蚀产物体积发生膨胀，足以使钢筋表面发生混凝土顺筋开裂。人量试验研究和工程实践表明，钢筋表面锈层厚度很薄吋，便可导致混凝土顺筋开裂。换言之，钢筋锈蚀导致混凝土开裂是容易发生的。设计、施工、使用、管理及维护人员，认识到这一点十分重要。欲使混凝土不发生顺钢筋开裂，提高结构物的耐久性，其着眼点就是要最人限度地阻止钢筋生锈，而不应立足于锈蚀发生后再采取补救措施。 混凝土一旦发生顺筋开裂，腐蚀介质更容易到达钢筋表面，钢筋锈蚀的速度将会大大加快。研究和工程实践表明，这吋钢筋锈蚀的速度，有可能快于裸霜于人气中的钢筋。这是rti于裂缝处更易促成电化学腐蚀的发生和发展。由此引出两个重要观念：一是要阻止钢筋生锈，二是钢筋锈蚀一旦发生或初见混凝土顺钢筋开裂时，就立即采取防护措施。这是被提高了的新认识，对于预防钢筋锈蚀破坏、提高结构物的耐久性具有垂耍指导意义，更具有巨人经济价值。2.2粘结力下降与丧失初见混凝土发生顺筋开裂吋，结构物物理力学性能、承载能力等，口J能还没有发生明显变化（这是人们不重视初始顺钢筋开裂的垂要原因之一）。然而，随着裂缝的不断加宽，混凝土与钢筋之间的粘结力也随之下降（下降速度取决于钢筋锈蚀速度），滑移增大，构件变形。当“粘结力”丧失到一定程度时，局部或整体失效便会发生。这时的钢筋锈蚀程度也并不一定十分严重。那些对“粘结”敏感的构件，更具重要性。2.2.3钢筋断面损失混凝土中钢筋锈蚀，一般分为局部腐蚀（如坑蚀）和全面腐蚀（均匀腐蚀），常常是局部腐蚀为主而造成钢筋断面损失，其损失率达到极限吋，构件便会发生破坏。应该说明的是，从钢筋锈蚀、混凝土顺筋开裂到构件破坏，是一个复杂的演变过程，不仅取决丁钢筋锈蚀的发展速度，也取决于构件的承载能力及钢筋的受力状态等。故有吋钢筋锈蚀并不十分严重，构件就破坏了，而有吋钢筋出现明显的断面损失，构件却还在支撑着。对于钢筋断面损失与构件承载能力之间的关系,尚待进-步研究。5.3影响跨海大桥混凝土中钢筋锈蚀的主要因素2.3.1湿度的影响混凝土的水分越多，混凝土的导电性能越好，钢筋的屯化学腐蚀越快。钢筋发生电化学反应的另一个必要条件是钢筋表面的水膜屮必须有氧气。水屮溶解的氧气越多，钢筋的腐蚀速度越快。2.3.2混凝土密实度和保护层厚度的影响在相同的环境下，混凝土越密实，保护层越厚，外界腐蚀介质、氧气和水分等渗入的速度就越慢，钢筋腐蚀的速度就越慢。 2.3.3混凝土裂缝对钢筋锈蚀的影响混凝土结构的裂缝与钢筋的腐蚀相互作用，可以加剧混凝土结构中钢筋的腐蚀破坏。一方面，混凝土结构的裂缝会增加混凝土的渗透性，加速混凝土的碳化和侵蚀性介质的侵蚀，使钢筋的腐蚀加重；另i方面，钢筋的腐蚀膨胀又会造成混凝土的开裂，进-步加垂钢筋的电化学腐蚀。2.3.4氯离子对钢筋锈蚀的影响氯离子进入混凝土有两个來源：一种是在搅拌、浇注时掺入的，如加入氯化钙、氯化钠等氯化物速凝剂、早强剂及抗冻剂；用海水进行混凝土搅拌混料或用未经清洗或未经充分清洗的海捞砂作骨料吋进入的海盐，这部分氯离子含量有严格限定（不超过水泥重量的1%）O另-•种是在凝结硬化后由外界通过扩散渗入的,例如氯离子可以宜接rti海水扩散进浪溅区、水位变动区、水下区的混凝土中，而漂浮在空气屮的氯离子可以随台风等进入大气区或近海的混凝土屮。研究表明外界迁移进入混凝土中的氯离子人多是以自由氯离子的状态存在，当氯盐重量达到混凝土重量的0.1-0.2%吋就可能引起钢筋锈蚀，其危害程度远远人于通过掺入进入混凝土内部的氯离子。氯离子通过混凝土内部的孔隙和裂缝体系从周围环境向混凝土内部传递，氯离子的传输过程是一个复朵的过程，涉及到许多机理，目前已经了解的氯离子侵入混凝土的方式主要有以下几种：毛细管作用，即盐水向混凝土内部干燥的部分移动；渗透作用，即在水压力作用下，盐水向压力较低的方向移动；扩散作用，即由于浓度差的作用，氯离子从浓度高的地方向浓度低的地方移动；电化学迁移,即氯离子向电位较高的方向移动。通常氯离子的侵入是几种方式的组合，另外述受到氯离子与混凝土材料之间的化学结合、物理粘结、吸附等作用的影响。氯离子进入混凝土后对钢筋锈蚀的主耍作用为:2.破坏钝化膜氯离子进入混凝土中并到达钢筋表面，当它吸附于局部钝化膜吋，可使该处的％值迅速下降，％值可降低到4以下，破坏钢筋钝化膜。3.形成腐蚀电池氯离子对钢筋表面钝化膜的破坏首先发生在局部（点），使这些部位（点）SS出铁基体，与尚完好的钝化膜构成屯位差，铁基体作为阳极而受腐蚀，大面积的钝化膜区为阴极。腐蚀电池的结果是钢筋表面开始发生点蚀（坑蚀）o 2.阳极去极化作用钢筋阳极反应过程是2Fe-2F%+4e，如果生成的Fe2+不能及时搬运走而累积丁阳极表面，则阳极反应rtl于Fe2+饱和而减慢停止。但由丁•与Fe2+反应生成FeC72,能消耗Fe2+,从而加速了阳极反应。不仅如此，甩672是可溶的，当它向混凝土内部扩散时遇到，立即反应生成Fe32（铁锈）和。由此可见，进入混凝土中的只是起到了搬运作用，不被消耗，会周而复始的起破坏作用。3.的导电作用腐蚀电池的要索之一是要有离子通道。混凝土中的存在，强化了离子通道，降低了阴、阳极之间的电阻，提高了腐蚀电池的效率，从而加速了电化学腐蚀。2.4海洋环境下混凝土结构钢筋防锈措施海洋环境下防止钢筋锈蚀的措施主要针对氯离子侵蚀，可采取基本措施和补充措施两类。前者的主要目的是提高混凝土本身的性能，以增加对钢筋的防护能力，后者是在因环境侵蚀特别严重或因混凝土结构设计、施工不当，使基木防腐措施不足以保证时，增加的其他保护措施。2.4.1基本措施1.控制原材料屮氯化物的含量除按照施工质量的要求选择合适的原材料，严格控制材料的氯化物含量和避免氯化物的污染是混凝土中氯离子不超标的前提条件，混凝土的原材料主要有水泥、水、砂、石子和外加剂等，因特殊需要在生产过程加入氯化物的水泥要严格控制氯离子含量，并对其使用范围冇所限制。如在潮湿并含冇氯离子环境中的钢筋混凝土，氯化物总含量不得超过水泥垂量的0.1%O2.提高混凝土木身的密实性，加强对钢筋的防护能力正常情况下，优质钢筋混凝土结构具冇长期抵制环境介质侵蚀的能力，因此,最人限度提高混凝土本身的密实性和保持对钢筋的防护能力，是预防混凝土中钢筋锈蚀的措施屮最有效和经济的根木方法。提高混凝土本身密实性的主要方法冇：适当增加混凝土保护层的厚度；改善混凝土结构，如选择优质原料，引入外加剂、合理施工、使用新型混凝土等。2.4.2补充措施5.2.采用耐腐蚀钢筋耐腐蚀钢筋的主耍品种有：耐腐蚀低合金钢、包铜钢筋、镀锌钢筋。环氧涂层钢筋，口前应用较多的是环氧涂层钢筋，使用环氧涂层钢筋使钢筋成木增加1/3-1/5,施工工艺要求高，环氧涂层钢筋在装卸、运输和弯曲等过程中必须保证涂 层完整，否则，即使在钢筋涂层上有一点小损坏，也会使该处发生钢筋“坑蚀”，从而导致钢筋在该处加速腐蚀，腐蚀速率比普通钢筋耍快。5.2.应用钢筋阻锈剂钢筋阻锈剂加入混凝土中，通过单分子层的化学反应阻止或减缓钢筋腐蚀。阻锈剂能有效抑制混凝土内氯离子的活化作用，主耍用于预防氯离子侵蚀引起的钢筋锈蚀，使用方便，可均匀分布于混凝土保护层屮，且费用相对较低，是一种经济冇效的防护措施。5.3.阴极保护阴极保护能直接抑制钢筋自身的电化学腐蚀过程，尤其适用于易受氯化物污染的混凝土中钢筋的保护，是目前保护混凝土中钢筋最有效且经济的方法之一。阴极保护可分为牺牲阳极保护法和外加电流阴极保护法。前者是采用比钢电位更负的铝合金等作为阳极与钢筋电连接，靠自身的腐蚀提供自由电子实现对钢筋的保护；后者则是以直流屯源的负极与被保护的钢筋连接，正极与难溶性的辅助钢筋相接，提供保护屯流使钢筋发生阴极极化而受到保护。外加电流阴极保护法的应用较广泛，发展迅速，近10年已应用于新的钢筋混凝土结构。5.4.混凝土表面涂覆为防止水、氯化物、氧气和二氧化碳等侵蚀介质渗入混凝土，以延缓钢筋锈蚀，对于修补过的混凝土或新浇注的混凝土结构，在混凝土表面涂覆各种保护层,作为混凝土第一道纺线，往往是一种比较简便、经济、冇效的辅助性保护措施。 3跨海大桥混凝土结构耐久性评估海洋环境下混凝土结构的耐久寿命可以表示为：T=血11｛兀.坊｝式中：TC—承载力决定的寿命，按可靠度方法计算；TD—耐久性决定的寿命。对于承载力极限状态的要求，结构的可靠度用可靠指标3表示,计算出锈蚀钢筋混凝土结构的可靠指标B随时间下降曲线，按照规范容许可靠度指标［B］的要求，可预测锈蚀钢筋混凝土结构的剩余寿命。但是对于正常使用极限状态的要求,尤其是耐久性的要求，用可靠度计算吋涉及不确定因素及未知因素过多。因此，关于结构正常使用的口J靠度研究处于探索阶段，专门对于耐久性的可靠度研究则更少。本章主耍从承载力耐久性方面，研究了海洋环境下基于可靠度的钢筋混凝土结构耐久性评估。3.1可靠度理论2.1.1基本概念极限状态整个结构或结构的一部分超过某一特定状态，就不能满足预定的功能要求，此特定状态称之为极限状态。功能函数结构功能函数是用來描述结构各种功能的，以受到的影响因索作为自变量的函数。Z=7?（如，兀2,…心）-S（兀］•兀公…兀“）简写成Z=R-S（3.3）极限状态方程结构功能函数的值可反映结构所处状况：Z=^5>0结构处于可靠状态Z二0结构处于失效状态/二二0结构处于极限状态 3跨海大桥混凝土结构耐久性评估海洋环境下混凝土结构的耐久寿命可以表示为：T=血11｛兀.坊｝式中：TC—承载力决定的寿命，按可靠度方法计算；TD—耐久性决定的寿命。对于承载力极限状态的要求，结构的可靠度用可靠指标3表示,计算出锈蚀钢筋混凝土结构的可靠指标B随时间下降曲线，按照规范容许可靠度指标［B］的要求，可预测锈蚀钢筋混凝土结构的剩余寿命。但是对于正常使用极限状态的要求,尤其是耐久性的要求，用可靠度计算吋涉及不确定因素及未知因素过多。因此，关于结构正常使用的口J靠度研究处于探索阶段，专门对于耐久性的可靠度研究则更少。本章主耍从承载力耐久性方面，研究了海洋环境下基于可靠度的钢筋混凝土结构耐久性评估。3.1可靠度理论2.1.1基本概念极限状态整个结构或结构的一部分超过某一特定状态，就不能满足预定的功能要求，此特定状态称之为极限状态。功能函数结构功能函数是用來描述结构各种功能的，以受到的影响因索作为自变量的函数。Z=7?（如，兀2,…心）-S（兀］•兀公…兀“）简写成Z=R-S（3.3）极限状态方程结构功能函数的值可反映结构所处状况：Z=^5>0结构处于可靠状态Z二0结构处于失效状态/二二0结构处于极限状态 所以承载能力极限状态方程可写成: z?二斤一S二0(3.4)式中5-作用效应；R-结构抗力。结构的抗力取决于结构所用材料的强度和构件的几何尺寸，无论是钢筋或是混凝土的强度都是有变异•的，构件的几何尺寸由于制造工艺和操作技术的因素也是随机变量，另外受外界环境的影响，如混凝土炭化和氯离子侵蚀导致的钢筋锈蚀，使结构抗力随吋间降低，因此，结构抗力是随吋间变化的，确切的表示应为斤&),另外，结构荷载在时间和强度上是随机发生的，因此结构的可靠度模型可以表示为：Z(t)=RlZ)-5(Z)(3.5)式中：t一结构使用时间；5(C一荷载效应随机过程；R⑴一结构抗力随机过程；S3•极限状态随机过程。上式称为可靠度的全随机过程模型，又称为极限状态方程。极限状态可分为:承载能力极限状态一弯曲破坏、剪切破坏、受拉破坏等；正常使用极限状态一裂缝、变形、振动等。结构的可靠概率与失效概率由丁荷载效应$与结构抗力斤都具有随机性，结构功能函数/二R-S也具有随机性，是随机过程，其统计值都可以用概率分布曲线来表示，假定S与斤都服从正态分布，那么了二R_S也服从正态分布，如图3.1和图3.2所示。图3.1结构荷我和抗力的概率密度函数图3.2结构功能雷数Z的概率密度雷数靠状态和失效状态的人小用概率表示，前者称为可靠概率，也就是结构口J靠度, 后者称为失效概率。可靠概率:失效概率:P.=p(zn0)=J；/⑵dz卩厂p(zv0)=匚/(z)d三式中/的概率密度函数为/(z)=_l_uxp卩了是/的平均值；。/是/的标准差。可靠概率与失效概率之和ps+pf二100%并作枳分变换得:结构可靠概率ps二©(B)；结构失效概率戸尸二©(-0)。式屮4)为标准正态分布函数。结构可靠指标B003.4九相阖时刃与p,的关系图图3.3和图3.4中的阴影面枳表示失效概率，由图可见了。相同吋了u越大,阴影面积越小，Zu相同吋Zo值越大，阴影面积越大，因此可靠概率的大小可以用平均值ZH和标准差Z0同时来反映，不能只用其一。目前工程上常用可靠指标B来表示结构的可靠度，引入随时间变化的B表达式如下：AO=—°Z(O式中坨⑴一Z(r)的平均值：crZ0|—Z(t)的林准差。可靠度与失效概率的关系 袁3.1可琳指标0及相应的失效概率巧的关系P1.01.642.003.003.714.004.50£0.84130.94950.97730.99870.998960.9996S30.9999615.87XW25.05x10^2.27xlO-J135x10"1.04x10」3.17x10」3.40x10"由表3.1可以看出随着可靠指标B的提高，失效概率减少，即口J靠概率越人。目标可靠指标[B]为设计规范所规定的作为设计结构或构件吋所应达到的可靠指标，称为设计可靠指标，它是根据设计所要求达到的结构可靠度而选定的，所以又称为目标可靠指标。公路桥梁结构构件的目标可靠指标规定值见农3.2O表3.2公路桥梁结构构件的目标可靠指标[0]构件破坏类型结构安全等级一级二级三级延性破坏4.74.23.7脆性破坏5.23.73.2目标可靠度的确定从理论上应根据各种结构构件的重耍性、破坏性质及失效后果等因素，并结合国家技术政策以优化方法分析确定。但实际上限于口前统计资料还不够完备，并考虑到规范的现实继承性，采用“校准法”，并结合工程经验加以确定。所谓“校准法”就是根据各种变量的统计参数和概率分布类型，运用可靠度的计算方法，揭示以往规范隐含的可靠度，以此作为确定口标可靠指标的主要依据。这种方法在总体上承认了以往规范的设计经验和可靠度水平，同时也考虑了渊源于客观实际的调查统计分析资料，是比较现实和稳妥的。可靠度概念屮的“规定吋间”即设计基准期，是在进行结构可靠性分析吋，考虑持久设计状况下各项基本变量与时间关系所采用的基准时间参数。设计基准期不能简单地理解为结构的使用寿命，两者有联系但不等同。当结构的使用年限超过设计基准期吋，表明它的失效概率可能会增大，不能保证其口标可靠指标，但不等于结构丧失所要求的功能甚至报废。根据我国公路桥梁的使用现状和以往的设计经验，我国公路桥梁结构的设计基准期统一取为100年。3.1.2可靠度计算的蒙特卡罗方法蒙特卡罗方法是一种采用统计抽样近似理论近似地求解数学问题或物理问题的方法，所以蒙特卡罗方法又称统计实验方法或随机模拟方法，是随着电子计算机的发展而逐步发展起来的一种独特的数值方法。用蒙特卡罗方法解决问题的基 木思想是：首先建立与描述问题有相似性的概率模型，并利用这种相似性把这个概率模型的某些特征（如随机变量的均值、方差等）与数学计算问题的解答联系起来，然后对模型进行随机模拟或统计抽样，最终利用所得结果求出这些特征的统计估计值作为原来的数学计算问题的近似解。就结构可靠度分析（失效概率的计算）而言，用蒙特卡罗方法來研究事件的随机性是非常自然的。蒙特卡罗方法就是以最简单的方法，随机地对每一个随机变量/i进行抽样以得出一个样木值乳i,然后对是否出现功能函数&（才i）0AW进行检查，如果超过了极限状态，则认为结构或构件已经“失效”To用蒙特卡罗方法求解结构可靠度指标的步骤如下：5.3利用随机抽样以获得每一个变量的样木值用，T2,乳刀，如图3.1所示。2•根据上述的抽样值，计算功能函数式的g^X,X2,X/7）3•设进行了河次这样的试验（抽样），求出•"次试验得到的Z的平均值uZfll标准差oZ,那么结构可靠度指标可用下式近似计算：0雀◎z蒙特卡罗方法研究可靠度的优点是，回避了结构可靠度分析屮的数学困难，不需要考虑极限状态曲面的复杂性；缺点是计算量大。因此实际应用当中必须选择一项合适的、经济可靠的模拟技术或抽样策略，并能够确定合理的抽样数量。结构可靠度分析的蒙特卡罗方法正逐步为广大的工程技术人员所接受，并成为结构可靠度分析和设计的一个重要组成部分。1.1.3桥梁结构抗力模型和荷载模型2.1.3.1抗力模型现行的工程结构口J靠度设计标准不考虑结构抗力随时间的变化，而抗力衰减是锈蚀钢筋混凝土结构性能劣化的必然结果。影响结构抗力的因素很多，包括环境侵蚀、材料劣化、截面尺寸、加载龄期以及加载速度等，在做抗力统计分析之前，须先确定构件材料性能的不确定性、构件几何参数的不确定性和构件计算模式的不确定性三个因素的统计参数。（1）构件材料性能的不确定性主要是指由于材料品质以及制作工艺、受荷状况、外形尺寸、环境条件等因索一起的构件中材料性能的变异性，用随机变量曲孑 农示。在结构工程中，各种材料性能的标准值是根据标准试件和标准试验方法确定的，由于标准试件本身的材料性能具有不确定性，且它与真实材料之间也有不确定因素，因此，对于构件材料性能的不确定性，不仅要考虑标准试件性能的变异，还要进一步考虑实际构件材料性能和标准试件材料性能的差异、构件实际工作条件与标准试验条件的差异产生的不确定性等。表3.3和表3.4分别给岀了钢筋和混凝土两种材料性能不确定性统计参数。（2）构件几何参数的不确定性主要是指制作尺寸偏差和安装误差等引起的结构构件几何参数的变异性，用随机变量表示。构件几何参数的统计参数，可根据正常情况下结构构件几何尺寸的实测数据，经统计分析而获得。表3.5给出了部分几何参数不确定性畀K的统计分析结果。（3）构件计算模式的不确定性主耍是指抗力计算过程中采用的基本假设和计算公式的不确定性引起的变异性，用随机变量〃表示。表3.6给出了五种桥梁基本构件的AP统计结果。通过对上述不确定性凶素的综合分析，钢筋混凝土构件抗力统计参数汇总衣见表3.7,总的说来，表3.7屮的抗力统计参数基木反映了口前我国桥梁工程各类构件的实际状况，用具进行可靠度分析所得的可靠度指标也能与工程经验相吻合。表3.6桥梁基本构件心统计參数表（均为IF态分布类型）构件类型截面形式%构件类翌裁面形式辑斥（短肚）矩形1.0110.070偵心受拉矩形1.1340.120矩形1.0700.095矩形1.6970.4S6柱）岡形0.94S0.112受剪T型1.9320.216受弯矩形1.1060.063表3.7谄筋混凝土结构构件抗力统计妙数汇总姦构件分类分布类星轴心受压（短拄）1.37430.1546正态分布轴心受拉1.0S210.1322正念分布受弯1.22620.1414正态分布矩形截面1.67170.2883正态分布受呵T型載面2.179S0.2230正态分布人偏心受短柱）1.20420.1447正念分布小偏心受斥（短柱）1.43620.1517正态分布2.1.3.2荷载模型车辆荷载以多个参数（车重或轴重、车间距、轴距）影响着产生于桥梁结构中 的效应，-直接引入桥梁可靠度分析有较大困难，为此，可通过不同桥型、各种跨径的人量计算求得具有控制作用的各类荷载效应。为使统计结果适用于各类桥型和各种跨径，取与现行规范规定的标准荷载效应值的比值做效应的统计分析，即以无量纲参数《S0=SQ/SQK为统计分析对象，其中S肋实测车辆荷载计算的效应值，50为现行规范规定的标准车辆计算的效应值。一般运行状态吋汽车荷载标准采用汽车20级，密集运行状态吋汽车荷载标准采用汽车一超20级，其统计分析结果见表3.8。3.S车辆荷我效应设计基准期最大值概率分布统计參数效应种类车疑运抒状念分布类塑'F均值加％统计翁数心标准差％变异系数以毛弯矩一般运行状态筒集运行状念极值I型0.6S610.79950.10920.06890.160.095.2海洋环境下基于可靠度的混凝土结构耐久性评估结构耐久性是指结构在正常设计、正常施工、正常使用和正常维护条件下，在规定的吋间内，虽然结构构件性能随时间劣化，但仍能满足预定功能的能力。结构耐久性评估是指对现冇的混凝土结构，通过适当的方法评价其现有的可靠性,预测该结构今后可靠性降低情况，最终预测该结构的使用寿命。海洋环境下混凝土结构的耐久性失效原则一般采用承载力寿命原则，承载力寿命原则是考虑钢筋锈蚀等引起的抗力退化，以构件的承载力降低到某一界限值作为耐久性失效的极限状态，从可靠度理论分析可以描述为：对表征承载力极限状态的功能函数Z&),当可靠指标B下降到某一水平吋，称为该极限状态耐久性失效。3.2.1海洋环境下混凝土结构耐久性寿命评估准则结构的使用寿命或耐久年限的定义为结构在正常使用和正常维护条件下，仍然具冇其预定使用功能的时间。海洋环境下影响钢筋混凝土结构耐久性的主要因索之一是混凝土中的钢筋锈蚀，由于人们目前尚不能较好地把握混凝土中钢筋锈蚀的全过程，致使在混凝土结构耐久性极限状态的确定上未能达成共识。3.2.2钢筋混凝土偏心受压短柱的时变可靠度分析3.2.2.1偏心受压短柱时变可靠度分析偏心受压柱是混凝土结构的主要构件之一，在钢筋混凝土结构的可靠度分析中，偏心受压柱一直是人们感兴趣的研究内容，对混凝土偏心受压柱进行可靠度分析的难点在于柱所受的轴力和弯矩的相互作用，这种作用使得可靠度计算必须 处理相关随机变量。圆形柱是桥墩常采用的截面形式，在跨海桥梁中，桥墩受到氯离子侵蚀最严重。木文在前人研究的基础上着重对圆形截面混凝土偏心受压短柱的可靠度进行了系统的研究。计算简图如图3.6所示。图3.6沿周边均匀配筋的圆形截面偏心受压构件计算沿周边均匀配置纵向钢筋的圆形截面钢筋混凝土偏心受压构件正截面承载能力的计算表达式为：D=+sin&r+X[g（2二111?比）_（1_2SX血耳一sin&）]牡”gcos2-（l-2§）氏24''勺八”M&=COS_l（l-2^5）7/f1-e=cosT（-ri_•仏%Es.2?f.1-9Z0,=cosT（-=召十二）W；r化E,S在对钢筋混凝土偏心受压构件进行可靠度计算吋，由于轴力和弯距相对大小不同，截面受力状态不同，最后的破坏形态就不同。因此，对偏心受压构件必须先判别构件的破坏形态，即判断大小偏心，然后根据不同的计算模型计算正截面抗压承载能力。大偏心受压状态下的计算较为简单些，而小偏心受压的计算相对复杂的多，构造闭合解十分困难，比较而言，采用蒙特卡罗方法直接模拟要方便得多。对于给定的偏心矩，结构抗力采用蒙特卡罗方法可得到不同时刻和必艄勺平均值和标准差。具体计算步骤如下：(1)建立混凝土偏心受压构件的抗力函数，输入不同时刻各设计变量的统计参数和偏心距值;(2)应用乘余同法产生一组随机数； (1)将材料强度和几何尺寸等设计变量进行随机模拟，进而得到设计变量随机模拟的统计参数；(2)根据式3.23计算混凝土偏心受压构件的轴力和弯矩的抗力模拟值；(3)重复上述步骤(2)-(4),直至二100000次为止；(4)对已产生的/7组抗力(即轴力和弯矩值)进行统计分析，可得到抗力的平均值和标准差；(5)给出一组偏心距，可求得相应的混凝土受压构件截面的必-河曲线及抗力平均值和标准差。根据求得的必、N的平均值和标准差用3.1.2.2中介绍的蒙特卡罗方法求得该构件的可靠度指标。3.2.2.2偏心受压短柱可靠度指标的影响因索偏心受压构件为一沿海地区使用35年的混凝土偏心受压短柱，r=150cm圆形截面，均匀配筋，材料选用630混凝土和加5335钢筋。计算参数：创二150cm,水灰比WIC二0.40,保护层厚度c二7.5cm,混凝十•表面氯离子浓度CO和氯离子扩散系数〃用表2.2中的统计结果。认为结构抗力的分布类型为对数正态分布，其变异系数/斤二0.15。该柱承受永久荷载产生的轴向压力为％,其平均值为4630kN,标准差454kN,活载产生的轴向压力为S0,其平均值为884kN,标准差265.2kN。1.偏心距对可靠度指标的影响假定荷载完全相关，即刃斤二eOS二常数，极限状态方程如(3.25)式所示，用蒙特卡罗方法求得的可靠度指标曲线如图3.6所示，出图可以看出偏心距对可靠度的影响很大，当瓦/M<0.408时，对结构(构件)可靠度指标的影响很小，当或/加$0.408,随着偏心距的增大，结构(构件)可靠度呈明显的下降趋势。2.配筋率P对可靠度指标的影响图3.7'|«给出了四条不同配筋率P下混凝土偏心受压构件的可靠度指标变化曲线，计算中用到的截面尺寸，材料选用以及参数的选用均与图3.6的情况相同。由图中可以看出，当偏心距较小吋，配筋率对偏心受压构件可靠度指标的影响不大，当偏心距超过一定数值之后，配筋率对可靠度的影响就显现出来了，配筋率越小，可靠指标的变化曲线越陡，说明可靠度降低速度越快。图3.8给出了某一固定偏心距下钢筋配筋率对可靠度指标的影响曲线，Ft!图可以看出在固定偏心距下结构（构件）可靠度随钢筋配筋率变化近似呈线性关系。 1.混凝土强度对可靠度指标的影响图3.9给岀了三种不同标号混凝土偏心受压构件的口J靠度指标随偏心矩变化的曲线，计算中用到的截面尺寸，材料选用以及参数的选用仍与图3.6的情况相同。从图屮可以看出，混凝土强度对偏心受压构件可靠度指标的影响规律跟配筋率对偏心受压构件可靠度指标的影响规律是相同的，偏心距较小时，混凝土强度偏心受压构件可靠度指标的影响很小，随着偏心距的增人，混凝土强度对偏心受压构件的可靠度指标影响越来越明显，混凝土强度越低，可靠度指标的变化曲线下降越快，可靠度降低的速度也越快。2.保护层厚度对可靠度指标的影响图3.10给出了四条不同保护层厚度混凝土偏心受压构件的可靠度指标随偏心距变化的曲线，图3.11给出了固定偏心距下偏心受压构件口J靠度指标随混凝土保护层厚度变化的曲线，计算中用到的截面尺寸，材料选用以及参数的选用仍与图3.6的情况相同。从图屮可以看出，保护层厚度对偏心受压构件可靠度指标的影响规律跟配筋率对偏心受压构件可靠度指标的影响规律是相同的，偏心距较小时，保护层厚度对偏心受压构件可靠度指标的影响很小，随着偏心距的增大，保护层厚度对偏心受压构件的可靠度指标影响越来越明显，保护层厚度越小，可靠度指标的变化曲线下降越快，可靠度降低的速度也越快，混凝土保护层达到一定厚度之后，可靠指标的相对变化就十分微小了，如图所示c=7.5cm和c二10cm吋,两条可靠度曲线接近重合。3.水灰比对口J靠度指标的影响图3.12给出了四条不同水灰比混凝土偏心受压构件的可靠度指标随偏心距变化的曲线，图17给出了固定偏心距下偏心受压构件可靠度指标随水灰比变化的曲线，计算中用到的截面尺寸，材料选用以及参数的选用仍与图3.6的情况相同。从图中可以看出，水灰比对偏压构件可靠度的影响有一个峰值，也就是说对于偏心受压构件总有一个适合的水灰比，使构件的可靠度保持在一个较高的水平，这是结构耐久性设计中应该考虑的一个因索。3.2.3钢筋混凝土受弯构件的时变可靠度分析3.2.3.1锈蚀钢筋混凝土受弯构件吋变的可靠度指标受弯构件是混凝土结构的另一主要构件，目前对锈蚀钢筋混凝土受弯构件承 载力的研究已经基本成熟，国内外学者对锈蚀钢筋混凝土受弯构件的承载力进行 了大量的研究，包括试验研究和理论分析。其中惠云玲等对混凝土基木构件钢筋锈蚀前后性能试验研究屮锈蚀钢筋混凝土构件平均应变沿截面高度分布的试验分析表明，混凝土中的钢筋发生锈蚀后，在使用荷载范围内，宏观上仍然可以采用平截面假定。因此在计算锈蚀钢筋混凝土受弯构件承载力吋仍以平截面假定为依据，采用协同工作系数近似考虑粘结性能的降低，按混凝土结构设计规范进行计算，计算简图如图3.14所示。钢筋锈蚀、混凝土保护层胀裂后，钢筋与混凝土间的粘结锚固性能降低，对受拉钢筋必须乘以协同工作降低系数，以考虑粘结退化对钢筋混凝土构件承载能力的影响。前人通过人量的试验研究已经得出协同工作降低系数的不同表达式，如惠云玲等通过在混凝土中掺氯化物养护3-5年，模拟构件在使用一定吋期后的锈蚀状态，对24根梁和9根柱进行了试验研究，陶峰等对某轧钢车间已使用36年的10根受弯构件和10根偏压构件进行了试验研究，文献通过对6根锈蚀钢筋混凝十•梁的粘结锚固性能试验研究分别得出了协同工作降低系数与混凝土锈胀裂缝的关系，如图3.15所示。从图屮可以看出，混凝土保护层胀裂宽度达到2.0-3.0mm时，承载力约为未锈蚀构件的80%。VhV、.b图3.15锈后协同工作降低系数与裂纯宽度关系曲线由于钢筋的锈蚀使得钢筋有效截面减小、钢筋力学性能下降、钢筋与混凝土 粘结力下降、锈胀力的存在降低了混凝土的抗压强度、混凝土保护层开裂剥落等,从而降低了结构或构件的承载力，因此，锈蚀钢筋混凝土受弯构件的承载力是随时间变化的，由此式3.26和3.27中各参数均为随时间变化的随机变量。随着钢筋锈蚀的发展，受拉钢筋有效配筋率降低，可能导致受弯梁由适筋梁转化为少筋梁,发生脆性破坏。对于锈蚀钢筋混凝土受弯构件，钢筋面积、屈服强度和粘结强度均随时间减小，混凝土构件性能随吋间劣化，rtr丁环境作用和荷载作用都是复朵的随机过程,因此，锈后钢筋混凝土构件抗力随吋间变化规律是i个非常复杂的问题，在这里仍然采用概率统计的方法，用蒙特卡罗方法直接模拟不同时刻钢筋混凝土受弯构件承载力的平均值和标准差，再根据3.1.2.2中介绍的蒙特卡罗方法求得该构件的可靠度指标。具体的计算步骤与偏心受压短柱相同。3.2.3.2锈蚀钢筋混凝土受弯构件可靠度指标的影响因索1・受拉钢筋配筋率P对可靠度指标的影响钢筋锈蚀导致钢筋截面积损失，随着钢筋锈蚀程度的增加，钢筋锈蚀延性显著降低，受弯梁的弯曲破坏将曲适筋梁破坏转化为少筋破坏，图3.16给出了不同受拉钢筋配筋率下受弯梁可靠度变化曲线，Ft!图中可以看出，截面受拉钢筋配筋率对受弯构件可靠度有较大影响，在其他条件相同吋，配筋率越大，可靠指标的变化速度越慢，截面受拉钢筋配筋率跟口J靠度基本呈线性关系，增人截面配筋率是提高结构可靠度的有效办法，应该在结构设计当中充分考虑。5.3混凝土强度对可靠度指标的影响混凝土强度也是影响受弯构件口J靠度指标的主要因索，其对口J靠度的影响主耍体现在对截面抗力的影响上，由图3.17可以看出，混凝土强度越高，氯离子渗透速度越慢，钢筋越不容易锈蚀，构件的可靠度也越大。5.4保护层厚度对可靠度指标的影响混凝土对钢筋的保护作用主要包括两个方面：一是混凝土的高碱性使钢筋表面形成钝化膜；二是保护层对外界腐蚀介质、及水分等渗入的阻止作用。混凝土保护层厚度是影响钢筋锈蚀的重要因索，为了保证钢筋不锈蚀，使构件在一定时期内满足目标可靠度的耍求，必须使其具有一定厚度的混凝土保护层，但是钢筋混凝土冲切课题试验研究屮发现：混凝土保护层厚度过大不仅会降低混凝土构件 的极限抗弯能力，而且会改变冲切破坏的斜截面角度，略微降低混凝土构件的极限抗冲切能力。保护层厚度对可靠度指标的影响见图3.18,rfl图中可以看出，混凝土保护层厚度对受弯构件可靠度影响极人，是混凝土结构耐久性设计中应重点考虑的影响因素之一。5.3裂缝宽度对可靠度指标的影响混凝土裂缝对钢筋锈蚀有明显的影响，特别是对处于海洋环境中的钢筋混凝土结构影响更大，钢筋锈蚀导致结构可靠度降低，裂缝宽度对受弯构件可靠度的影响见图3.19,出图中可以看出，单纯考虑裂缝宽度引起的钢筋和混凝土协同工作系数的降低对可靠度的影响不人，但是，混凝土结构的裂缝与钢筋的腐蚀相互作用，会加剧混凝土结构的破坏。一方面，混凝土结构的裂缝会增加混凝土的渗透性，加速侵蚀性介质的侵蚀，使钢筋腐蚀加速；另一方面，钢筋的锈蚀膨胀加人保护层的纵向裂缝宽度，如此恶性循环的结果必然导致混凝土保护层的彻底剥落和结构的最终破坏。在实际工程应用屮，应根据实测混凝土裂缝宽度进行耐久性评定。5.4水灰比对可靠度指标的影响水灰比使混凝土内在质量的重要标志，它既反映混凝土强度，同时也反映了混凝土的孔结构、密实性和耐久性。水灰比越低，混凝土孔隙率越低，环境中的氧气、水、侵蚀性介质等就越难渗透进入混凝土中，钢筋电化学速度越低。由图3.20可知，水灰比对可靠度的影响也基木符合上述规律。5.5混凝十表面氯离子浓度和氯离子扩散系数对可靠度指标的影响海洋环境下混凝土结构的钢筋锈蚀主要是由于氯离子侵蚀引起的，混凝土表面氯离子浓度和氯离子扩散系数对受弯构件可靠度的影响见图3.21和图3.22所示。两者对受弯构件口J靠度的影响规律是相同的，随着混凝土表面氯离子浓度的增加混凝土结构可靠度降低，但降低速度越来越慢，氯离子扩散系数对可靠度的影响规律也是如此。 4混凝土桥梁耐久性改善措施混凝土桥梁耐久性的降低是由多方面因素共同作用的结果，有许多不确定因索相互影响、相互制约，是一种曲多种随机因索综合作用并随时间随机变化的过程。这就人大增加了解决桥梁耐久性问题的复朵性，因此，提高混凝土桥梁结构的耐久性必须从诸多方面综合考虑。4.1重视混凝土桥梁耐久性的设计考虑到混凝土桥梁耐久性的多方面因索，在设计吋必须从材料、环境等各个因素着手，不断完善混凝土桥梁的耐久性设计，有效减少其维修费用并延长结构的使用年限。混凝土桥梁的耐久性应根据其周围的环境类别以及桥梁设计使用年限进行规划设计。只有保证措施得当才能有效的延长桥梁的使用年限。目前我国大部分大型桥梁都实行终身负责制，这将有利于保证桥梁结构的耐久性。设计屮增加桥梁耐久性比较常见的措施主要冇加人桥体内部混凝土保护层的厚度，降低水中氯化物对钢筋的腐蚀作用，延缓或阻止钢筋钝化膜的破坏；适度赠人桥体的结构尺寸，减少配筋密度过密的情况，降低混凝土浇筑难度，使骨料均匀分布，增人混凝土密实度，从而提高桥梁的防撞击能力，保证防撞系统与主体结构的耐久性。5.2在施工工程中重视桥梁的耐久性问题施工工程对混凝土桥梁结构的耐久性具有举足轻重的影响作用，在施工过程中必须满足施工规范、施工质量检验标准以及设计耍求，对施工质量必须进行严格控制。在施工屮必须控制好以下几点：（1）控制混凝土水泥用量和水灰比。在海水水位变化区和大气区等侵蚀环境下，混凝土的水泥用量不得低于360kg/m3,水灰比不得低T0.5,在海水浪溅区水泥用量及水灰比则分别不得低于400kg/m3和0.4,在海水水下区分别不得低于300kg/m3和0.5。（2）限制混凝土中各种组成材料中氯离子的有效含量，在侵蚀环境下普通混凝土水泥用量应低于0.10%,预应力混凝土水泥用量则应低于0.06%。（3）确保混凝土所采用的集料不会使混凝土发生超过容许值的碱骨料反应，保证混凝土试件在6个月内的膨胀率不超过0.1%。（4）在环境恶劣部位应优先采用强度高、工作性强、耐久性好的高性能混凝土。（5）施工中应注意对钢筋保护层的施工，确保钢筋保护层的厚度。 （6）对人体积混凝土应采用分层浇筑法，加强养护和温控措施，设置冷却水管防止水化热裂缝的产生。（7）对设计中要设置环氧涂层钢筋的混凝土结构，在施工中应特别注意不要对环氧涂层产生破坏，否则会导致钢筋加剧腐蚀。（8）在施工过程屮应避免发生泌水、离析等现象，在钢筋密集区应加强振捣密实。（9）对加入减水剂、引气剂、阻锈剂等外加剂的混凝土应进行充分搅拌，增加外加剂的防腐效果。（10）预应力混凝土的施工应尽量采用真空压浆，保证管道压浆密度，防止预应力材料锈蚀。（11）在混凝土的养生过程屮，应加强保水养护。对外露面做到保湿保温，应在混凝土达到足够强度时再进行脱膜。4.3采用高性能混凝土高性能混凝土不论是从强度还是耐久性都优于般的普通混凝土，高性能混凝土中通常会加入比水泥颗粒小约100倍的胶凝材料，并使用高效减水剂降低混凝土水灰比，这将有效减小骨料与胶凝材料间的孔隙率，改善混凝土的渗透性，有力的提高混凝土的耐久性。此外，由于高性能混凝土能够大大的降低构件的截面尺寸，与采用普通混凝土相比在经济上也具有一定优势，因而在混凝土桥梁工程中应优先使用高性能混凝土。4.4加强混凝土养护及维修工作及时到位的养护及维修是保证混凝土桥梁良好耐久性的重要前提，出于工程师对混凝土结构耐久性的认识是逐步深入的，因此部分已建成的桥梁在耐久性方面仍存在个别问题，这也就要求我们对口前建成的部分桥梁采取必要的维修工作以延长其使用寿命。混凝土的养护包括湿度和温度两个方面，养护不仅仅是控制好混凝土周围环境的湿度，还要控制好混凝土的温度变化，在保湿养护的同吋，还应保证混凝土表面的温度与混凝土内部温度以及所接触的人气温度之间不要岀现过人的差异，既要保温又要散热，防止温降和温差过人。对于厚度较大的混凝土构件，水化作用所产生的热量会使试件温度持续升高，在炎热气候下有蜩料薄膜盖时可以在薄膜外喷洒凉水降低试件温度。当混凝土表面已结硬时，应保证混凝土表面与内部 以及大气的温差不能过犬，对于水胶比较低的混凝土，浇筑结束吋应保证混凝土中的水分不受较人损火。4.5在钢筋表面涂刷防腐蚀涂层钢筋表面防腐涂层的致密性一定要好，否则水分、空气中的氧以及其他腐蚀性介质则会穿透涂层产生电子传递现象，加速钢筋锈蚀。同时还应保证涂层与钢筋间的粘结力，涂层要具有良好的抗变形、抗磨擦等物理力学性能。 5案例分析5.1杭州湾跨海大桥混结构耐久性研究与应用地处强潮海湾的杭州湾跨海工程为世界之最，社会瞩目。工程具冇规模巨犬、建设要求高、技术难度复杂等诸多特点。在设计上，指挥部在国内土木工程中首次提出了大桥工程设计使用年限为100年的标准。面对腐蚀严峻的海洋环境条件及高达250万方的混凝土工程用量，如何实现大桥混凝土工程的耐久性，确保设计使用寿命，是需耍迫切解决的技术难题之一。为此，早在工程前期，指挥部牵头组织有关高校及大桥主体设计单位进行联合攻关，前后历时五年，在交通部重点科技项目、浙江省交通科技计划项目、国家高科技研究发展计划（863计划）及浙江省自然科学基金等科研经费的人力支持下，从混凝土结构腐蚀机理、混凝土原材料指标、混凝土配合比设计原则、耐久性设计措施及施工技术规程制订、耐久性监测评估及验证等方面进行全面研究,形成成套耐久性技术成果，并直接应用于大桥的混凝土结构设计与施工实践。木次报告将介绍其关键技术成果，以供同行借鉴参考。2混凝土结构耐久性的两个基本问题及对策木项目研究紧紧围绕两个基本问题，一是设计和施工中应采取何种技术手段来满足杭州湾跨海大桥工程100年设计使用寿命的要求？二是现阶段如何采用定量分析的手段证明所采取的耐久性设计和施工措施是冇效的，11所设计的结构理论上能达到预期寿命？鉴于国内对海洋混凝土结构耐久性研究滞后并缺乏工程实践，借鉴国外跨海人桥混凝土结构防腐蚀的工程实例和欧洲混凝土委员会耐久性设计标准，结合我国海港工程混凝土结构防腐蚀设计和施工经验和有关研究结果，改变过去多注重从材料层次和构件层次的角度研究混凝土耐久性问题，而从整体结构的角度出发,通过项目组的研究，系统地提出了以“基本措施、附加措施、监测措施、验证措施”为体系的人桥混凝土结构耐久性综合措施。5.2.1问题一之对策基本措施和附加措施主要是为了回答第一个基本问题而提岀的。具体内容如下：1.1基木措施通过限制氯离子扩散系数和设置合理的钢筋保护层，作为保证人桥混凝土结构100年设计使用年限的基本措施。采用的海工耐久混凝土，主要以氯离子扩散系数（见衣2-1）为控制参数，在原材料遴选方面，主要考虑使混凝土具备高抗氯离 子扩散能力、高抗裂性能、高工作性能；在海工混凝土配合比设计原则和质量要求方面，主要考虑工程不同结构部件、不同设计要求、不同腐蚀环境、施工控制耍求等情况，典型混凝土构件配比如表2-2所列。根据杭州湾的腐蚀环境、桥梁各部位的受力特点和设计使用年限，设置合理的钢筋保护层厚度（表2-3）,尽量延长氯离子扩散到钢筋表面的时间。”i•■孑F魚屬上第井<35*4r怙上第井寿上寥伸穴上第卅或乂景用片*俩粉・点归未采肖半■佯lb■配分・••-<15<»5aw混復土族氯商于扩敵性矩标（I2WWJH）®2-t•9Z秒石子*坤」#蔓CISOM16S1247S4460IS4I)C30OJI2S2ft4<2167S39»7ISOS76/WO03>$.170as170742g【S3*2$Wt*ffC40023骼2811627TO1033IM496tla!現金C4Otl*S、•⑸16S12673S］彌143$04ft4C400刈、ISC'Xi18077932S490CSO0处21211247734I3【ISO).0/«2-2久麹•土典盘近禽比加、«2-3术下££"侵下K7S*1农H曳WrZ•XIy上大勺区"560大丸医1.2附加措施根据不同的情况和环境研究采用不同的防腐措施，针对性的引进国际先进的防腐技术和工艺，以降低氯离子扩散速度。对于混凝土结构表面，采用防腐涂装技术（表2-4）,对于混凝土箱梁预应力筋的保护采用耐腐蚀、密封性能好的塑料波纹管，配合采用高性能真空辅助压浆助剂和真空辅助压浆技术（图2-1）；对于桥墩施工，首次犬规模采用渗透性可控制模板布技术（图2-2）,提高桥墩衣明抗氯离子渗透能力；对于桥墩浪溅区部位，采用环氧钢筋和阻锈剂等附加措施。在斜拉桥主墩承台、塔座和浪溅区的下塔柱，首次在国内引进外加电流阴极保护技术（图2-3）o方事整2-4配■律負名律MM律展干讓平览用曳＜H«）1申刪1环■■卡t300100fpm)4C0 K2-1辭■试■求体4片祁・导牙幫试・5.2.2问题二之对策监测和验证措施主要是为冋答第二个基木问题而提出的。5.2.2.1监测措施根据环境特征和人桥的耐久性耍求，设置预埋式耐久性监测系统（图2-4）,长期动态获取耐久性参数，掌握大桥混凝土结构脱钝前锋面的发展进程，确认混凝土结构耐久性防护措施的冇效性。图2-4夜埋式耐久性无损监测传感系统通过与德国亚琛工业大学M.Raupach教授等的合作研究，在消化第一代梯形阳极预埋式无损监测技术的基础上，集成开发新一代更加可靠的针对海洋环境外渗型腐蚀介质的耐久性监测技术，提出了海工结构测点布置的优化和信息处理方法，构建了大桥混凝土结构耐久性长期原体无损监测系统。经过方案及技术论证，大桥选择4个典型截面布置测点，每个截面布置10 个测点（图2-5）,另加用于补偿、校正的8点共48个测点。2008年12月课题组对测点进行了现场检测。结果显示，个别测点因施工受到破坏而无法正常采集数据，其余所有测点数据正常，这表明系统安装成功并投入正常运行监测，大桥已具备了长期的动态监测手段。5.2.2.2验证措施口前，混凝土结构耐久性试验传统的方法主要有现场取样检测、现场暴露试验和室内加速试验等形式，这些方法仍存在着室内加速试验结果无法与现场试验方法的检测结果联系起來的问题，如何把室内加速试验的试验结果应用于现场实际并进行耐久性评估是混凝土结构耐久性研究的一个关键问题，其核心问题是如何实现室内快速试验与实际工程的性能和吋间相似性。为此，通过引入与研究对象具有和似环境条件且具有一定服役年限的第三方参照物，以解决室内试验环境与现场实际环境之间的相似性问题。基于传统相似三定理，提出了多重环境时间的相似性氯盐侵蚀混凝土试验方法，基木原理见图2-6所示。应用这-试验方法建立相同配合比的混凝土试件在加速环境与现场环境Z间的时间和似关系，从而在短期内通过相似关系对大桥混凝土结构进行耐久性评估。艰弼室内加速试验结果和时间相似关系评估研究对象耐久性为了获取人桥混凝土结构在海洋环境作用下的耐久性实际参数，建立大桥实际使用环境和人工模拟环境之间的联系，实现利用快速人工模拟试验结果预测大桥实际使用性能和寿命的目标，验证各种耐久性防护措施的冇效性和局限性。在大桥海中平台建立了混凝土现场暴購试验站，见图2-7。暴露试验站的设计使用年限为50年。根据海洋环境条件及混凝土试件设置的要求，暴露试验站为无掩护条 件的海洋环境，设大气区、浪溅区、潮差区、水下区，各层顶面高程按照能够充分代农海洋环境对混凝土结构的影响因素确定。图2-7杭州湾跨海大桥现场橐11试验站通过对现场暴露的研究对象混凝土试件的3次检测、第三方参照物的5次现场检测取样、室内加速试验的12次取样分析，得到不同暴露/试验时间的近514条氯离子侵蚀曲线。基于多重环境相似理论（METS）方法，对大桥混凝土结构主要部位进行寿命预测，结果如表2-5所示。表2-5大桥混凝土结构主要部位基于METS方法的耐久性粵命预测结果结构部位保织层厚度.mm使用100年所需厚度.mm混凝土刊测寿命/a定否满足要或懈上桩基75462256满足辉上承台9060.0239満足湿接头8079060.01857233満足预剖墩身6045.5194満足现浇墩身6054.7123満足际上承台7544.9>300満足4028.8222満足预测结果表明，现浇墩身是人桥受氯离子侵蚀最严重的部位，其次是预制墩身和湿接头。说明海水干湿交替区域氯离了对结构的侵蚀最为严重，应引起设计 人员的足够垂视。5.2.2.3大桥混凝土结构耐久性设计方案基于对混凝土结构耐久性基本问题的研究，形成了人桥混凝土结构成套耐久性设计方案并付诸实施。对于钻孔灌注桩，采用的措施有：（1）水位变化区和水下区保留施工用的钢护筒；（2）增加钢筋保护层厚度至75mm；（3）釆用海工耐久混凝土。对于承台采用的措施冇：（1）采用海工耐久混凝土；（2）钢筋保护层厚度增加，海上90mm.陆地75mm；（3）涂层防腐；（4）索塔浪溅区10.2m标高以下塔座、承台部位采用外加电流阴极保护；（5）阻锈剂。对于桥墩，采用的措施冇：（1）采用海工耐久混凝土；（2）钢筋保护层厚度增加至60mm；（3）桥墩外表面增加涂层防腐；（4）浪溅区墩身钢筋采用环氧涂层钢筋；（5）施工时采用渗透性摸板布；（6）阻锈剂。对于混凝土箱梁，采用的措施有：（1）釆用海工耐久混凝土；（2）钢筋保护层厚度增加至40mm；（3）混凝土表面涂层保护；（4）采用犁料波纹管及真空辅助压浆；（5）浆体掺阻锈剂；（6）减水剂。5.3案例分析小结从整体结构的角度，全面系统地对海洋环境下混凝土结构耐久性所涉的疑难 问题进行了研究，首次系统地提出了以“基本措施、附加措施、监测措施、验证措施”为体系的人桥混凝土结构耐久性措施，形成了耐久性设计、施工、维护、监测预警、检验评定等技术标准和成套技术，并运用于杭州湾跨海大桥和国内同类桥梁工程。首次提出了混凝土结构耐久性的多重环境吋间相似试验方法，从理论和实验两个方面定量预测了大桥混凝土结构设计寿命，并建立了现场长期试验暴露站，为长期监测和预测人桥混凝土耐久性提供了技术支持和理论依据。同时，人桥工程对丁混凝土结构耐久性研究和应用在国内特大型桥梁工程建设中起到了示范作用，对于推广耐久性新技术和推动我国混凝土结构耐久性研究发挥了积极作用。 6结论木文主要对跨海大桥混凝土构件耐久性检测、评佔、以及优化设计进行了研究，内容包括：氯离子侵蚀下钢筋锈蚀模型、海洋环境下混凝土结构耐久性评估准则、可靠度计算、基于可靠度的耐久性评估以及耐久性优化设计。通过计算分析得出的结论如下：(1)钢筋表面的氯离子浓度随混凝十保护层厚度增人而降低，随氯离子扩散系数增人而增人；结构的氯离子浓度Clx,d随扩散深度/的增加而减小随服役吋间Z的增加而增加，而且随着距离和时间的增加，氯离子浓度的变化趋于平缓。当钢筋周围的自曲氯离子浓度达到临界浓度时，钢筋就开始锈蚀。在以往的氯离子扩散分析中，氯离子扩散系数一般为常数，即扩散系数不随吋间和扩散深度的改变而变化，但是根据具体实例的计算分析，扩散系数瀧着氯离子浓度的增加而减小,随着扩散深度x的增加而增加，而11这种变化逐渐趋于一个稳定状态。(2)海洋环境下防止钢筋锈蚀的措施主耍针对氯离子侵蚀，可采取基木措施和补充措施两类。前者的主要口的是提高混凝土木身的性能，以增加对钢筋的防护能力，后者是在因环境侵蚀特别严重或因混凝土结构设计、施工不当，使基本防腐措施不足以保证时，增加的其他保护措施。(3)根据一般大气环境下混凝土结构耐久性评估准则提出了海洋环境下混凝土结构耐久性评估准则，重点研究了蒙特卡罗方法在可靠度分析中的应用，提出了应用蒙特卡罗方法计算钢筋混凝土偏心受压短柱和钢筋混凝土受弯构件的抗力统计参数，进而较好的解决可靠度分析问题。考虑氯离子的渗透随机过程，修正了海洋环境下钢筋混凝土偏心受压构件和受弯构件的抗力随机模型，用口J靠度方法对锈蚀钢筋混凝土偏心受压构件和受弯构件分别进行耐久性分析，重点分析了其各自的可靠度影响因素。(4)以杭州湾跨海大桥作为背景工程，通过大量现场检测数据，分析了影响该桥结构耐久性的主要因素，并针对杭州湾跨海设计出人桥混凝土结构耐久性设计方案。 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首先要感谢我的导师李昕欣教授，在大连理工大学网络教育学习，我的每一点进步都与李老师的关怀和指导分不开。从培养计划的制定、学位课程的选修，到学位论文的选题和完成，都倾注了导师大量的心血。李老师在大跨新型桥梁方面冇着深厚的理论知识和丰富的实践经验，能够以最简要的语言和道理让我对桥梁有更深刻的理解。授予知识的同时，十分注重培养我们独立思考、开拓创新的能力，组织学生参与大型课题和各种学术交流，力求让学生了解学科的前沿。这些知识和能力的培养，受益将贯穿我的一生。张老师严谨的治学态度、渊博的知识、对科学研究工作的执着专注和对学生的关心照顾，更让我明白了一个真止的学者和智者的精神，明门了做人的道理和正确对待生活的态度。值此论文完成之际，谨向张老师及其家人表示最真诚的感谢和祝福！感谢奥鹏各位工作人员我三年中学习和生活上的指导，感谢同年级同学在学习、生活和论文撰写过程中对我的帮助和支持！最后，感谢我无私的父母亲，正是曲于他们默默鼓励和支持，才使本人顺利完成学业！