西部交通建设科技项目 交通编号: 合同号: 200631822302-01 单位编号: 密级: 分类号: 混凝土桥梁耐久性 设计方法和设计参数研究 研究报告简本 承担单位:同济大学 参与单位:贵州省交通规划勘察设计研究院 杭州湾大桥工程指挥部 上海同盛大桥建设有限公司 辽宁省交通勘测设计院 柳州欧维姆机械股份有限公司 2011 年11 月目录1前言.1 2 研究概述 1 3 主要科技成果 2 4 攻克的关键技术及创新点 8 5 研究成果工程应用成效 10 6 致谢.12 混凝土桥梁耐久性设计方法和设计参数研究 研究总报告简本 1 1 前言 本课题为交通部西部交通建设科技项目——《桥梁耐久性关键技术研究》项 目的一部分,由同济大学、贵州省交通规划勘察设计研究院、杭州湾大桥工程指 挥部、 上海同盛大桥建设有限公司、辽宁省交通勘测设计院和柳州欧维姆机械股 份有限公司六家单位共同承担. 2 研究概述 本课题主要研究内容包括: 在对国内外混凝土桥梁耐久性设计理论和方法以 及现状调查研究与分析的基础上,确定我国环境影响和作用的合理区划,分析国 内混凝土桥梁耐久性问题及其原因, 提出耐久混凝土的材料组份与配合比设计方 法,并针对混凝土梁桥、拱桥等桥梁研究相应的耐久性设计理论与设计方法,确 定主要的混凝土耐久性设计参数,在上述成果的基础上,编写混凝土桥梁耐久性 设计指南,并建立基于全桥的混凝土桥梁结构耐久性分析系统. 本课题研究采用的总体技术路线如下图所示. 图2-1 课题总体技术路线 混凝土桥梁耐久性设计方法和设计参数研究 研究总报告简本 2 3 主要科技成果 3.1 基于给定寿命的混凝土桥梁耐久性设计理论 本课题建立了基于给定寿命的混凝土桥梁耐久性设计理论.核心思想主要包 括: 桥梁结构和构件的设计使用寿命是一个给定的过程; 耐久性设计应与结构设 计相联系,但同时也要保持一定的独立性.明确提出耐久性极限状态的概念,并 建立基于分项安全系数的耐久性极限状态方程. 表3-1 混凝土桥梁耐久性极限状态 耐久性退化机理 极限状态描述 极限状态方程 备注 混凝土碳化 碳化深度达到保护层 厚度 d 为构件的保护层厚度;x0 为 碳化深度基准值; ?t 为碳化作 用分项安全系数. 氯盐侵蚀 氯离子侵入混凝土并 在钢筋表面积累达到 临界浓度 Ccr 为引起钢筋锈蚀的临界氯 离子浓度;C0(x,t)为氯离子浓 度基准值; ?l 为氯盐侵蚀作用 分项安全系数. 混凝土冻融 混凝土弹性模量降低 至60%或重量损失达 到5% NR 为混凝土在结构设计使用 寿命期内应满足的抗冻等级; Ns 为设计使用寿命时刻,混 凝土材料实际具有的抗冻等 级; ?d 为冻融作用分项安全系 数. 硫酸盐腐蚀 抗压强度耐蚀系数低 于75% SR 为混凝土的设计抗压强度 耐蚀系数; Ss 为设计使用寿命 时刻, 混凝土材料实际的抗压 强度耐蚀系数; ?s 为硫酸盐环 境分项安全系数. 磨蚀 混凝土结构表面出现 明显损伤 MR 为保证结构正常使用所应 满足的设计磨蚀率;MS 为设 计使用寿命时刻, 混凝土材料 的实际磨蚀率;?m 为磨蚀环 境分项安全系数. 3.2 基于寿命周期设计理论的混凝土桥梁耐久性设计方法 本课题基于寿命周期设计理论,建立了一套比较完整的耐久性设计方法.基 本思想为,耐久性设计是寿命周期设计的一部分,不仅需要进行耐久性验算,而 且还要进行构造设计以及管养设计. 构造设计应当体现出构件的可检可修可换的 基本原则.管养设计应与耐久性设计方案相联系. 混凝土桥梁耐久性设计方法和设计参数研究 研究总报告简本 3 图3-1 基于寿命周期设计理论的耐久性设计过程 3.3 我国环境类型及作用等级区划 本课题提供了图表结合的方法进行混凝土桥梁的环境区划, 不仅包括了现有 规范常用的根据具体环境参数划分的作用等级, 还包括了根据实测资料绘制的我 国环境影响与作用的区划图. 表3-2 环境类别划分 类别名称对材料的腐蚀作用 XT 碳化环境 碳化引起钢筋的锈蚀 XL 氯盐侵蚀环境 氯盐引起钢筋锈蚀 XD 冻融环境 反复冻融导致混凝土损伤 XS 硫酸盐腐蚀环境 硫酸盐、酸等化学物质引起的腐蚀 XM 磨蚀环境 磨耗与空蚀引起混凝土损伤 其次,结合各类环境中混凝土耐久性的退化机理,选取合适的耐久性参数, 针对每个环境类型进行环境作用等级的划分.例如,对于混凝土碳化环境,宜将 相对湿度作为碳化环境等级划分的依据. 混凝土桥梁耐久性设计方法和设计参数研究 研究总报告简本 4 注:1)污染严重的城市、工业区等级适当提高. 2)温度较高且干湿交替频繁区域等级提高. 图3-2 碳化作用区划图 3.4 混凝土桥梁耐久性设计参数 将混凝土结构耐久性相关的设计参数划分为以下三类: (1)环境参数:与混凝土桥梁服役环境有关的参数,例如环境中有害物质 含量(Cl-、SO4 2- 、Mg2+ 等) 、温湿度等; (2)材料参数:与混凝土、钢筋性能有关的参数,例如,水泥品种、矿物 掺合料种类及其掺量、外加剂种类及掺量、混凝土水胶比、混凝土强度等级、钢 筋的强度、直径、弹性模量等; 课题对这些参数的试验方法和取值进行了详细论述. (a) 氯离子扩散 RCM 试验 (b) 混凝土电通量试验 图3-3 氯离子渗透性试验 混凝土桥梁耐久性设计方法和设计参数研究 研究总报告简本 5 (3)结构参数:主要指保护层厚度 3.5 改善混凝土耐久性的新型材料技术 配制出高强度、大流动度及高耐久性的混凝土,通过试验方法分析了矿渣微 粉对各类减水剂效果的影响, 研究了氯偏乳液养护剂和聚丙烯纤维在防止混凝土 塑性开裂方面的作用. (a) 素混凝土的裂缝分布 (b) 聚丙烯纤维混凝土的裂缝分布 图3-4 混凝土开裂情况对比 3.6 基于构件层面的混凝土耐久性计算方法 研究了构件层面的混凝土耐久性,提出了如下计算方法: (1) 考虑构件应力状态的耐久性计算方法 (2) 锈蚀钢筋混凝土构件承载力计算方法 (3) 锈蚀预应力混凝土构件承载力计算方法 (a) Crushing of concrete (b) Rupture of prestressing tendon 图3-5 锈蚀梁破坏模式研究 锈蚀钢筋及预应力混凝土构件承载力计算方法的建立,为已有结构的安全 性能评价奠定了基础,填补了国内外规范在这一方面的空白. 3.7 混凝土耐久性数值模拟技术 课题编写了拥有自主知识产权的混凝土耐久性数值模拟系统(Numerical Simulation System of Concrete Durability,NSSCD) .该系统包括材料和结构 两个层次,每个层次又包含氯离子侵蚀、混凝土碳化、钢筋锈蚀和混凝土冻融四 混凝土桥梁耐久性设计方法和设计参数研究 研究总报告简本 6 个模块,能够计算分析混凝土桥梁常见的耐久性退化过程. (a) 90° (b) 120° (d) 钢筋锈蚀时间与角区角度的关系 (c) 150° 图3-6 NSSCD 在构造设计中的应用 图3-7 NSSCD 在细观层面耐久性退化模拟中的应用 (a) 桥墩横截面图 (b) 计算网格 (c) 氯离子浓度分布图 图3-8 桥墩截面及氯离子侵蚀过程模拟 3.8 混凝土桥梁耐久性分析系统 利用计算机高级语言 FORTRAN90 初步建立起混凝土桥梁耐久性分析系统 (CBDAS).CBDAS 共包括八个模块,主要功能见下图. 混凝土桥梁耐久性设计方法和设计参数研究 研究总报告简本 7 图3-9 CBDAS 分析流程 3.9 高耐久性混凝土材料组份与配合比设计手册 课题在专题 3 的研究成果基础上,编写了 《高耐久性混凝土材料组份与配合 比设计手册》 (以下简称 《手册》 ) .本 《手册》 针对不同的环境类别和作用等级, 根据密实性,抗蚀性,抗裂性三大指标,选择原材料,进行桥梁混凝土配合比 设计,最后进行质量检验.主要内容涉及混凝土原材料选择、桥梁耐久性混凝 土配合比设计以及耐久性混凝土的质量控制指标及评定方法三个方面. 3.10 混凝土桥梁耐久性设计指南 为系统总结本课题的研究成果,同时为混凝土桥梁的耐久性设计工作提供 有效的指导,课题组编写了《混凝土桥梁耐久性设计指南》. (a) 极限状态方程 混凝土桥梁耐久性设计方法和设计参数研究 研究总报告简本 8 (b) 验算点 (c) 计算方法 图3-10 指南中提出的耐久性极限状态验算方法 4 攻克的关键技术及创新点 4.1 本课题攻克的关键技术 (4) 混凝土桥梁耐久性设计理论和设计方法 (5) 我国混凝土桥梁耐久性环境区划 (6) 混凝土桥梁耐久性设计参数 (7) 混凝土耐久性数值模拟技术 (8) 基于构件层次的混凝土桥梁耐久性计算方法 关键技术可参考主要科技成果,下文主要讲述技术创新点及其比较分析. 4.2 混凝土桥梁耐久性设计理论和设计方法 课题提出了基于给定寿命的混凝土桥梁耐久性设计理论,以及基于寿命周期 理论的耐久性设计方法. 改变了目前混凝土桥梁耐久性设计缺乏系统性、全局性 的现状. 表4-1 混凝土桥梁耐久性设计理论和设计方法创新点比较分析 内容 本课题研究成果 国内外水平 混凝土桥梁耐久 性设计理论 提出了基于我国环境条 件特点的给定寿命的混 凝土桥梁耐久性设计理 论. 未形成明确的设计理论.多数规范仍然采用 条文说明的方法(AASHTO, CCES01-2004, TTG D62-2004 等),针对耐久性的规定比较 零散,缺乏系统性. 混凝土桥梁耐久 性设计方法 提出了基于寿命周期理 论的耐久性设计方法. 未体现构造、管养和耐久性设计之间的关系. 耐久性极限状态 针对 5 种混凝土耐久性 退化机理,分别建立了 耐久性极限状态方程. 未建立耐久性的验算方法(AASHTO 等),或 虽建立了耐久性验算方法,但未明确提出耐 久性极限状态的概念(JSCE 混凝土设计指 南). 混凝土桥梁耐久性设计方法和设计参数研究 研究总报告简本 9 4.3 我国混凝土桥梁耐久性环境区划 针对五种常见的混凝土桥梁耐久性退化机理,采用图表结合的方式进行环 境类型和作用等级的划分. 表4-2 混凝土桥梁耐久性环境区划创新点比较分析 内容 本课题研究成果 国内外水平 混凝土桥梁耐久性环 境区划 针对 5 种常见的混凝 土桥梁耐久性退化机 理,采用图表结合的 方式进行环境类型和 作用等级的划分. (1)采用非定量的描述性语言进行环境区划 (CEB-FIP 1990, AASHTO); (2)仅采用表格的方式进行环境区划,未提供 环境区划图. 4.4 基于构件层次的混凝土桥梁耐久性计算方法 研究了应力对混凝土碳化和氯盐侵蚀过程的影响, 并采用分项安全系数的形 式将应力影响纳入到耐久性的计算方法中; 提出了锈蚀钢筋混凝土梁及锈蚀预应 力混凝土梁的抗弯承载力计算方法. 表4-3 基于构件层次的混凝土桥梁耐久性计算方法创新点比较分析 内容 本课题研究成果 国内外水平 应力状态对混凝土碳 化和氯盐侵蚀过程影 响的试验研究 开展了针对桥梁结构的高等级 混凝土(C50)试验研究. 多为建筑结构中常用的较低等级 混凝土. 考虑应力影响的混凝 土耐久性计算方法 以分项安全系数的形式将应力 影响纳入到耐久性计算方法中, 既考虑应力状态(拉应力、压应 力),又考虑应力水平. 部分规范不考虑应力影响(JSCE 混凝土设计指南);部分规范虽考 虑应力影响, 但仅划分为拉应力和 压应力 2 种状态(CECS220:2007) 锈蚀钢筋混凝土梁及 锈蚀预应力混凝土梁 的抗弯承载力计算方 法 提出了锈蚀钢筋和预应力的本 构关系模型,并在此基础上,建 立了实用的锈蚀钢筋混凝土梁 及锈蚀预应力混凝土梁的抗弯 承载力计算方法. 国内对钢筋锈蚀后结构性能的退 化研究较少,特别是预应力构件. 4.5 混凝土桥梁耐久性分析系统 采用计算机高级语言编写相应计算程序, 建立了混凝土桥梁耐久性分析系统 (Concrete Bridge Durability Analysis System,简称 CBDAS) . 表4-4 混凝土桥梁耐久性分析系统创新点比较分析 内容 本课题研究成果 国内外水平 耐久性全过程分析 建立了包括钢筋锈蚀、 保护层开 多研究钢筋锈蚀之前的阶段, 对钢 混凝土桥梁耐久性设计方法和设计参数研究 研究总报告简本 10 裂和完全剥落等多个阶段在内 的结构耐久性能和力学性能的 计算分析方法. 筋锈蚀后的结构性能研究较少. 耐久性分析系统 开发了包括 8 个分析模块, 2 个 分析阶段的混凝土桥梁耐久性 分析系统. 目前的通用有限元软件(ANSYS, Abacus)未形成专门的耐久性模 块;专业桥梁设计软件(Midas, 桥 梁博士)也无法考虑耐久性退化后 结构的安全和使用性能. 4.6 混凝土桥梁耐久性设计指南 课题基于寿命周期设计理论与基于性能设计方法编写了 《混凝土桥梁耐久性 设计指南》 ,弥补现行耐久性设计指南和规范在该方面的不足. 表4-5 混凝土桥梁耐久性设计指南创新点比较分析 内容 本课题研究成果 国内外水平 设计理论 建立了给定寿命的混凝土桥梁 耐久性设计理论,同时初步体 现基于性能的设计思想. 未形成明确的设计思想. 设计方法 提出了基于寿命周期理论的耐 久性设计方法,将耐久性设计 与寿命给定、环境区划、材料 选用和管养维护等过程紧密联 系在一起. 较少涉及基于耐久性考虑的构造和管养内 容,或构造和管养设计与耐久性设计相分 离. 计算方法 针对 5 种耐久性退化机理,分 别建立了基于分项安全系数的 耐久性极限状态方程,并将应 力状态的影响纳入到耐久性计 算方法中. (1)未建立耐久性的验算方法(AASHTO 等),或虽建立了耐久性验算方法,但未明 确提出耐久性极限状态的概念(JSCE 混凝 土设计指南). (2)部分规范不考虑应力影响(JSCE 混凝 土设计指南);部分规范虽考虑应力影响, 但仅划分为拉应力和压应力 2 种状态 (CECS220:2007) 5 研究成果工程应用成效 科研成果已在西部山区和北方多座混凝土桥梁中得到了成功应用.西部山 区依托工程为厦蓉高速公路贵州境水口(桂黔界)至榕江格龙段上的肇兴大桥 (83+2*150+83 米预应力混凝土连续刚构)和黔西至织金高速公路上的六冲河特 大桥((195+438+195m)三跨连续预应力混凝土斜拉桥). 混凝土桥梁耐久性设计方法和设计参数研究 研究总报告简本 11 (a) 总体结构形式 (b) 钢筋网 图5-1 肇兴大桥 图5-2 六冲河特大桥主桥桥型布置图 北方依托工程桥梁为后岭高架桥,上部构造采用先简支后结构连续预应力混 凝土 T 梁. (a) 总体结构形式 (b) 主梁结构形式 图5-3 后岭高架桥 根据基于寿命周期的桥梁设计思想,对上述依托工程进行了耐久性极限状 态验算, 在分析结果基础上,确定修正方案使其满足耐久性使用要求,取得了显 著的经济、社会效益. 本课题的研究成果不仅适用于混凝土桥梁, 同时还可推广应用于其他公路桥 梁中的混凝土构件、 混凝土建筑结构等实际工程.研究成果在解决类似工程结构 混凝土桥梁耐久性设计方法和设计参数研究 研究总报告简本 12 混凝土耐久性能问题方面,在提升其服役性能方面具有广阔的应用前景. 6 致谢 非常感谢交通部西部交通建设科技项目管理中心对本课题研究提供经费支 持和课题管理,同时感谢兄弟课题组对本课题的大力支持和帮助.
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西部交通建设科技项目 交通编号: 合同号: 200631822302-01 单位编号: 密级: 分类号: 混凝土桥梁耐久性 设计方法和设计参数研究 研究报告简本 承担单位:同济大学 参与单位:贵州省交通规划勘察设计研究院 杭州湾大桥工程指挥部 上海同盛大桥建设有限公司 辽宁省交通勘测设计院 柳州欧维姆机械股份有限公司 2011 年11 月目录1前言.1 2 研究概述 1 3 主要科技成果 2 4 攻克的关键技术及创新点 8 5 研究成果工程应用成效 10 6 致谢.12 混凝土桥梁耐久性设计方法和设计参数研究 研究总报告简本 1 1 前言 本课题为交通部西部交通建设科技项目——《桥梁耐久性关键技术研究》项 目的一部分,由同济大学、贵州省交通规划勘察设计研究院、杭州湾大桥工程指 挥部、 上海同盛大桥建设有限公司、辽宁省交通勘测设计院和柳州欧维姆机械股 份有限公司六家单位共同承担. 2 研究概述 本课题主要研究内容包括: 在对国内外混凝土桥梁耐久性设计理论和方法以 及现状调查研究与分析的基础上,确定我国环境影响和作用的合理区划,分析国 内混凝土桥梁耐久性问题及其原因, 提出耐久混凝土的材料组份与配合比设计方 法,并针对混凝土梁桥、拱桥等桥梁研究相应的耐久性设计理论与设计方法,确 定主要的混凝土耐久性设计参数,在上述成果的基础上,编写混凝土桥梁耐久性 设计指南,并建立基于全桥的混凝土桥梁结构耐久性分析系统. 本课题研究采用的总体技术路线如下图所示. 图2-1 课题总体技术路线 混凝土桥梁耐久性设计方法和设计参数研究 研究总报告简本 2 3 主要科技成果 3.1 基于给定寿命的混凝土桥梁耐久性设计理论 本课题建立了基于给定寿命的混凝土桥梁耐久性设计理论.核心思想主要包 括: 桥梁结构和构件的设计使用寿命是一个给定的过程; 耐久性设计应与结构设 计相联系,但同时也要保持一定的独立性.明确提出耐久性极限状态的概念,并 建立基于分项安全系数的耐久性极限状态方程. 表3-1 混凝土桥梁耐久性极限状态 耐久性退化机理 极限状态描述 极限状态方程 备注 混凝土碳化 碳化深度达到保护层 厚度 d 为构件的保护层厚度;x0 为 碳化深度基准值; ?t 为碳化作 用分项安全系数. 氯盐侵蚀 氯离子侵入混凝土并 在钢筋表面积累达到 临界浓度 Ccr 为引起钢筋锈蚀的临界氯 离子浓度;C0(x,t)为氯离子浓 度基准值; ?l 为氯盐侵蚀作用 分项安全系数. 混凝土冻融 混凝土弹性模量降低 至60%或重量损失达 到5% NR 为混凝土在结构设计使用 寿命期内应满足的抗冻等级; Ns 为设计使用寿命时刻,混 凝土材料实际具有的抗冻等 级; ?d 为冻融作用分项安全系 数. 硫酸盐腐蚀 抗压强度耐蚀系数低 于75% SR 为混凝土的设计抗压强度 耐蚀系数; Ss 为设计使用寿命 时刻, 混凝土材料实际的抗压 强度耐蚀系数; ?s 为硫酸盐环 境分项安全系数. 磨蚀 混凝土结构表面出现 明显损伤 MR 为保证结构正常使用所应 满足的设计磨蚀率;MS 为设 计使用寿命时刻, 混凝土材料 的实际磨蚀率;?m 为磨蚀环 境分项安全系数. 3.2 基于寿命周期设计理论的混凝土桥梁耐久性设计方法 本课题基于寿命周期设计理论,建立了一套比较完整的耐久性设计方法.基 本思想为,耐久性设计是寿命周期设计的一部分,不仅需要进行耐久性验算,而 且还要进行构造设计以及管养设计. 构造设计应当体现出构件的可检可修可换的 基本原则.管养设计应与耐久性设计方案相联系. 混凝土桥梁耐久性设计方法和设计参数研究 研究总报告简本 3 图3-1 基于寿命周期设计理论的耐久性设计过程 3.3 我国环境类型及作用等级区划 本课题提供了图表结合的方法进行混凝土桥梁的环境区划, 不仅包括了现有 规范常用的根据具体环境参数划分的作用等级, 还包括了根据实测资料绘制的我 国环境影响与作用的区划图. 表3-2 环境类别划分 类别名称对材料的腐蚀作用 XT 碳化环境 碳化引起钢筋的锈蚀 XL 氯盐侵蚀环境 氯盐引起钢筋锈蚀 XD 冻融环境 反复冻融导致混凝土损伤 XS 硫酸盐腐蚀环境 硫酸盐、酸等化学物质引起的腐蚀 XM 磨蚀环境 磨耗与空蚀引起混凝土损伤 其次,结合各类环境中混凝土耐久性的退化机理,选取合适的耐久性参数, 针对每个环境类型进行环境作用等级的划分.例如,对于混凝土碳化环境,宜将 相对湿度作为碳化环境等级划分的依据. 混凝土桥梁耐久性设计方法和设计参数研究 研究总报告简本 4 注:1)污染严重的城市、工业区等级适当提高. 2)温度较高且干湿交替频繁区域等级提高. 图3-2 碳化作用区划图 3.4 混凝土桥梁耐久性设计参数 将混凝土结构耐久性相关的设计参数划分为以下三类: (1)环境参数:与混凝土桥梁服役环境有关的参数,例如环境中有害物质 含量(Cl-、SO4 2- 、Mg2+ 等) 、温湿度等; (2)材料参数:与混凝土、钢筋性能有关的参数,例如,水泥品种、矿物 掺合料种类及其掺量、外加剂种类及掺量、混凝土水胶比、混凝土强度等级、钢 筋的强度、直径、弹性模量等; 课题对这些参数的试验方法和取值进行了详细论述. (a) 氯离子扩散 RCM 试验 (b) 混凝土电通量试验 图3-3 氯离子渗透性试验 混凝土桥梁耐久性设计方法和设计参数研究 研究总报告简本 5 (3)结构参数:主要指保护层厚度 3.5 改善混凝土耐久性的新型材料技术 配制出高强度、大流动度及高耐久性的混凝土,通过试验方法分析了矿渣微 粉对各类减水剂效果的影响, 研究了氯偏乳液养护剂和聚丙烯纤维在防止混凝土 塑性开裂方面的作用. (a) 素混凝土的裂缝分布 (b) 聚丙烯纤维混凝土的裂缝分布 图3-4 混凝土开裂情况对比 3.6 基于构件层面的混凝土耐久性计算方法 研究了构件层面的混凝土耐久性,提出了如下计算方法: (1) 考虑构件应力状态的耐久性计算方法 (2) 锈蚀钢筋混凝土构件承载力计算方法 (3) 锈蚀预应力混凝土构件承载力计算方法 (a) Crushing of concrete (b) Rupture of prestressing tendon 图3-5 锈蚀梁破坏模式研究 锈蚀钢筋及预应力混凝土构件承载力计算方法的建立,为已有结构的安全 性能评价奠定了基础,填补了国内外规范在这一方面的空白. 3.7 混凝土耐久性数值模拟技术 课题编写了拥有自主知识产权的混凝土耐久性数值模拟系统(Numerical Simulation System of Concrete Durability,NSSCD) .该系统包括材料和结构 两个层次,每个层次又包含氯离子侵蚀、混凝土碳化、钢筋锈蚀和混凝土冻融四 混凝土桥梁耐久性设计方法和设计参数研究 研究总报告简本 6 个模块,能够计算分析混凝土桥梁常见的耐久性退化过程. (a) 90° (b) 120° (d) 钢筋锈蚀时间与角区角度的关系 (c) 150° 图3-6 NSSCD 在构造设计中的应用 图3-7 NSSCD 在细观层面耐久性退化模拟中的应用 (a) 桥墩横截面图 (b) 计算网格 (c) 氯离子浓度分布图 图3-8 桥墩截面及氯离子侵蚀过程模拟 3.8 混凝土桥梁耐久性分析系统 利用计算机高级语言 FORTRAN90 初步建立起混凝土桥梁耐久性分析系统 (CBDAS).CBDAS 共包括八个模块,主要功能见下图. 混凝土桥梁耐久性设计方法和设计参数研究 研究总报告简本 7 图3-9 CBDAS 分析流程 3.9 高耐久性混凝土材料组份与配合比设计手册 课题在专题 3 的研究成果基础上,编写了 《高耐久性混凝土材料组份与配合 比设计手册》 (以下简称 《手册》 ) .本 《手册》 针对不同的环境类别和作用等级, 根据密实性,抗蚀性,抗裂性三大指标,选择原材料,进行桥梁混凝土配合比 设计,最后进行质量检验.主要内容涉及混凝土原材料选择、桥梁耐久性混凝 土配合比设计以及耐久性混凝土的质量控制指标及评定方法三个方面. 3.10 混凝土桥梁耐久性设计指南 为系统总结本课题的研究成果,同时为混凝土桥梁的耐久性设计工作提供 有效的指导,课题组编写了《混凝土桥梁耐久性设计指南》. (a) 极限状态方程 混凝土桥梁耐久性设计方法和设计参数研究 研究总报告简本 8 (b) 验算点 (c) 计算方法 图3-10 指南中提出的耐久性极限状态验算方法 4 攻克的关键技术及创新点 4.1 本课题攻克的关键技术 (4) 混凝土桥梁耐久性设计理论和设计方法 (5) 我国混凝土桥梁耐久性环境区划 (6) 混凝土桥梁耐久性设计参数 (7) 混凝土耐久性数值模拟技术 (8) 基于构件层次的混凝土桥梁耐久性计算方法 关键技术可参考主要科技成果,下文主要讲述技术创新点及其比较分析. 4.2 混凝土桥梁耐久性设计理论和设计方法 课题提出了基于给定寿命的混凝土桥梁耐久性设计理论,以及基于寿命周期 理论的耐久性设计方法. 改变了目前混凝土桥梁耐久性设计缺乏系统性、全局性 的现状. 表4-1 混凝土桥梁耐久性设计理论和设计方法创新点比较分析 内容 本课题研究成果 国内外水平 混凝土桥梁耐久 性设计理论 提出了基于我国环境条 件特点的给定寿命的混 凝土桥梁耐久性设计理 论. 未形成明确的设计理论.多数规范仍然采用 条文说明的方法(AASHTO, CCES01-2004, TTG D62-2004 等),针对耐久性的规定比较 零散,缺乏系统性. 混凝土桥梁耐久 性设计方法 提出了基于寿命周期理 论的耐久性设计方法. 未体现构造、管养和耐久性设计之间的关系. 耐久性极限状态 针对 5 种混凝土耐久性 退化机理,分别建立了 耐久性极限状态方程. 未建立耐久性的验算方法(AASHTO 等),或 虽建立了耐久性验算方法,但未明确提出耐 久性极限状态的概念(JSCE 混凝土设计指 南). 混凝土桥梁耐久性设计方法和设计参数研究 研究总报告简本 9 4.3 我国混凝土桥梁耐久性环境区划 针对五种常见的混凝土桥梁耐久性退化机理,采用图表结合的方式进行环 境类型和作用等级的划分. 表4-2 混凝土桥梁耐久性环境区划创新点比较分析 内容 本课题研究成果 国内外水平 混凝土桥梁耐久性环 境区划 针对 5 种常见的混凝 土桥梁耐久性退化机 理,采用图表结合的 方式进行环境类型和 作用等级的划分. (1)采用非定量的描述性语言进行环境区划 (CEB-FIP 1990, AASHTO); (2)仅采用表格的方式进行环境区划,未提供 环境区划图. 4.4 基于构件层次的混凝土桥梁耐久性计算方法 研究了应力对混凝土碳化和氯盐侵蚀过程的影响, 并采用分项安全系数的形 式将应力影响纳入到耐久性的计算方法中; 提出了锈蚀钢筋混凝土梁及锈蚀预应 力混凝土梁的抗弯承载力计算方法. 表4-3 基于构件层次的混凝土桥梁耐久性计算方法创新点比较分析 内容 本课题研究成果 国内外水平 应力状态对混凝土碳 化和氯盐侵蚀过程影 响的试验研究 开展了针对桥梁结构的高等级 混凝土(C50)试验研究. 多为建筑结构中常用的较低等级 混凝土. 考虑应力影响的混凝 土耐久性计算方法 以分项安全系数的形式将应力 影响纳入到耐久性计算方法中, 既考虑应力状态(拉应力、压应 力),又考虑应力水平. 部分规范不考虑应力影响(JSCE 混凝土设计指南);部分规范虽考 虑应力影响, 但仅划分为拉应力和 压应力 2 种状态(CECS220:2007) 锈蚀钢筋混凝土梁及 锈蚀预应力混凝土梁 的抗弯承载力计算方 法 提出了锈蚀钢筋和预应力的本 构关系模型,并在此基础上,建 立了实用的锈蚀钢筋混凝土梁 及锈蚀预应力混凝土梁的抗弯 承载力计算方法. 国内对钢筋锈蚀后结构性能的退 化研究较少,特别是预应力构件. 4.5 混凝土桥梁耐久性分析系统 采用计算机高级语言编写相应计算程序, 建立了混凝土桥梁耐久性分析系统 (Concrete Bridge Durability Analysis System,简称 CBDAS) . 表4-4 混凝土桥梁耐久性分析系统创新点比较分析 内容 本课题研究成果 国内外水平 耐久性全过程分析 建立了包括钢筋锈蚀、 保护层开 多研究钢筋锈蚀之前的阶段, 对钢 混凝土桥梁耐久性设计方法和设计参数研究 研究总报告简本 10 裂和完全剥落等多个阶段在内 的结构耐久性能和力学性能的 计算分析方法. 筋锈蚀后的结构性能研究较少. 耐久性分析系统 开发了包括 8 个分析模块, 2 个 分析阶段的混凝土桥梁耐久性 分析系统. 目前的通用有限元软件(ANSYS, Abacus)未形成专门的耐久性模 块;专业桥梁设计软件(Midas, 桥 梁博士)也无法考虑耐久性退化后 结构的安全和使用性能. 4.6 混凝土桥梁耐久性设计指南 课题基于寿命周期设计理论与基于性能设计方法编写了 《混凝土桥梁耐久性 设计指南》 ,弥补现行耐久性设计指南和规范在该方面的不足. 表4-5 混凝土桥梁耐久性设计指南创新点比较分析 内容 本课题研究成果 国内外水平 设计理论 建立了给定寿命的混凝土桥梁 耐久性设计理论,同时初步体 现基于性能的设计思想. 未形成明确的设计思想. 设计方法 提出了基于寿命周期理论的耐 久性设计方法,将耐久性设计 与寿命给定、环境区划、材料 选用和管养维护等过程紧密联 系在一起. 较少涉及基于耐久性考虑的构造和管养内 容,或构造和管养设计与耐久性设计相分 离. 计算方法 针对 5 种耐久性退化机理,分 别建立了基于分项安全系数的 耐久性极限状态方程,并将应 力状态的影响纳入到耐久性计 算方法中. (1)未建立耐久性的验算方法(AASHTO 等),或虽建立了耐久性验算方法,但未明 确提出耐久性极限状态的概念(JSCE 混凝 土设计指南). (2)部分规范不考虑应力影响(JSCE 混凝 土设计指南);部分规范虽考虑应力影响, 但仅划分为拉应力和压应力 2 种状态 (CECS220:2007) 5 研究成果工程应用成效 科研成果已在西部山区和北方多座混凝土桥梁中得到了成功应用.西部山 区依托工程为厦蓉高速公路贵州境水口(桂黔界)至榕江格龙段上的肇兴大桥 (83+2*150+83 米预应力混凝土连续刚构)和黔西至织金高速公路上的六冲河特 大桥((195+438+195m)三跨连续预应力混凝土斜拉桥). 混凝土桥梁耐久性设计方法和设计参数研究 研究总报告简本 11 (a) 总体结构形式 (b) 钢筋网 图5-1 肇兴大桥 图5-2 六冲河特大桥主桥桥型布置图 北方依托工程桥梁为后岭高架桥,上部构造采用先简支后结构连续预应力混 凝土 T 梁. (a) 总体结构形式 (b) 主梁结构形式 图5-3 后岭高架桥 根据基于寿命周期的桥梁设计思想,对上述依托工程进行了耐久性极限状 态验算, 在分析结果基础上,确定修正方案使其满足耐久性使用要求,取得了显 著的经济、社会效益. 本课题的研究成果不仅适用于混凝土桥梁, 同时还可推广应用于其他公路桥 梁中的混凝土构件、 混凝土建筑结构等实际工程.研究成果在解决类似工程结构 混凝土桥梁耐久性设计方法和设计参数研究 研究总报告简本 12 混凝土耐久性能问题方面,在提升其服役性能方面具有广阔的应用前景. 6 致谢 非常感谢交通部西部交通建设科技项目管理中心对本课题研究提供经费支 持和课题管理,同时感谢兄弟课题组对本课题的大力支持和帮助.