钢筋混凝土桥梁疲劳时变可靠度分析

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1、万方数据第30卷，第2期209年3月中国铁道科学CHINARAII。WAYSCIENCEV01．30No．2March，2009文章编号：1001—4632(2009)02—0049—05钢筋混凝土桥梁疲劳时变可靠度分析李星新1’2，汪正兴2，任伟新1(1．中南大学土木建筑学院，湖南长沙410075；2．武汉桥梁科学研究院有限公司，湖北武汉430034)摘要：考虑钢筋疲劳强度随时间变化，提出疲劳强度时变模型。在此基础上对钢筋混凝土桥梁进行疲劳可靠度分析。基于混凝土碳化模型和钢筋锈蚀深度公式推导钢筋截面面积随时间变化公式。根据试验数据，提出卜N曲线中疲劳强度系数下降的疲劳强度时变模型。

2、基于钢筋截面面积和疲劳强度时变，运用极限损伤度法和改进的一次二阶矩法，求解失效概率与疲劳可靠指标，然后根据选定的目标可靠指标获得桥梁的剩余寿命。算例表明：考虑和不考虑钢筋截面面积随时间的变化，对钢筋混凝土桥梁疲劳时变可靠度计算的影响较大；在桥梁的钢筋锈蚀到一定程度后，考虑和不考虑钢筋疲劳强度随时间的变化，对钢筋混凝土桥梁疲劳时变可靠度计算有明显的影响。关键词：桥梁可靠度；疲劳强度；时变模型；损伤度；钢筋混凝土桥中图分类号：U448．34文献标识码：A疲劳破坏是铁路桥梁和公路桥梁破坏的基本形式之一。由于结构材料固有的离散性和荷载的随机性，结构在一定反复荷载作用下是否会发生疲劳破坏是个不

3、确定事件，需用疲劳可靠度理论[1]进行分析。钢筋混凝土桥梁的疲劳可靠性分析主要包括正截面受压区混凝土和正截面受拉区钢筋的疲劳可靠性分析。由于受拉区钢筋的疲劳损伤对整个梁体的疲劳性能影响更大，因此可以钢筋为研究主体口]。桥梁结构的疲劳是荷载反复作用下，其力学损伤不断积累的结果。由于钢筋混凝土梁中钢筋的锈蚀会减小钢筋的有效截面，使应力幅增加，因此钢筋锈蚀后的疲劳性能会有很大变化。文献[3]从实际桥梁退换下的老化构件中截取锈蚀钢筋进行了疲劳强度试验，试验结果表明，由于有效截面的减小及屈服强度和变形能力的降低等因素，其疲劳强度明显降低。因此，在疲劳可靠度计算中，应考虑疲劳抗力随时间变化【43

4、的事实。可见，疲劳可靠度是一个随疲劳过程变化的量。本文以试验数据为基础，考虑构件断面特性时变和疲劳抗力时变进行钢筋混凝土桥梁疲劳可靠度分析。收稿日期：2007—08—23I修订日期：2008—11—10作者简介：李星新(1980～)，男，湖南临湘人，博士研究生。1疲劳抗力时变分析对于钢筋混凝土桥梁，与疲劳抗力衰减关系最为密切的因素主要有钢筋有效截面和钢筋疲劳强度。1．1钢筋截面有效面积的衰减混凝土截面尺寸，除有严重损伤的部位外，一般不考虑其衰减。一般认为，当碳化深度到一定程度的时候，空气中的氧气、水分就可以扩散到达钢筋的表面，从而引起钢筋的腐蚀，有效受力面积下降。工程界普遍认为的碳化

5、模型为X—K厄(1)式中：X为碳化深度；t为结构使用时间；K为碳化系数。大量试验表明[4]，当钢筋开始锈蚀时，混凝土保护层存在一段还没有碳化的区域，定义为碳化残量，其计算公式为Xo一4．86(一碍+1．5TH一0．45)(c一5)(In凡一2．3)(2)式中：c为混凝土保护层厚度；Tn为环境温度；凡为混凝土立方体强度标准值。根据上述碳化预测模型，可以确定钢筋锈蚀的万方数据50中国铁道科学第30卷开始时间t，铲(半)2(3)钢筋锈蚀速度在混凝土锈胀开裂前后有明显区别，文献[4]结合快速锈蚀试验数据和大量工程检测结果，拟合出了混凝土保护层开裂前钢筋锈蚀深度的计算公式：乱l(r)一A。1(

6、￡一t，)(4)式中：A。t为锈胀开裂前的钢筋锈蚀速度。锈胀开裂后钢筋锈蚀深度计算公式为f艿。，+2．5A。1(￡一t。，)龇，=k㈣。≮裟嚣善1lAd≤0．008mm·年_1(5)式中：￡。，为锈胀开裂时间，其求解参见文献E4]；站为混凝土保护层开裂时的钢筋锈蚀深度。由此可得钢筋截面面积损失率为￡(f)一了43(t)一可43(t)2(6)式中：d。为钢筋商径。艿(￡)为钢筋锈蚀深度，根据保护层是否开裂按式(4)或式(5)计算。1．2钢筋的疲劳强度衰减随着钢筋在使用过程中损伤的不断累积和钢筋表面不均匀的坑蚀，钢筋的表面结构发生变化，引起应力集中，大大降低材料的疲劳强度。因此，在疲劳可

7、靠度计算中，应考虑疲劳强度随时间的变化。疲劳强度可由材料的S_N曲线得到，即N—C(血)一(7)式中：筋为疲劳强度；N为常幅循环作用下的失效循环次数；m为疲劳强度指数；C为疲劳强度系数。在目标鉴定基准期内取相应的疲劳次数N，则可由5一N曲线方程得到受拉区钢筋的疲劳强度血。将上式两边取对数，得lgN—lgC—mlg(Aa)(8)考虑疲劳强度的时变，则上式可表示为lgN—lg[C(￡)]一re(t)lg[Aa(t)](9)疲劳强度的时变可以通过S—N曲线的变化