混凝土桥梁结构的耐久性优化设计

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1、第12卷第1期中国公路学报Vol.12No.11999年1月ChinaJournalofHighwayandTransportJan.1999混凝土桥梁结构的耐久性优化设计屈文俊张誉[同济大学土木工程学院,上海,200092]摘要:以常遇大气环境下的混凝土桥梁为分析对象,以年均投资差额最大为优化分析目标,提出了混凝土结构耐久性优化设计方法,并通过算例进行了验证。关键词:混凝土桥梁,耐久性,优化设计中图分类号:U448.33OptimumDurabilityDesignofConcreteBridgesStruc

2、turesQuWenjunZhangYu[CollegeofCivilEngineering,TongjiUniversity,Shanghai,200092]Abstract:Bytakingtheconcretebridgesunderusualnaturalenvironmentasanalysisobjective,theoptimumdurabilitydesignmethodofconcretebridgesissuggestedbyanalyzingthemaximumaverageyearlyi

3、nvestmentdifferenceinthispaper,andthemethodisprovedbyexample.Keywords:Concretebridge,Durability,Optimumdesign按传统的混凝土结构耐久性设计方法设计的结构,一般情况下,在设计基准内结构能完好地工作,当超过服役期后,一般要投入较大的维护和维修费用,人们并不轻易地将耐久性损伤的混凝土结构报废,而是一直在寻求合适、经济、科学的修理方法,来极大程度地延续正在服役结构的寿命。据估计,在工业发达国家,占建筑工业总投资4

4、0%以上用于现有结构的修理和维护,60%以下用于新的设施。人们这样做,除延续结构寿命可以直接产生经济效益外,还考虑到结构更换费用问题。由于结构的地理或交通重要位置的变化,结构更换的间接费用逐渐上升,使得人们必须重视使用期费用和结构更换费用,而不能单纯强调初始造价。譬如,位于繁忙铁路干线上混凝土桥梁的更换,除旧桥拆除费用、新桥梁的费用、安装费用以及垃圾处理费用外,中断交通带来的间接损失,一般超出直接费用的2～3倍,使得决策者对桥梁的更换持非常慎重的态度,也暴露了只注重初始造价的传统混凝土结构设计方法的弊收稿日期:

5、1997-11-09屈文俊,男,1958年11月出生,博士后,副教授第1期屈文俊等:混凝土桥梁结构的耐久性优化设计63病。在用工程结构的教训,启发工程技术人员去考虑这样的问题:如何进行降低使用期费用和延长更换期,并综合考虑初始投资的结构优化设计。该问题的实施,在传统的结构设计方法基础上,借助混凝土结构耐久性优化设计,是切实可行的。结构耐久性优化设计,还具有另一重要意义:结构耐久性与生态学之间有着紧密联系,延长结构寿命可保护自然资源,最终是一个保护生态平衡、进行巨额财富积累、造福后人的举措。1混凝土结构耐久性设计

6、优化1.1传统的混凝土结构耐久性设计混凝土结构耐久性设计,在各国混凝土结构设计规范中,都明确或隐含地作了规定,一般是规定保护层厚度,最小水泥用量或最大水灰比和裂缝宽度计算式相组合的最大裂缝宽度。横向裂缝宽度对混凝土结构耐久性影响的复杂性,现在尚不能提出划分结构耐久性可靠、失效的临界宽度值,但是裂宽限值似乎有逐渐放宽的趋势。可以暂时接受:如果裂宽小于规范限定值,耐久性失效不由横向裂缝控制。钢筋混凝土结构的耐久性能与混凝土保护层质量和厚度息息相关。混凝土的质量主要由水泥用量、水灰比和养护条件决定;小的水灰比,混凝土

7、的密实性好;水泥用量多,混凝土碳化速度相对较慢;以及适当的养护条件,可使混凝土抵抗自然作用的能力增强;在混凝土质量一定时,混凝土保护层厚度越大,达耐久性极限状态所需的时间越长。从受力角度讲,混凝土保护层(提供粘结锚固作用)是钢筋与混凝土共同工作的基础,即要求保护层有一定的厚度。传统的混凝土结构耐久性设计,就是要使混凝土保护层满足d≥max{dF,dT}(1)式中:d为设计的混凝土保护层厚度;dF为钢筋与混凝土共同工作要求的最小保护层厚度;dT为预定耐久寿命要求的保护层厚度。1.2耐久性设计的优化思想目前,人们在

8、进行不同设计基准期的结构设计时,仅在荷载效应计算时,将设计基准期内可能出现的最大荷载投射到设计时点,作为一随机变量处理。同一可靠度标准,设计基准期越长,要求的结构抗力越高。常遇环境条件下的钢筋混凝土结构,如果其耐久性满足设计基准期的要求,其抗力的下降可以忽略,即正如在现行设计时所取用的为一常随机变量。这样设计的结构,一般在服役满设计基准期之后,结构的功能下降速度增快,继续服役靠大量的维