张精岳，毛伟科

(河北工业大学土木工程学院)

1 RC 构件钢筋腐蚀的原因综述

研究发现，RC 构件出现钢筋锈蚀的原因有以下几方面:(1)结构密实性差。若混凝土结构施工质量较差，导致结构密实程度不良，且在结构受荷中出现裂缝，这些均是造成构件内部钢筋发生锈蚀的原因;(2)混凝土碳化。混凝土中的Ca(OH)2与CO2反应，使其内部环境的碱度逐渐降低，破坏了钢筋表面的保护膜，致使钢筋处于易氧化的状态，从而导致钢筋发生锈蚀反应;(3)氯离子侵蚀。桥梁结构受冬季除冰盐与海洋环境的影响，氯离子透过混凝土构件表面的缝隙侵蚀到钢筋表面与钢筋发生电化学反应，使钢筋过早的锈蚀。

2 钢筋锈蚀的力学模型

对于RC 结构，若其内部钢筋发生锈蚀，钢筋有效截面减小，其力学性能发生较大改变，致使RC 结构承载能力降低。

当钢筋混凝土梁内部钢筋出现锈蚀后，根据文献，钢筋锈蚀深度的均值μδ(t)与标准差σδ(t)，随时间的发展而逐渐变大，其锈蚀深度的时间模型如下

式中:μδ(t0)与σδ(t0)为钢筋混凝土结构服役至第t0年时，钢筋锈蚀实际深度的平均值与标准差t≥t0，t0=c2/k2c，kc 为混凝土的碳化系数，kc 取4.8，c 为20 cm，则t0=17.4年。

根据数学上相关量误差的可传递性，钢筋的横截面面积因锈蚀损失的平均值μλ(t)与标准差σλ(t)可表示如下模型

式中:d0为钢筋初始直径值，其它量如上。钢筋的截面积的变化引起钢筋受力性能的变化，其屈服强度随时间发展的平均值μFy(t)与标准值σFy(t)取如下模型

式中:μfy0为钢筋的初始屈服强度平均值;σfy0为钢筋的初始屈服强度标准差，取0.05。

3 可靠性评估的基本准则

3.1 构件应力、变形准则

(1)应力准则:根据材料力学中的容许应力理论，构件内一点处的最大应力达到单向应力状态下极限应力时，则认为构件失效，如表1(采用《混凝土结构设计规范》GB50010－1989)。

表1 不同标号混凝土的抗压强度设计值与容许应力值

(2)变形准则:根据《混凝土结构设计规范》中的钢筋混凝土梁在汽车荷载作用下，主梁跨中最大竖向难度不应大于最大容许值，而简支桥主梁的竖向挠度最大容许值取L/600(L 为计算跨径)。

3.2 构件失效概率准则

在《建筑结构可靠度设计统一标准》GB50068－2001 中指出混凝土结构可靠度的评定依据为可靠指标，但此评定依据难以动态的评定混凝土结构随时间变化的可靠度。贡金鑫、赵国藩教授指出现行的结构可靠度分析和设计方法不考虑结构抗力随时间的降低，结构抗力降低会导致结构的可靠度降低。因此，钢筋混凝土结构失效概率必须考虑结构构件抗力性能随时间发展而降低的因素。

根据文献，将0.85β 作为结构失效的临界值，即结构构件的动态可靠度指标βt＜0.85β 时，则认为结构已处于失效状态，不再满足结构稳定性与适用性等性能，即t 时刻为结构的使用性能终止时间。公路桥梁设计规范指出，设计基准期为100年的目标可靠度指标如表2。

表2 公路桥梁结构承载能力极限状态的可靠指标β

4 钢筋锈蚀的RC 桥梁可靠度数值模拟分析

4.1 工程概述

邢台青龙桥是一座建于1972年的在役RC 简支T 梁桥，安全等级为－20，桥面净宽为7 m，桥梁跨径为16 m，混凝土采用C25，受拉区为10Φ32 的HRB335 钢筋，此桥处于环境腐蚀较严重的地区。

4.2 T 梁可靠度判断依据

(1)根据旧规范中C25混凝土的轴心抗压强度标准值17 MPa，因此T 梁跨中上部混凝土抗压强度小于17 MPa 时，可判断处于可靠状态。

(2)挠度判断依据:L/600 =0.026 6 m，即当跨中挠度小于0.266 m 时，可判断处于可靠状态。

(3)失效概率准则:依据结构构件的动态可靠度指标βt＜0.85β，且本工程安全等 级 为二级，则β = 4.2，0.85，β=3.57，由此可得出Pf =0.0002，则可靠概率大于0.9998时，则认为构件处于安全范围内。

4.3 钢筋锈蚀RC 桥梁可靠度的计算

根据桥梁工程中主梁内力计算中的偏心压力计算法，可知5 片梁中，边梁的横向分布系数最大，为0.532。因此，为减少ansys 程序计算时间，以下所有计算均取边梁做计算。

4.3.1 钢筋动态屈服强度

根据上式(1)－(6)式可计算出钢筋的动态屈服强度值，见表5，初始屈服强度取fy=335 MPa。当t ＞t0=17.4年时钢筋开始锈蚀，经在t =20年时对桥梁钢筋检测可知，其平均锈蚀深度μ =0.17 mm，σ =0.05 mm，则可得出钢筋的动态屈服强度值，见表3。

表3 锈蚀钢筋时变屈服强度值

4.3.2 T 梁有限元模型

T 梁的有限元如图1 所示。

图1 T 梁有限元网格模型

4.3.3 荷载作用下桥梁可靠度

由于此桥等级为－20 级，550 kN×0.532 =292.6 kN，需对T 梁的跨中施加约30t 的荷载，可得出t =20年时梁跨中挠度值UMAX1、最大应力SMAX 的概率分布图如下，从图2中在0.026 6 m 处划竖线与概率为1.0 的线相交，从图3 中在17 MPa 划竖线与概率为1.0 的线相交，因此，可得出此时桥梁处于稳定范围内。

重复上述计算，依次计算出t =30、40、50、60、70年的可靠度，当计算到70年时可靠度为0.98，此时小于0.999 8，则构件处于失效状态;再计算t =65年构件的可靠度，此时可靠度为0.9998，则认为此桥的已处于失效临界状态，表4 为不同时间段构件的可靠度。

图2 t=20年最大压应力分布曲线

图3 t=20年跨中挠度分布曲线

表4 桥梁时变可靠概率值

5 结 论

RC 桥梁内部钢筋受运营环境、施工质量、混凝土碳化、氯离子侵蚀等因素的影响，在运营过程中钢筋发生锈蚀，导致钢筋的屈服强度随锈蚀程度的增加而逐渐减小，且在运营到65年时，T 梁构件已处于失效状态。因此，为了提高桥梁整体的可靠度，建议在运营60年时，对桥梁采取加固措施，减少桥梁危害。

［1］邢锋.混凝土结构耐久性设计与应用［M］.北京:中国建筑工业出版社，2011:35－37.

［2］李广慧，杜朝，蒋晓东.在役建筑结构的剩余寿命预测［J］.郑州工业大学学报，1999，(3):6－9 .