【摘 要】預(yù)應(yīng)力橋梁有良好的使用性能和較好的跨越能力，在橋梁建設(shè)中廣泛應(yīng)用，本文以可靠度基本理論應(yīng)用到橋梁結(jié)構(gòu)耐久性為出發(fā)點(diǎn)，介紹了預(yù)應(yīng)力橋梁結(jié)構(gòu)耐久性的影響因素，并提出了耐久性極限狀態(tài)的基本含義及其在結(jié)構(gòu)耐久性研究中的應(yīng)用。 

　　【關(guān)鍵詞】預(yù)應(yīng)力橋梁；耐久性；可靠度；極限狀態(tài) 

　　0 引言 

　　混凝土的耐久性最早開始于海工結(jié)構(gòu)的腐蝕問題，隨著配筋混凝土結(jié)構(gòu)的大量使用，耐久性腐蝕問題逐漸頻繁的出現(xiàn)，近年來在預(yù)應(yīng)力混凝土耐久性研究方面，劉榮桂等針對(duì)現(xiàn)代預(yù)應(yīng)力混凝土的失效特點(diǎn)和結(jié)構(gòu)耐久性的具體要求，提出了耐久性設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容，并給出了結(jié)構(gòu)構(gòu)件耐久性極限狀態(tài)的定義形式。陳妤等以氯鹽循環(huán)為出發(fā)點(diǎn)分析了影響預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)耐久性的主要因素，將可靠度理論作為結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計(jì)方法。 

　　預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)耐久性分析的主要內(nèi)容包括兩類問題，一類是結(jié)構(gòu)內(nèi)在制約因素包括結(jié)構(gòu)混凝土的保護(hù)層、混凝土標(biāo)準(zhǔn)強(qiáng)度、水膠比、配合比、水泥標(biāo)號(hào)及用量、混凝土內(nèi)部含水量、外加劑、構(gòu)件類型、鋼筋型號(hào)和位置、結(jié)構(gòu)的應(yīng)力狀態(tài)以及結(jié)構(gòu)開裂情況等。另一類為結(jié)構(gòu)外部環(huán)境條件，包括溫度、濕度、二氧化碳濃度、氯離子濃度、酸雨、土壤條件、凍融情況等�；炷�土結(jié)構(gòu)耐久性分析可以從環(huán)境層次、材料層次、構(gòu)件層次以及結(jié)構(gòu)層次上進(jìn)行分析。 

　　1 基于可靠度的橋梁結(jié)構(gòu)耐久性及影響因素分析 

　　1.1 可靠度的基本概念和原理 

　　結(jié)構(gòu)可靠度是限定時(shí)間和規(guī)定約束條件下，結(jié)構(gòu)的安全、適用和耐久性等能夠達(dá)到預(yù)定功能。結(jié)構(gòu)的可靠度是對(duì)結(jié)構(gòu)功能的定性描述，可以通過可靠度指標(biāo)進(jìn)行概率度量，結(jié)構(gòu)可靠度限定的時(shí)間即代表耐久性壽命，在設(shè)計(jì)上為設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期。 

　　結(jié)構(gòu)的可靠度可以簡化為結(jié)構(gòu)的作用效應(yīng)S和結(jié)構(gòu)抗力效應(yīng)R之間的邏輯關(guān)系，結(jié)構(gòu)抗力表示橋梁結(jié)構(gòu)抵抗破壞和變形的能力，包括極限彎矩、最大撓度、最大應(yīng)力限值等，作用效應(yīng)代表外荷載產(chǎn)生的內(nèi)力和變形。當(dāng)作用效應(yīng)S大于抗力R時(shí)，結(jié)構(gòu)功能就不能正常完成，此時(shí)可以用結(jié)構(gòu)功能失效概率來表示，反之為可靠概率。 

　　1.2 可靠度分析方法 

　　一次二階矩法將結(jié)構(gòu)功能函數(shù)作為變量的線性函數(shù)，變量的一階矩和二階矩為概率特征，非線性的功能函數(shù)可以在設(shè)計(jì)點(diǎn)做泰勒展開，近似得到一次式線性函數(shù)。二次二階矩法則主要應(yīng)用于非線性較高的功能函數(shù)，其實(shí)質(zhì)是采用數(shù)值逼近的原理，運(yùn)用拉普拉斯變換解決功能函數(shù)中非線性影響的二次項(xiàng)，目前工程中常運(yùn)用的方法為一次二階矩法，二次二階矩法還沒能普遍使用。 

　　蒙特卡羅法是以數(shù)理統(tǒng)計(jì)為基礎(chǔ)，采用抽樣理論近似求解數(shù)學(xué)或物理問題，這種方法隨著計(jì)算機(jī)的進(jìn)步而發(fā)展起來，首先建立相似性的概率模型，然后通過特征和數(shù)學(xué)問題聯(lián)系起來，通過計(jì)算機(jī)進(jìn)行隨機(jī)模擬和抽樣統(tǒng)計(jì)，利用得到的結(jié)果統(tǒng)計(jì)估計(jì)值作為數(shù)學(xué)的近似數(shù)解。優(yōu)勢在于不需要對(duì)功能函數(shù)進(jìn)行線性處理，沒有大量反復(fù)的計(jì)算工作，能夠直接求解結(jié)構(gòu)可靠度指標(biāo)，容易控制產(chǎn)生的模擬誤差，常用于復(fù)雜結(jié)構(gòu)的可靠度指標(biāo)分析中。 

　　1.3 時(shí)變可靠度壽命預(yù)測方法 

　　結(jié)構(gòu)的可靠度是在一定時(shí)期內(nèi)的動(dòng)態(tài)問題，功能函數(shù)中包含的作用效應(yīng)和抗力效應(yīng)都和時(shí)間有關(guān)，例如結(jié)構(gòu)使用期內(nèi)，設(shè)計(jì)荷載時(shí)一個(gè)隨機(jī)過程當(dāng)作用荷載對(duì)應(yīng)的時(shí)間域發(fā)生變化時(shí)，設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期也就相應(yīng)變化了。結(jié)構(gòu)荷載和抗力在偶然因素的影響下，都會(huì)隨著時(shí)間成為隨機(jī)函數(shù)，所以采用時(shí)變可靠度來分析結(jié)構(gòu)的耐久性更為符合實(shí)際情況。 這樣靜態(tài)的可靠度模型就轉(zhuǎn)化為時(shí)變可靠度模型問題。 

　　那么，只要求解出失效概率沿時(shí)間軸變化的規(guī)律，就能明確失效概率對(duì)應(yīng)的時(shí)間域，預(yù)測橋梁結(jié)構(gòu)的使用壽命問題也就簡單了。由于時(shí)變可靠度的基準(zhǔn)期是不斷變化的，可以采用時(shí)變綜合法將整個(gè)服役期的基準(zhǔn)期作為一個(gè)整體參考時(shí)間段，在整個(gè)服役期內(nèi)考慮結(jié)構(gòu)抗力和荷載變化情況。 

　　2 預(yù)應(yīng)力混凝土橋梁結(jié)構(gòu)耐久性影響因素 

　　2.1 混凝土碳化腐蝕 

　　空氣中的二氧化碳會(huì)逐漸進(jìn)入到表面混凝土材料，和其中的堿性化合物發(fā)生化學(xué)反應(yīng)生成碳酸鈣，也即是混凝土的碳化反應(yīng)。碳化反應(yīng)主要受混凝土自身的密實(shí)度和堿性強(qiáng)弱的影響，環(huán)境的溫度和濕度等則會(huì)影響反應(yīng)的速率。 

　　碳化反應(yīng)初期會(huì)使混凝土材料的密實(shí)度和表面強(qiáng)度有所增加，但隨著時(shí)間的增長，強(qiáng)度會(huì)逐漸減弱，反應(yīng)消耗堿性材料，鋼筋會(huì)因?yàn)槭�去堿性材料的保護(hù)出現(xiàn)失鈍問題，對(duì)于高應(yīng)力狀態(tài)下的鋼筋更為不利，碳化反應(yīng)還會(huì)加劇混凝土的收縮變形，在鋼筋銹脹的作用下出現(xiàn)開裂現(xiàn)象，鋼筋和混凝土的粘結(jié)力降低，保護(hù)層剝落。 

　　2.2 氯離子的擴(kuò)散侵蝕 

　　氯離子主要通過混入和擴(kuò)散兩種方式進(jìn)入到混凝土結(jié)構(gòu)中，包括混凝土外加劑、海砂以及含氯離子的水等，在近海、鹽湖等外界環(huán)境中含有的氯離子也會(huì)逐步進(jìn)入材料內(nèi)部，造成鋼筋表面的腐蝕。 

　　氯離子對(duì)混凝土的破壞主要變現(xiàn)在鋼筋表面的鈍化膜會(huì)遭到破壞，失去保護(hù)作用，在混凝土內(nèi)部形成腐蝕電池，導(dǎo)致鋼筋表面因電化學(xué)作用形成局部腐蝕坑。具有去極化作用，在造成鋼筋銹蝕作用的前提下本身數(shù)量不會(huì)減少，腐蝕作用不停的進(jìn)行下去。 

　　2.3 鋼筋銹蝕作用 

　　鋼筋銹蝕問題是結(jié)構(gòu)耐久性的主要問題，按照作用機(jī)理的不同鋼筋表面的腐蝕可以分為化學(xué)腐蝕和電化學(xué)腐蝕�；炷�土內(nèi)部具有堿性材料，當(dāng)堿性環(huán)境發(fā)生變化時(shí)，對(duì)鋼筋起到保護(hù)作用的鈍化膜就會(huì)遭到破壞，化學(xué)腐蝕是由氧化作用或非電解質(zhì)溶液引發(fā)的具有化學(xué)性質(zhì)的腐蝕，在較高溫度下這種反應(yīng)速度較快。電化學(xué)腐蝕則產(chǎn)生腐蝕電流，鋼筋腐蝕對(duì)結(jié)構(gòu)耐久性的破壞不僅表現(xiàn)在鋼筋的有效面積上，而且會(huì)引起受力鋼筋的應(yīng)力集中現(xiàn)象，進(jìn)一步加劇結(jié)構(gòu)的衰減破壞。 

　　2.4 預(yù)應(yīng)力鋼筋的應(yīng)力腐蝕 

　　預(yù)應(yīng)力鋼筋的應(yīng)力腐蝕可以分為三個(gè)階段，第一階段應(yīng)力腐蝕發(fā)生初期，鋼筋局部發(fā)生腐蝕，在拉應(yīng)力的作用下出現(xiàn)金屬裂紋；第二階段裂紋開始發(fā)展，局部微小的裂紋逐步發(fā)育擴(kuò)展，發(fā)展為小的裂縫；第三階段為破壞階段，拉應(yīng)力作用下，細(xì)小裂紋急劇增長，最終導(dǎo)致鋼筋材料的整體強(qiáng)度下降而破壞。 

　　3 預(yù)應(yīng)力橋梁耐久性極限狀態(tài)分析 

　　3.1 耐久性極限狀態(tài)的概念 

　　預(yù)應(yīng)力橋梁的耐久性極限狀態(tài)為構(gòu)件達(dá)到使用功能允許的限值狀態(tài)，橋梁的耐久性要求和正常使用功能要求是相一致的，結(jié)構(gòu)耐久性極限狀態(tài)的制定可以參考正常使用極限狀態(tài)的方法和內(nèi)容。當(dāng)構(gòu)件出現(xiàn)下列條件就可以認(rèn)為達(dá)到了耐久性極限狀態(tài)。 

　　外觀變形影響了正常使用，過大的變形可能導(dǎo)致橋梁結(jié)構(gòu)的開裂，橋面積水等，給人的心理上造成不安全感；局部破壞影響了橋梁使用的耐久性，例如結(jié)構(gòu)開裂，裂縫寬度達(dá)到了限值規(guī)定；出現(xiàn)較大的振動(dòng)或其他特定狀態(tài)。 

　　3.2 預(yù)應(yīng)力橋梁耐久性極限狀態(tài) 

　　混凝土結(jié)構(gòu)構(gòu)件的耐久性極限狀態(tài)有三種：當(dāng)鋼筋開始發(fā)生銹蝕的極限狀態(tài)；鋼筋發(fā)生適量銹蝕的極限狀態(tài)；混凝土表面有輕微損傷的極限狀態(tài)。預(yù)應(yīng)力鋼筋處于高應(yīng)力狀態(tài)下，一旦發(fā)生應(yīng)力腐蝕，后續(xù)的應(yīng)力失效會(huì)給結(jié)構(gòu)耐久性帶來巨大的隱患，普通鋼筋的銹蝕導(dǎo)致外觀損壞也會(huì)造成耐久性的下降，所以耐久性的極限狀態(tài)為預(yù)應(yīng)力鋼筋初銹、普通鋼筋保護(hù)層開裂和預(yù)應(yīng)力腐蝕導(dǎo)致截面受力開裂三個(gè)階段。 

　　3.3 耐久性設(shè)計(jì)和評(píng)定的可靠指標(biāo) 

　　結(jié)構(gòu)耐久使用功能指標(biāo)要反映結(jié)構(gòu)在生命過程中的基本工程特性要求，并符合人們對(duì)風(fēng)險(xiǎn)的承受能力，滿足經(jīng)濟(jì)投資等條件，耐久性可靠指標(biāo)還能夠?yàn)榻Y(jié)構(gòu)的維修、加固、拆除等提供依據(jù)。耐久性的指標(biāo)可以通過可靠度和風(fēng)險(xiǎn)分析兩方面來確定。 

　　【參考文獻(xiàn)】 

　　[1]張德峰，呂志濤.現(xiàn)代預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)耐久性的研究現(xiàn)狀及其特點(diǎn)[J].工業(yè)建筑，2000，30（11）：1-4. 

　　[2]劉榮桂，陸春華.大氣環(huán)境下預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)的耐久性設(shè)計(jì)理論[J].江蘇大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2006，l（27）：4-6. 

　　[3]薛鵬飛.預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)剛構(gòu)橋結(jié)構(gòu).性能退化預(yù)測評(píng)估研究[D].杭州：浙江大學(xué)，2009. 

　　[4]劉海，姚繼濤，牛荻濤.一般大氣環(huán)境下既有混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性評(píng)定與剩余壽命預(yù)測[J].建筑結(jié)構(gòu)學(xué)報(bào)，2009，30（2）：20-23.